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Die Erfindung betrifft ein Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug umfassend ein solches Wärmeenergiesystem.
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Elektrofahrzeuge benötigen ein Kühlsystem, um Verlustleistungen, die in den Aggregaten (Batterie, E-Maschine, Untersetzungsgetriebe, Lager, etc.) und elektronischen Komponenten (Leistungselektronik wie Inverter, DC/DC-Wandler, DC-AC-Wandler, etc.) im Betrieb und beim Laden der Batterie anfallen, abzuführen.
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Die Fahrzeugsysteme weisen hierbei meist mehrere Kühlkreise auf, die zum Teil miteinander gekoppelt werden können, um ein Thermomanagement-System zu bilden. In der Regel ist ein Kühlmittelkreis mit Wasser-Glykol-Basis vorhanden, über den die Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Ein weiterer Kreis umfasst eine Wärmepumpe/AC-Kompressor zur Klimatisierung des Fahrgastraums oder zur Unterstützung der Wärmeabfuhr aus den Komponenten. Ein dritter Kreis ist in manchen Systemen zur Wärmeabfuhr aus dem Schmier- und Kühlölsystem des Getriebes vorgesehen.
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Bei den bekannten Systemen herrschen zwei grundsätzliche Prinzipien bzgl. der Innenraumklimatisierung und der Kühlung der Leistungselektronik vor.
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Die Fahrgastzelle wird mittels Kühlmittel-Wärmetauscher aus dem Kühlkreis des E-Antriebes geheizt und über den Kältekreis der Klimaanlage / Wärmepumpe gekühlt, was zusätzliche Wärmetauscher für die Klimaanlage erfordert. Für größere Heizleistungen sind meist zusätzliche elektrische Heizer erforderlich, die entweder den Kühlmittelstrom oder die Innenraumluft direkt erwärmen.
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Das zweite Prinzip bündelt die Funktionen Heizen und Kühlen über den Kältekreis, indem statt einem Heiz-Wärmetauscher ein Kondensierer-Wärmetauscher eingesetzt wird und je nach Bedarf die Luft entweder durch diesen (Heizen) oder durch den Verdampfer-Wärmetauscher (Kühlen) geleitet wird.
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Allen Systemen ist gemein, dass die Leistungselektronik bzgl. Kühlung in Reihe zur elektrischen Maschine vorgeschaltet ist, wobei der dann vorgewärmte Kühlmittelstrom zur Kühlung des Motors verwendet wird.
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Der Energiespeicher/Akku/Hochvolt-, HV-Batterie weist ebenfalls Verluste beim Energieumsatz auf, bedingt durch die chemischen und physikalischen Prozesse innerhalb der Zellen. Deren Einfluss ist leistungs- und temperaturabhängig, sodass bei geringen Leistungen die Verlustleistung ebenfalls gering und je größer der Energieumsatz desto höher die internen Verluste sind. Zur Sicherstellung der Kühlleistung ist dafür in den meisten Systemen eine Flüssigkeitskühlung bereitgestellt.
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Zukünftige Energiespeichertechnologien werden wesentlich geringere Innenwiderstände aufweisen, sodass deren Kühlbedarfe infolge niedrigerer Lade-/Entladeverluste entsprechend geringer sein können und die Kühlung der Batterie angepasst werden kann. Erste Ausblicke zeigen, dass ein Verzicht auf eine aktive Kühlung auch bei hohen Antriebsleistungen möglich sein kann oder diese mittels Luftdurchströmung sichergestellt wird.
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Antriebe, insbesondere elektrische Antriebe (E-Antriebe) benötigen eine intelligente Verteilung der Energie, um die verfügbare Batteriekapazität effizient auszunutzen. Die bekannten Thermomanagement-Systeme trennen die Funktionen Innenraumklimatisierung (Heizung/Kühlung) in mehrere Wärmetauscher auf (Wasser-Luft für die Heizung und Kältemittel-Luft für die Kühlung). Dazu sind häufig auch elektrische Zuheizer vorgesehen.
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Neben den Kosten zeigen sich hier Nachteile im Bauraumbedarf und der Leitungslänge sowie dem Materialeinsatz.
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Des Weiteren führt die Reihenschaltung der Kühlung von Leistungselektronik und der elektrischen Maschine (Antriebsmaschine oder elektrischer Motor) des E-Antriebs dazu, dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine oder die Effizienz des elektrischen Antriebs (eDrive) leidet. Durch relativ hohe Temperatur des Kühlmittels ist die Kühlleistung begrenzt und somit auch der maximale Dauerstrom der Leistungselektronik. Je geringer die Temperatur des Kühlmittels ist, desto größer ist die Kühlleistung und damit auch die mögliche Stromstärke.
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Im Widerspruch dazu steht jedoch, dass eine niedrige Temperatur im eDrive zu erhöhten mechanischen Verlusten aufgrund der Viskosität des Öls führt. Es ist also ein Kompromiss zu finden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeenergiesystem und ein Fahrzeug bereitzustellen, die einen oder mehrere der zuvor genannten Nachteile beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Wärmeenergiesystem und ein Fahrzeug mit einem solchen bereitzustellen, bei dem Verlustenergie des Fahrzeugs bzw. einzelner Komponenten soweit wie möglich genutzt werden und nur überschüssige, nicht nutzbare Energie an die Umgebung abgegeben wird.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 gelöst, umfassend eine Wärmepumpe mit einer Kühleinheit zum Kühlen eines Kühlmittelstroms und einer Heizeinheit zum Erwärmen eines Kühlmittelstrom. Weiter umfasst das Wärmeenergiesystem einen stromabwärts der Kühleinheit beginnenden Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad und einen stromabwärts der Heizeinheit beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad, die jeweils dazu ausgebildet sind, einen Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Pfads zu leiten, wobei stromabwärts der Kühleinheit der NT-Leitungspfad zum Kühlen von zumindest einer ersten Elektronikeinheit ausgebildet ist. Ein erster der HT- und NT-Leitungspfade ist zum Leiten des Kühlmittelstroms zu einem Motor des Fahrzeugs und zum Leiten des Kühlmittelstroms, insbesondere stromabwärts des Motors, zu der Heizeinheit ausgebildet, wobei ein zweiter der HT- und NT-Leitungspfade zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der Kühleinheit ausgebildet ist. Das Wärmeenergiesystem ist weiter dazu ausgebildet, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher und einem Radiator des Fahrzeugs mittels einem der ersten und zweiten Leitungspfade zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem zum Erwärmen die von zumindest einem der ersten Elektronikeinheit, der Wärmepumpe und dem Motor aufgenommene Wärmeenergie verwendet.
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Eine Elektronikeinheit der ersten und/oder weiterer Elektronikeinheiten (siehe nachfolgend) des Fahrzeugs kann eine elektronische Einheit sein, die insbesondere im Betrieb Wärmeenergie erzeugt und sich somit erwärmt. Um eine Leistung der Elektronikeinheit zu gewährleisten, kann die Elektronikeinheit beispielsweise mittels des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads gekühlt werden. Die Elektronikeinheit kann eines von einer Steuerungselektronik, einem Inverter, einem DC/DC-Wandler, einem DC/AC-Wandler und einem On-Board-Charger (OBC) sein. Es können zwei, drei, vier oder mehr Elektronikeinheiten mittels des vorgeschlagenen Systems gekühlt oder erwärmt, insbesondere gekühlt werden. Zumindest eine der ersten und nachfolgend genannten Elektronikeinheiten kann zur Steuerung eines Fahrzeugantriebs des Fahrzeugs ausgebildet sein. Die ersten und die weiteren Elektronikeinheiten können Elektronik-Subsysteme umfassen. Weiter können die ersten und/oder weiteren Elektronikeinheiten eine einzelne Elektronikeinheit oder zwei, drei oder mehr Elektronikeinheiten umfassen. Die ersten Elektronikeinheiten können insbesondere zwei oder drei Elektronikeinheiten (Subsysteme und Komponenten) umfassen. Zumindest eine der ersten und weiteren Elektronikeinheiten können seriell nacheinander (in Reihe) von einem der Leitungspfade, insbesondere dem Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads durchströmt werden, wobei vorteilhafterweise die Reihenfolge basierend auf Anforderungen und/oder Kühlleistungsbedarfe der zu durchströmenden Elektronikeinheiten bestimmt sein kann. Besonders vorteilhaft scheint die Reihenfolge derart, dass als erstes die Elektronikeinheiten mit dem höchsten Kühlleistungsbedarf mit dem kältesten Kühlmittelstrom versorgt werden, damit für diese die höchste Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Anschließend kann der Kühlmittelstrom den Elektronikeinheiten mit geringerem Kühlleistungsbedarf (z.B. Steuerung oder Steuerungsrechner) zugeführt werden, während der OBC (on-board charger) am Ende durchströmt wird, da dieser nur aktiv ist, wenn die anderen Systeme abgeschaltet oder keine wesentliche Verlustleistung erzeugen/kein Kühlleistungsbedarf vorhanden ist. Eine abweichende Versorgungsreihenfolge ist möglich und kann basierend auf den Kühlleistungsbedarfen der verschiedenen Elektronikeinheiten bestimmt sein. Der Volumenstrom in den Kühlmittelkreisen kann individuell oder gemeinsam vorgesehen werden, kann aber insbesondere auf die Kühlleistungsbedarfe aller Elektroniksysteme und/oder Elektronikeinheiten abgestimmt werden.
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Es wird folglich ein Wärmeenergiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit dem Motor, insbesondere einem Elektromotor vorgeschlagen, dessen Energiespeicher/Batterie nicht aktiv über ein zentrales Thermomanagement temperiert wird. Die Batterie kann dabei eine eigene aktive Kühlung mittels eines Kühlmittelkreises aufweisen oder aber durch andere Maßnahmen temperiert werden. Zum Beispiel sind Luftkühlungen bekannt, oder es ergibt sich infolge geringer Verluste bei zukünftigen Technologien eine passive Kühlung. Die Verlustenergien aus den elektrischen Komponenten sowie die Energie aus der Fahrgastzelle (FGZ) bei Klimatisierung wird so weit wie möglich genutzt und möglichst nur überschüssige, nicht weiter nutzbare Energie an die Umgebung abgeführt wird.
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Eine Anzahl an Ventilen und Kühlmittelpumpen kann basierend auf dem vorgeschlagenen Aufbau reduziert werden, was zu einem vereinfachten Einsatz des Systems, geringeren Herstellungskosten und geringeren Wartungskosten führt.
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Die Motor-Kühlung bzw. ein Motor-Wärmetauscher, insbesondere ein Öl-Wasser-Wärmetauscher (siehe nachfolgend) eines bzw. des ölgekühlten Motors ist dem HT-Leitungspfad zugeordnet, während erste Elektronikeinheiten, wie eine Leistungselektronik, ein OBC, eine Steuerung, etc. im NT-Leitungspfad eingebunden sind. Die Trennung von Motor und erster Elektronikeinheit bietet den Vorteil, dass die Elektronikeinheit mit niedrigerer Vorlauftemperatur gekühlt werden kann und damit höhere Leistung und Effizienz erreichbar ist, während der Motor selbst grundsätzlich höhere Temperaturniveaus erträgt, bzw. durch seine hohe thermische Masse wesentlich länger belastet werden kann, bis die Grenztemperatur erreicht ist. Damit kann die erforderliche Kühlleistung bedarfsgerecht und leistungsoptimiert sichergestellt und die Effizienz des Wärmeenergiesystems (Thermomanagement-System) gesteigert werden, indem die Verlustenergie aus dem Elektromotor nicht über die Wärmepumpe transportiert werden muss.
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Die ersten und/oder weitere Elektronikeinheiten können dabei sowohl seriell nacheinander durchströmt werden, wobei die Reihenfolge basierend auf den Anforderungen oder Kühlleistungsbedarfe der Elektronikeinheiten bestimmt ist. Besonders vorteilhaft scheint die Reihenfolge derart, dass als erstes die Elektronikeinheit mit dem kältesten Fluid versorgt und anschließend durch den Zentralrechner fließt, während der OBC (on-board charger) am Ende durchströmt wird, da dieser nur aktiv ist, wenn die anderen Systeme abgeschaltet oder keine wesentliche Verlustleistung erzeugen/kein Kühlleistungsbedarf vorhanden ist.
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Eine abweichende Versorgungsreihenfolge ist möglich und geboten, falls die Kühlleistungsbedarfe es erfordern.
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In einer weiteren Variante ist grundsätzlich eine parallele Versorgung möglich, oder eine Kombination aus serieller und paralleler Durchströmung, wobei berücksichtigt werden muss, dass in dieser Anordnung die Kühlleistung entsprechend der Massenstromverhältnisse aufgeteilt wird. Es kann vorteilhaft sein, die Volumenströme entsprechend der zu erwartenden Kühlleistungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse der Elektronikeinheiten mittels Blenden am Eintritt dieser hydraulisch abzugleichen.
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Ein weiteres Merkmal des Systems stellt die indirekte Klimatisierung der Cabin/Fahrgastzelle dar, die über den einzigen Fahrgastzellenwärmetauscher realisiert werden kann, der, je nach Bedarf entweder mit warmem Kühlmittel aus dem HT-Leitungspfad (Heizbedarf) oder kaltem Kühlmittel aus dem NT-Leitungspfad (Kühlbedarf) versorgt wird. Es kann unter bestimmten Anforderungen geboten sein, die Luft in der Fahrgastzelle zu entfeuchten. Dazu ist es vorteilhaft, jeweils einen Wärmetauscher für die Heizung/Erwärmung, angebunden an den HT-Leitungspfad, und einen für die Kühlung, angebunden an den NT-Leitungspfad, bereitzustellen.
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Unter dem stromabwärts der Kühleinheit beginnenden Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad ist ein Leitungspfad zu verstehen, der an oder bei der Kühleinheit beginnt und/oder aus der Kühleinheit austritt. Unter dem stromabwärts der Heizeinheit beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad ist ein Leitungspfad zu verstehen, der an oder bei der Heizeinheit beginnt und/oder aus der Heizeinheit austritt.
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Die Wärmepumpe kann weiter ein Kältemittelreservoir, einen Kompressor und ein Ventil, insbesondere ein Expansionsventil oder eine Drossel umfassen. Die Wärmepumpe kann dazu ausgebildet sein, mittels der Kühleinheit (engl.: „chiller“) Wärmeenergie aus einem der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom aufzunehmen und mittels der Heizeinheit (engl.: „condenser / liquid cooled condenser, LLC“) Wärmeenergie an ein der Heizeinheit zugeführten Kühlmittelstrom abzugeben. Das Kältemittelreservoir kann Kühlmittel umfassen. Bei der zugeführten Wärmeenergie kann es sich zumindest teilweise um die mittels der Kühleinheit aufgenommene Wärmeenergie handeln. Die zugeführte Wärmeenergie kann weiter Verlustwärmeenergie der Wärmepumpe umfassen. Der den Kühl- und Heizeinheiten zugeführte Kühlmittelstrom und der aus den Einheiten austretende Kühlmittelstrom kann mittels einem oder mehreren Leitungen zu den Einheiten geleitet und von diesen abgeleitet werden.
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Das System kann weiter eine erste und/oder eine zweite Kühlmittelpumpe umfassen, die jeweils zum Pumpen eines Kühlmittelstroms entlang eines der ersten und zweiten Leitungspfade ausgebildet sind. Die erste Kühlmittelpumpe kann stromabwärts des ersten Leitungspfads vor dem Motor angeordnet sein, wobei die zweite Kühlmittelpumpe stromabwärts des zweiten Leitungspfads vor der Kühleinheit angeordnet ist.
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Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen. Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können in dem aktiven Zustand dazu ausgebildet sein, den Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Leitungspfads zu pumpen, wobei die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe in dem inaktiven Zustand dazu ausgebildet sein können, den Kühlmittelstrom ohne ein Pumpen weiterzuleiten.
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Die zumindest eine erste Elektronikeinheit sowie weitere Elektronikeinheiten können eines von einem On-Board-Charger, OBC, einer Steuerung und einer Fahrzeugelektronikeinheit sein, wobei die Fahrzeugelektronikeinheit zum Steuern des Fahrzeugs und dessen Systeme bzw. Einheiten ausgebildet ist.
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Der Fahrgastzellenwärmetauscher kann einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher aufweisen oder anstelle des Fahrgastzellenwärmetauschers kann der erste und der zweite Wärmetauscher vorliegen oder bereitgestellt sein, die zum Erwärmen und/oder Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet sind. Das System kann den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten und/oder den zweiten Wärmetauscher umfassen. Der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste und/oder der zweite Wärmetauscher können zur Klimatisierung der Fahrgastzelle ausgebildet sein. Der erste und/oder der zweite Wärmetauscher können ein Luft-Wasser-Wärmetauscher sein. Der HT-Leitungspfad kann eine höhere Temperatur als der NT-Leitungspfad aufweisen. In einem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel kann der erste Leitungspfad der HT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromaufwärts des Motors zu dem ersten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der HT-Leitungspfad zum Erwärmen (aufgrund der höheren Temperatur des Kühlmittelstroms des HT-Leitungspfads) zumindest des ersten Wärmetauschers ausgebildet ist. In dem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel kann der zweite Leitungspfad der NT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (z.B. Ladegerät (OBC), Steuerung, etc.) zu dem zweiten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der NT-Leitungspfad zum Kühlen (aufgrund der niedrigeren Temperatur des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads) zumindest des zweiten Wärmetauschers ausgebildet ist. Der erste Wärmetauscher kann zum Erwärmen der Fahrgastzelle ausgebildet sein, wobei der zweite Wärmetauscher zum Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet ist. Der zweite Wärmetauscher kann zum Entfeuchten der Fahrgastzelle, insbesondere der in der Fahrgastzelle befindlichen Luft ausgebildet sein. Dieser Aufbau kann als Dual-Circuit-Aufbau beschrieben werden, da der NT-Leitungspfad bei der Kühleinheit beginnt und nach dem Kühlen der ersten Elektronikeinheit und der Fahrgastzelle (mittels des zweiten Wärmetauschers) den Kühlmittelstrom zurück zu der Kühleinheit leitet. Der HT-Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit, erwärmt die Fahrgastzelle (mittels des ersten Wärmetauschers), kühlt den Motor und leitet den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit zurück. Entsprechend liegen zwei Kühlmittelkreisläufe vor. Durch einen parallelen Betrieb beider Wärmetauscher ist eine Entfeuchtung der Luft möglich, indem die Luft als erstes über den zweiten Wärmetauscher geführt und dabei abgekühlt wird, wobei die Feuchtigkeit kondensiert und abgeführt werden kann. Anschließend wird die Luft durch den ersten Wärmetauscher geleitet und wieder auf das Zieltemperaturniveau erwärmt. Der erste Wärmetauscher kann derart ausgebildet sein, dass überschüssige Wärmeenergie nicht ausschließlich an die Fahrgastzellenluft, sondern zumindest teilweise an die Umgebung abgegeben werden kann (Radiator-Funktion/Fahrzeug-Kühler).
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Durch das Bereitstellen des ersten und zweiten Wärmetauschers anstatt des einzelnen Fahrgastzellenwärmetauschers kann ein Entfeuchten der Fahrgastzelle erfolgen. Es ist jedoch grundsätzlich möglich, Kühlen und Heizen der Fahrgastzelle über einen einzelnen Wärmetauscher, insbesondere den Fahrgastzellenwärmetauscher, der in einem ersten Betriebsmodus mit dem HT-Leitungspfad zur Heizung der Fahrgastzellenluft verbunden werden kann und in einem zweiten Betriebsmodus mit den NT-Leitungspfad zum Kühlen der Luft geschaltet werden kann. Eine Entfeuchtung der Luft ist damit nur im Modus des Kühlens möglich.
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Der erste Leitungspfad ist der NT-Leitungspfad und ist zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit und stromaufwärts vor dem Motor zu dem zweiten Wärmetauscher ausgebildet, sodass der NT-Leitungspfad zum Kühlen der ersten Elektronikeinheit, des zweiten Wärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Folglich werden die erste Elektronikeinheit, der zweite Wärmetauscher und der Motor in Reihe nacheinander durch den Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads gekühlt. Der zweite Leitungspfad ist der HT-Leitungspfad und ist zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts der Heizeinheit und stromaufwärts vor der Kühleinheit zu dem ersten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der HT-Leitungspfad zum Erwärmen zumindest des ersten Wärmetauschers ausgebildet ist. Folglich kann die mittels dem NT-Leitungspfad aufgenommen Wärmeenergie der ersten Elektronikeinheit, des zweiten Wärmetauschers und des Motors über die Kühleinheit zu der Heizeinheit an den HT-Leitungspfad übertragen werden, der den ersten Wärmetauscher folglich erwärmen kann. Gemäß diesem Single-Circuit-Aufbau beginnt der NT-Leitungspfad bei der Kühleinheit, kühlt die erste Elektronikeinheit, die Fahrgastzelle und den Motor und leitet den Kühlmittelstrom dann zur Heizeinheit. Der HT-Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit, erwärmt die Fahrgastzelle und leitet den Kühlmittelstrom zurück zu der Kühleinheit. Entsprechend liegt ein einzelner Kühlmittelkreislauf vor. Die thermische Kopplung wird durch die Wärmepumpe bzw. die Heiz- und Kühleinheiten sichergestellt, wobei Wärmeenergie aus dem ersten Leitungspfad ausschließlich darüber an den zweiten Leitungspfad übertragen wird.
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Weiter kann das System eine Ausgleichsleitung mit einem Ausgleichsventil, insbesondere einem Drosselventil aufweisen. Die Ausgleichsleitung kann mit dem NT- und dem HT-Leitungspfad verbunden sein. Insbesondere kann die Ausgleichsleitung derart mit den beiden Leitungspfaden verbunden sein, dass ein erstes Ende der Ausgleichsleitung mit dem NT-Leitungspfad stromaufwärts der zweiten Kühlmittelpumpe und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers verbunden ist. Ein zweites Ende der Ausgleichsleitung kann mit dem HT-Leitungspfad stromaufwärts der ersten Kühlmittelpumpe und stromabwärts des ersten Wärmetauschers verbunden sein. Mittels der Ausgleichsleitung kann ein Volumen- und/oder Druckausgleich zwischen den HT- und NT-Leitungspfaden bzw. den jeweiligen Kühlmittelkreisen eingestellt werden. Insbesondere kann mittels der Ausgleichsleitung und dem Reservoir Kühlmittel dem HT- als auch dem NT-Leitungspfad hinzugefügt oder von diesem entnommen werden. Eine Ausgleichsfunktion des Ausgleichsleitung zwischen dem HT- und dem NT-Leitungspfad kann mittels einer insbesondere relativ kleinen Leitungs-Querschnittsfläche erfolgen. Es kann eine weitere Befüllungseinheit zum Befüllen der Ausgleichsleitung mit Kühlmittel bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgleichsventil eine Befüllstellung aufweisen, während der Kühlmittel hinzugefügt werden kann. Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft, wenn der Dual-Circuit-Aufbau vorliegt und insbesondere, wenn keine Ventile zum Wechseln zwischen Single-Circuit- und Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
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Gemäß einem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel kann das System weiter ein erstes Ventil umfassen, das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmetauschers und stromaufwärts vor der Wärmepumpe angeordnet ist. Das erste Ventil kann dazu ausgebildet sein, zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) zu wechseln, wobei in dem ersten Schaltzustand a) der erste Leitungspfad der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der NT-Leitungspfad sind, wobei in dem zweiten Schaltzustand b) der erste Leitungspfad der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der HT-Leitungspfad sind. Gemäß dem ersten Schaltzustand a) kann der Dual-Circuit-Aufbau und gemäß dem zweiten Schaltzustand b) der Single-Circuit-Aufbau vorliegen.
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In den ersten und zweiten Schaltzuständen a) und b) kann der HT-Leitungspfad dazu ausgebildet sein, den Kühlmittelstrom zu dem entlang des HT-Leitungspfads angeordneten Radiator zu leiten, insbesondere zum Erwärmen des Radiators. Das System kann den Radiator umfassen. Der Radiator kann dazu ausgebildet sein, Wärmeenergie aus einem dem Radiator zugeführten Kühlmittelstrom aufzunehmen und an ein Umgebungsfluid, insbesondere Luft abzugeben. Weiter kann der Radiator dazu ausgebildet sein, aus dem Umgebungsfluid Wärmeenergie aufzunehmen und dem zugführten Kühlmittelstrom zuzuführen. Durch den Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid kann die Effizienz des Systems weiter verbessert werden.
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Gemäß einem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel kann das System alternativ ein erstes Ventil, das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmetauschers und vor der Wärmepumpe angeordnet ist, und ein zweites Ventil umfassen, das entlang des NT-Leitungspfads betrachtet stromabwärts nach der ersten Elektronikeinheit und vor dem Radiator oder vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher, insbesondere vor dem ersten oder zweiten Wärmetauscher der Fahrgastzelle und entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts nach der Heizeinheit und vor den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmeaustauschers angeordnet ist. Das erste Ventil kann zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand c) und einem zweiten Schaltzustand d) ausgebildet sein. Basierend auf den jeweiligen Schaltzuständen der ersten und zweiten Ventile können der erste Leitungspfad der HT- oder der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der NT- oder HT-Leitungspfad sein. Mittels der Schaltzustände kann zwischen dem Single-Circuit-Aufbau und dem Dual-Circuit-Aufbau zur Kühlung aller Komponenten unabhängig von der Klimatisierung der Fahrgastzelle geschalten werden.
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Das erste und/oder das zweite Ventil können als Strömungsventil (engl. Flow-switch) ausgebildet sein. Weiter kann das erste und/oder das zweite Ventil derart angeordnet sein, dass durch die jeweilige Kombination der Ventilstellungen bzw. Schaltzustände alle erforderlichen Betriebszustände des Fahrzeugs mit dem System bedient werden können. Das erste und/oder das zweite Ventil ist vorteilhaft als radiale Drehschieberausführung vorgesehen, jedoch ist eine andere Form (axialer Kolbenschieber) ebenfalls möglich. Das erste und/oder das zweite Ventil können mit einem Einzelaktuator bereitgestellt sein oder mittels einer geeigneten Einrichtung gemeinsam betätigt werden.
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Die Kombination der Ventile ermöglicht darüber hinaus eine Verschaltung der Kühlmittelkreise des NT- und HT-Leitungspfads als hydraulische Reihenschaltung aller Einheiten des Systems, sodass ein Betrieb des Fahrzeuges auch ohne Betrieb der Wärmepumpe möglich ist und damit die höchstmögliche Effizienz des Gesamtsystems ermöglicht wird.
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Die hydraulische Reihenschaltung aller Einheiten ermöglicht es, bei ausgeschalteter Wärmepumpe die höchstmögliche Effizienz des Gesamtsystems zu erreichen. Einschränkungen in der A/C-Leistung der Fahrgastzelle können dabei abhängig von den Randbedingungen (Temperatur Umgebung, Fahrzustand, Betriebsbedingung, Sonneneinwirkung, etc.) sein, jedoch kann damit die bestmögliche Effizienz sichergestellt werden.
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In dem zweiten Schaltzustand b) des ersten Ventils und dem ersten Schaltzustand c) des zweiten Ventils können der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu den stromabwärts in Reihe angeordneten ersten Wärmetauscher und dem Radiator, insbesondere zum Erwärmen des stromabwärts in Reihe angeordneten ersten Wärmetauschers und des Radiators ausgebildet ist und der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts in Reihe angeordneten zweiten Wärmetauscher und dem Motor, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten zweiten Wärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Gemäß der ersten und zweiten Schaltzustände b) und c) der ersten und zweiten Ventile 161, 162 kann der Single-Circuit-Aufbau bei einem Vorhandensein des ersten und zweiten Wärmetauschers der Fahrgastzelle vorliegen.
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In dem zweiten Schaltzustand b) des ersten Ventils und dem ersten Schaltzustand c) des zweiten Ventils können der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts angeordneten Radiator, insbesondere zum Erwärmen des stromabwärts angeordneten Radiators ausgebildet ist und wobei der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts in Reihe angeordneten Fahrgastzellenwärmetauscher und dem Motor, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Gemäß der ersten und zweiten Schaltzustände b) und c) der ersten und zweiten Ventile kann der Single-Circuit-Aufbau bei einem Vorhandensein des einzelnen Fahrgastzellenwärmetauschers der Fahrgastzelle vorliegen.
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Der Motor kann einen ersten und/oder einen zweiten Motor des Fahrzeugs umfassen. Der erste Motor kann für einen Frontantrieb oder für einen Heckantrieb ausgebildet sein. Der zweite Motor kann für einen Frontantrieb oder einen Heckantrieb ausgebildet sein. Sind beide Motoren vorhanden, kann ein Allradantrieb bereitgestellt sein. Der erste Motor kann entlang des ersten Leitungspfads nach dem zweiten Motor angeordnet sein, wobei der erste Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu den ersten und zweiten Motoren, insbesondere zum Kühlen des ersten und zweiten Motors ausgebildet ist. Der erste Motor kann insbesondere entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts nach dem Fahrgastzellenwärmetauscher angeordnet sein und der NT-Leitungspfad kann zum Kühlen des Fahrgastzellenwärmetauscher und zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem ersten Motor, insbesondere zum Kühlen des ersten Motors ausgebildet sein. Der zweite Motor kann in Reihe oder parallel zu der ersten Elektronikeinheit und stromabwärts des NT-Leitungspfads vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher angeordnet sein und der NT-Leitungspfad kann zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der parallel geschalteten Elektronikeinheit und dem zweiten Motor eine Kühlmittelstromparallelschaltung aufweisen. Insbesondere kann der NT-Leitungspfad zum Kühlen der parallel geschalteten Elektronikeinheit und des zweiten Motors ausgebildet sein. Die Kühlmittelparallelschaltung kann vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher wieder zu einer einzelnen Leitung zusammengeführt sein.
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In den ersten Schaltzuständen a) und c) der ersten und zweiten Ventile kann der HT-Leitungspfad der erste Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad sein, wobei der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts der ersten Leistungselektronik angeordneten Fahrgastzellenwärmetauscher, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts der ersten Elektronikeinheit angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers ausgebildet sein kann. Der HT-Leitungspfad kann zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Radiator und dem stromabwärts des Radiators angeordneten ersten Motor, insbesondere zum Erwärmen des Radiators und Erwärmen/Kühlen des stromabwärts des Radiators angeordneten ersten Motors ausgebildet sein. Gemäß diesen Schaltzuständen kann Verlustenergie an das Umgebungsfluid mittels des Radiators abgegeben werden. Gemäß diesen Schaltzuständen kann der Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
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In den zweiten Schaltzuständen b) und d) der ersten und zweiten Ventile können der HT-Leitungspfad der erste Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher und dem stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers angeordneten ersten Motors, insbesondere zum Erwärmen des Fahrgastzellenwärmetauschers und Kühlen des stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers angeordneten ersten Motors ausgebildet ist. Gemäß diesen Schaltzuständen kann der Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
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Die Kühleinheit kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand die Kühleinheit den der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads kühlt und an den NT-Leitungspfad bereitstellt und in dem inaktiven Zustand die Kühleinheit den der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads an den NT-Leitungspfad ohne Wärmeenergieaustausch leitet. Unter „ohne Wärmeaustausch“ ist zu verstehen, dass die Kühleinheit nicht in Betrieb ist und somit den Kühlmittelstrom nicht kühlt und lediglich weiterleitet. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden.
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Der NT-Leitungspfad kann zum Aufnehmen von Wärmeenergie von dem Radiator ausgebildet sein, der stromabwärts nach der ersten Elektronikeinheit entlang des NT-Leitungspfads angeordnet ist.
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Die Wärmepumpe kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit und der Heizeinheit erfolgt und in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit und der Heizeinheit erfolgt. Folglich wird in dem inaktiven Zustand keine Wärmeenergie von der Kühleinheit zu der Heizeinheit übertragen. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden.
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Der Radiator kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Radiator zum Kühlen oder Erwärmen eines Umgebungsfluids des Fahrzeugs ausgebildet ist und in dem inaktiven Zustand des Radiators kein Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid und/oder dem Radiator erfolgt. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden. Zum Verhindern des Wärmeenergieaustauschs kann eine Parallelleitung zum Leiten des jeweiligen Kühlmittelstroms bereitgestellt sein, die den Kühlmittelstrom parallel zu dem Radiator leitet, sodass kein Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid erfolgt. Weiter kann ein Beipass-Ventil bereitgestellt sein, mittels dem der jeweilige Kühlmittelstrom zu dem Radiator oder zu der Parallelleitung geleitet wird.
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Das System kann weiter den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher umfassen. Der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher können einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher zum Kühlen und/oder Erwärmen der Fahrgastzelle ausgebildet sind.
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In dem inaktiven Zustand des Fahrgastzellenwärmetauscher, des ersten Wärmetauscher und/oder des zweiten Wärmetauschers erfolgt kein Wärmeenergieaustausch mit der Fahrgastzelle, insbesondere der Luft in der Fahrgastzelle.
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Der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads kann beim Verlassen der Heizeinheit eine höhere Temperatur als der Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads beim Verlassen der Kühleinheit aufweisen. Eine Temperaturdifferenz zwischen dem HT- und dem NT-Leitungspfad kann 0 bis 10K, 0 bis 50K, insbesondere 0 bis 100K betragen.
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Das Wärmeenergiesystem kann weiter einen Motor-Wärmetauscher, insbesondere einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, ÖWWT für den Motor oder den ersten Motor umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher dazu ausgebildet sein, Wärmeenergie von dem Motor oder dem ersten Motor aufzunehmen und an den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads abzugeben, sodass der erste Leitungspfad den Motor oder den ersten Motor kühlt. Das Wärmeenergiesystem kann weiter eine Ölpumpe umfassen, die dazu ausgebildet ist, Öl zum Kühlen oder Wärmen des Motors oder des ersten Motors von dem Motor oder dem ersten Motor zu dem ÖWWT zu pumpen. Das Öl kann weiter von dem ÖWWT zu dem Motor oder dem ersten Motor geleitet werden. Entsprechend kann ein Motorölkreislauf vorliegen. Der Motor-Wärmetauscher kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen. In dem aktiven Zustand kann der Motor-Wärmetauscher Wärmeenergie von dem Motor an den Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads übertragen oder von dem Kühlmittelstrom Wärmeenergie aufnehmen. Entsprechend kann der Motor gekühlt oder erwärmt werden. In dem inaktiven Zustand findet der Wärmeenergieaustausch nicht statt bzw. es wird das Übertragen der Wärmeenergie verhindert. Der Motor-Wärmetauscher kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei der Motor-Wärmetauscher in dem aktiven Zustand einen Wärmeenergieaustausch zwischen dem Motor und dem Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads ausführt. In dem inaktiven Zustand findet kein Wärmeenergieaustausch statt.
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Das Wärmeenergiesystem kann basierend auf einem Betriebsmodus des Fahrzeugs dazu ausgebildet sein, die erste Kühlmittelpumpe, die zweite Kühlmittelpumpe, die Kühleinheit, die Wärmepumpe, den Radiator, den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher von einem der inaktiven und aktiven Zustände in den anderen der inaktiven und aktiven Zustände schalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeenergiesystem basierend auf dem Betriebsmodus das erste und/oder das zweite Ventil von einem der beiden Schaltzustände in den anderen der beiden Schaltzustände schalten.
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Der Betriebsmodus kann zumindest einen Eco-Modus umfassen, bei dem das Wärmeenergiesystem die erste Kühlmittelpumpe, die zweite Kühlmittelpumpe, den Radiator, den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher in den aktiven Zustand schaltet. Es kann der Single-Circuit-Aufbau eingestellt sein. Weiter kann die Kühleinheit und/oder die Wärmepumpe in dem inaktiven Zustand sein, um einen elektrischen Energiebedarf zu minimieren.
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Der Motor, der erste und/oder der zweite Motor können ein elektrischer Motor sein oder einen solchen umfassen.
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Der HT- und/oder der NT-Leitungspfad kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergietransport durch den jeweiligen Kühlmittestrom erfolgt und in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergietransport erfolgt. Eine Umwälzung des Kühlmittelstroms in dem jeweiligen Leitungspfad kann erfolgen.
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Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können über einen einzigen Pumpenmotor betrieben werden, wodurch eine Zwangskopplung der beiden Drehzahlen/Förderungen vorhanden sind. Bei getrennten Antrieben der ersten und zweiten Kühlmittelpumpen kann eine der Kühlmittelpumpen abgeschaltet sein.
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Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches Fahrzeug gemäß Anspruch 13 umfassend ein System gemäß dem ersten Aspekt gelöst.
Zuvor beschriebene Merkmale des ersten Aspekts können als Merkmale des zweiten Aspekts ausgebildet sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 4 und 5 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
- 6 bis 8 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
- 9 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
- 10 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel;
- 11 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;
- 12 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;
- 13 bis 18 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel; und
- 19 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Wärmeenergiesystem.
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In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs mit einem elektrischen Motor 130. Das Wärmeenergiesystem 100 umfasst eine Wärmepumpe 110 mit einer Heizeinheit 111, einer Kühleinheit 112, einem Expansionsventil 113, einem Kompressor 114 und einem Reservoir 115. Die Kühleinheit 112 ist dazu ausgebildet, eine der Kühleinheit 112 zugeführtes Kühlmittel bzw. zugeführten Kühlmittelstrom zu kühlen. Die Heizeinheit 111 ist zum Erwärmen eines ihr zugeführten Kühlmittelstroms ausgebildet. Die Wärmepumpe 110 ist mit dem Expansionsventil 113, dem Kompressor 114 und dem Reservoir 115 dazu ausgebildet, zumindest teilweise, insbesondere vollständig die Wärmeenergie, welche von der Kühleinheit 112 zum Kühlen des Kühlmittelstromsaufgenommen wird, an die Heizeinheit 111 zu übertragen. Weiter kann Verlustwärmeenergie von der Wärmepumpe 110 mittels der Heizeinheit 111 an den Kühlmittelstrom übertragen werden. Die Heizeinheit 111 kann diese Wärmeenergie zum Erwärmen des ihr zugeführten Kühlmittelstroms verwenden.
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Bei der Heizeinheit 111 beginnt ein Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad HT und bei der Kühleinheit 112 beginnt ein Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad NT. Beide Leitungspfade sind zum Leiten eines Kühlmittelstroms entlang des jeweiligen Leitungspfads ausgebildet. Dazu können die Leitungspfade als Rohre, Schläuche, Kanäle und/oder als eine Kombination dieser ausgebildet sein. Der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads weist eine höhere Temperatur beim Verlassen der Heizeinheit 111 als der NT-Leitungspfad beim Verlassen der Kühleinheit 112 auf, wobei eine Temperaturdifferenz bis zu 100K betragen kann. Stromabwärts der Kühleinheit 112 ist der NT-Leitungspfad zum Kühlen zumindest einer ersten Elektronikeinheit 120 ausgebildet. Die erste Elektronikeinheit 120 kann zur Steuerung des Fahrzeugantriebs des Fahrzeugs ausgebildet sein. Gemäß der 1 sind drei erste Elektronikeinheiten gezeigt, die in Reihe geschaltet sind und von dem NT-Leitungspfad gekühlt werden.
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Ein erster Leitungspfad I der HT- und NT-Leitungspfade, entlang dessen der Motor 130 des Fahrzeugs angeordnet ist, ist dazu ausgebildet, den Motor 130 zu kühlen und den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 zu leiten. Ein zweiter Leitungspfad II der HT- und NT-Leitungspfade leitet den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112. Gemäß der 1 ist der erste Leitungspfad I der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der NT-Leitungspfad.
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Das Wärmeenergiesystem 100 ist dazu ausgebildet, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher 140, insbesondere einen ersten Wärmetauscher 141 und/oder einen zweiten Wärmetauscher 142 der Fahrgastzelle des Fahrzeugs und einem Radiator 170 des Fahrzeugs mittels einem der beiden Leitungspfade I, II zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem 100 zum Erwärmen die von zumindest der ersten Elektronikeinheit, insbesondere der ersten Leistungselektronikeinheit 120, der Wärmepumpe 110 und dem Motor 130 aufgenommene Wärmeenergie verwendet.
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Gemäß der 1 leitet der NT-Leitungspfad als zweiter Leitungspfad II den Kühlmittelstrom stromabwärts der Leistungselektronik 120 zu dem zweiten Wärmetauscher 142 der Fahrgastzelle. Der zweite Wärmetauscher 142 ist zum Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet. Weiter ist der zweite Wärmetauscher 142 zum Entfeuchten der Luft in der Fahrgastzelle eingerichtet. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 142 ist eine zweite Kühlmittelpumpe 152 zum Pumpen des Kühlmittelstroms angeordnet. Schließlich leitet der NT-Leitungspfad den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112 zurück. Durch das Kühlen der Leistungselektronik 120 und des zweiten Wärmetauschers 142 hat der Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads Wärmeenergie aufgenommen. Die Kühleinheit 112 kann diese aufnehmen und entsprechend eine Temperatur des Kühlmittelstroms senken.
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Die mittels der Kühleinheit 112 aufgenommene Wärmeenergie wird durch die Wärmepumpe 110 zu der Heizeinheit 111 übertragen, wobei die Heizeinheit 111 die Wärmeenergie dem Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads zuführt. Stromabwärts der Heizeinheit 111 führt der HT-Leitungspfad als erster Leitungspfad I dessen Kühlmittelstrom dem ersten Wärmetauscher 141 zum Erwärmen der Fahrgastzelle zu. Zusätzlich oder alternativ kann Wärmeenergie mittels des ersten Wärmetauschers 141 an die Umgebung abgegeben werden. Dabei verliert der Kühlmittelstrom entsprechend Wärmeenergie. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 141 leitet der HT-Leitungspfad den Kühlmittelstrom zu einem Motor 130. Weiter ist zwischen dem zweiten Wärmetauscher 141 und dem Motor 130 eine erste Kühlmittelpumpe 151 zum Pumpen des Kühlmittelstroms angeordnet. Der Motor 130 ist an einem Elektromotorabschnitt EA angeordnet, welcher in der 1 einen Frontantrieb des Fahrzeugs erzeugt. Mittels dem Kühlmittelstroms des HT-Leitungspfads wird der Motor 130 gekühlt und der erwärmte Kühlmittelstrom wird der Heizeinheit 111 zugeführt. Gemäß der 1 liegen zwei einzelne Kühlmittelkreisläufe (Dual-Circuit-Aufbau) vor, was durch die durchgezogene Linie des ersten Leitungspfads und die gestrichelte Linie des zweiten Leitungspfads dargestellt ist. Aufgrund des in 1 gezeigten Aufbaus entfallen Ventile zur Strömungslenkung und der Aufbau gestaltet sich entsprechend einfach. Die thermische Kopplung der beiden Kühlmittelkreisläufe wird über die Wärmepumpe 110 sichergestellt, wobei die Wärme aus dem NT-Leitungspfad ausschließlich darüber an den HT-Leitungspfad übergeben und anschließend an die Umgebung und/oder die Fahrgastzelle abgeführt werden kann. Der erste Wärmetauscher 141 entlang des HT-Leitungspfads ist derart ausgestaltet, dass zumindest teilweise die Wärmeenergie zur Erwärmung der Fahrgastzelle und überschüssige Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt werden kann.
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Weiter weist das Wärmeenergiesystem 100 in der 1 eine Ausgleichsleitung AL mit einem Ausgleichsventil AV, insbesondere einem Drosselventil auf. Die Ausgleichsleitung AL ist mit dem NT- und dem HT-Leitungspfad verbunden. Insbesondere ist die Ausgleichsleitung derart mit den beiden Leitungspfaden verbunden, dass ein erstes Ende der Ausgleichsleitung AL mit dem NT-Leitungspfad stromaufwärts der zweiten Kühlmittelpumpe 152 und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 142 verbunden ist. Ein zweites Ende der Ausgleichsleitung AL ist mit dem HT-Leitungspfad stromaufwärts der ersten Kühlmittelpumpe 151 und stromabwärts des ersten Wärmetauschers 141. Mittels der Ausgleichsleitung AL kann ein Volumen- und/oder Druckausgleich zwischen den HT- und NT-Leitungspfaden bzw. den jeweiligen Kühlmittelkreisen eingestellt werden. Insbesondere kann mittels der Ausgleichsleitung AL und dem Reservoir 131 Kühlmittel dem HT- als auch dem NT-Leitungspfad hinzugefügt oder von diesem entnommen werden. Eine Ausgleichsfunktion des Ausgleichsleitung AL zwischen dem HT- und dem NT-Leitungspfad kann mittels einer insbesondere relativ kleinen Leitungs-Querschnittsfläche erfolgen. Es kann eine weitere Befüllungseinheit zum Befüllen der Ausgleichsleitung mit Kühlmittel bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgleichsventil AV eine Befüllstellung aufweisen, während der Kühlmittel hinzugefügt werden kann. Der Aufbau mit der Ausgleichsleitung ist insbesondere für den Dual-Circuit-Aufbau vorteilhaft und wenn keine Änderung dieses mittels weiterer Ventile möglich ist.
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Mehrfach-Pfeile in den Figuren bei bestimmten Einheiten wie dem Motor 130, der Heizeinheit 111, der Kühleinheit 112, dem Kompressor 114, dem ersten und zweiten Wärmetauscher 141, 142 deuten auf ein Aufnehmen oder Abgeben von Wärmeenergie hin. Bspw. zeigen die Mehrfachpfeile bei der Heizeinheit auf ein Abgeben von Wärmeenergie an den Kühlmittelstrom zum Erwärmen dessen. Entsprechend zeigen die Mehrfachpfeile in der 1 in der Bildebene bei der Heizeinheit tendenziell nach unten. Hingegen zeigen die Mehrfachpfeile der Kühleinheit 112 tendenziell nach oben, da Wärmeenergie zum Kühlen des Kühlmittelstroms aufgenommen wird. Das Reservoir 131 kann dazu ausgebildet sein, Druckänderungen bzw. Volumenänderungen infolge von Temperaturunterschieden des Kühlmittelstroms auszugleichen, indem Kühlmittel dem Kühlmittelstrom hinzugefügt oder abgeführt wird.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, bei dem im Vergleich zu der 1 der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad I ist. Entsprechend beginnt der NT-Leitungspfad bei der Kühleinheit 112, kühlt die Leistungselektronik 120, den zweiten Wärmetauscher 142 und den Motor 130 und endet bei der Heizeinheit 111. Der HT-Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit 111, erwärmt den ersten Wärmetauscher 141 und endet bei der Kühleinheit 112. Weiter wird gemäß der 2 nur die zweite Kühlmittelpumpe 152 eingesetzt, es bedarf nicht der ersten Kühlmittelpumpe 151. Die zweite Kühlmittelpumpe ist entlang des HT-Leitungspfads zwischen dem ersten Wärmetauscher 141 und der Kühleinheit 112 angeordnet. Gemäß der 2 wird ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf (Single-Circuit-Aufbau) gezeigt. Der Single-Circuit-Aufbau ist durch die durchgehenden Striche der ersten und zweiten Leitungspfade I, II gekennzeichnet. Je nach Druckverlust im Gesamtsystem und dem maximalen Pumpendruck können weitere Pumpen zur Sicherstellung der Funktion erforderlich sein, siehe beispielsweise 3
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Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, wobei zusätzlich zu dem in 2 gezeigten Aufbau die erste Kühlmittelpumpe 151 zwischen dem Motor 130 und dem zweiten Wärmetauscher 142 entlang des NT-Leitungspfads angeordnet ist.
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Die 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem ersten Ventil 161. Das erste Ventil 161 ist entlang der ersten und zweiten Leitungspfade I, II betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern 141, 142 und vor der Wärmepumpe 110 angeordnet. Weiter ist das erste Ventil 161 dazu ausgebildet, zwischen einem Schaltzustand a) und einem Schaltzustand b) zu wechseln, wobei in dem Schaltzustand a) der erste Leitungspfad I der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der NT-Leitungspfad sind, siehe 4. In dem Schaltzustand b) ist der erste Leitungspfad I der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der HT-Leitungspfad, siehe 5. Gemäß der 4 wird durch den Schaltzustand a) der Dual-Circuit-Aufbau mit getrennten Kühlmittelkreisen eingestellt. Wechselt das erste Ventil 161 zu dem Schaltzustand b), wird der Single-Circuit-Aufbau mit einem einzelnen Kühlmittelkreis eingestellt.
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Wärmeenergie kann durch Erwärmen des ersten Wärmetauschers 141 an die Fahrgastzelle abgegeben werden. Durch geeignete Einrichtung zur Umschaltung der Luftführung kann die Wärmeenergie an dem ersten Wärmetauscher 141 entweder an die Fahrgastzelle oder an die Umgebungsluft abgeben werden. Durch Zwischenstellungen ist eine stufenlose Verteilung der Wärmeenergie-Abgabe zwischen Fahrgastzelle und Umgebungsluft möglich. Die Wärmepumpe 110 kann zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand geschalten werden, wobei in dem aktiven Zustand Wärmeenergie von dem der Kühleinheit 112 zugeführten Kühlmittelstrom aufgenommen und dem der Heizeinheit zugeführten Kühlmittelstrom zugeführt wird. In dem inaktiven Zustand leiten die Heiz- und Kühleinheiten 111, 112 den Kühlmittelstrom weiter, ohne dass ein Wärmeenergieaustausch mit dem jeweils anderen Kühlmittelstrom erfolgt. In den 1 bis 5 befindet sich die Wärmepumpe 110 in dem aktiven Zustand.
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5 zeigt den Single-Circuit-Aufbau mit thermischem Bypass mittels Wärmepumpe 110 und Wärmeabfuhr an die Umgebung über den ersten Wärmetauscher 141. Die Heizung der Fahrgastzelle wird über die Erwärmung der Zuluft/Innenraumluft zumindest an einem Teilbereich des ersten Wärmetauschers 141 erreicht. Die Luftführung, auf die in dieser Schrift nicht näher eingegangen wird, muss entsprechend der erforderlichen Luftmassenströme ausgeführt sein, damit die Wärme unabhängig von der Fahrgastzellen-Versorgung abgeführt werden kann und trotzdem alle Komfortanforderungen erfüllt werden können.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem Radiator 170. Gemäß der 6 ist die Wärmepumpe 110 in dem inaktiven Zustand. Durch den inaktiven Zustand der Wärmepumpe 110 kann Energie gespart werden und das Fahrzeug in einem Eco-Modus betrieben werden. Trotz Eco-Modus werden ein Kühlen und Erwärmen der verschiedenen Einheiten, wie zuvor beschrieben, ermöglicht. Der Radiator 170 ist entlang des zweiten Leitungspfads II zwischen dem ersten Wärmetauscher 141 und der zweiten Kühlmittelpumpe 152 angeordnet. Weiter kann der Radiator 170 einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Radiator Wärmeenergie mit einem Umgebungsfluid, insbesondere Luft austauschen kann. In dem inaktiven Zustand wird der entsprechende Kühlmittelstrom ohne Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid weitergeleitet. Hier ist der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad I.
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Gemäß der 7 und 8 sind die Wärmepumpe 110 und der Radiator 170 des Wärmeenergiesystems 100 des fünften Ausführungsbeispiels in dem aktiven Zustand, wobei die beiden ersten und zweiten Schaltzustände a) und b) des ersten Ventils 161 gezeigt sind. Entsprechend ist in der 7 der Single-Circuit-Aufbau und in der 8 der Dual-Circuit-Aufbau gezeigt. Gemäß den 6 bis 8 wird vorgeschlagen, die ersten und zweiten Wärmetauscher 141, 142 hydraulisch fest mit den Kühlmittelkreisen zu verbinden. Dabei ist der erste Wärmetauscher 141 dem HT-Leitungspfad und der zweite Wärmetauscher 142 dem NT-Leitungspfad zugeordnet. Damit vereinfacht sich der Aufbau vorteilhaft, da zur Verschaltung von NT- und HT-Leitungspfad nur ein einziges Ventil 161 erforderlich ist und damit alle relevanten Betriebszustände bedient werden können. Insbesondere vorteilhaft kann die Betätigung des Ventils 161 besonders einfach gebildet werden, da nur zwei Schaltungen bzw. Schaltzustände erforderlich sind. Die zwei möglichen Schaltzustände a) und b) ergeben entweder den Single-Circuit-Aufbau, in dem alle Komponenten in Reihe geschaltet sind, oder den Dual-Circuit-Aufbau, bei dem der NT- und der HT-Leitungspfad getrennt voneinander sind, wobei die thermische Kopplung in diesem Fall durch die Wärmepumpe 110 erfolgt, d.h. der Wärmetransport aus dem NT-Leitungspfad in den HT-Leitungspfad erfolgt.
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Der Single-Circuit-Aufbau ermöglicht auch hier die höchstmöglich erreichbare Effizienz, da die Wärmepumpe 110 abgeschaltet (Eco-Mode; 6) werden und die Verlustwärmeabfuhr an die Umgebung direkt erfolgen kann. Die Leistungsfähigkeit der Klimatisierung und der Kühlung der Komponenten ist dabei begrenzt durch die Umgebungsbedingungen, wie Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, etc., sodass der Eco-Mode nur mit eventuellen Einschränkungen in Komfort und Funktion bzw. Fahrzeugperformance als Funktion zur Verfügung steht.
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9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, welches im Vergleich zu dem fünften Ausführungsbeispiel zwei Ventile, nämlich ein erstes und ein zweites Ventil 161, 162 aufweist. Das erste Ventil 161 ist entlang der ersten und zweiten Leitungspfade I, II betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern 141, 142 oder dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und vor der Wärmepumpe 110 angeordnet. Das zweite Ventil 162 ist entlang des NT-Leitungspfads betrachtet stromabwärts nach der ersten Leistungselektronik 120 und vor dem Radiator 170 oder vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts nach der Heizeinheit 111 und vor den ersten und zweiten Wärmetauschern 141, 142 oder dem Fahrgastzellenwärmeaustauscher 140 angeordnet. Das erste Ventil 161 ist zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil 162 ist zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand c) und einem zweiten Schaltzustand d) ausgebildet. Basierend auf den jeweiligen Schaltzuständen der ersten und zweiten Ventile 161, 162 ist der erste Leitungspfad I der HT- oder der NT-Leitungspfad und der zweite II Leitungspfad der NT- oder HT-Leitungspfad.
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Die ersten und zweiten Schaltzustände a) bis d) der ersten und zweiten Ventile 161, 162 werden zum verbesserten Verständnis in Übereinstimmung mit den Figuren wie folgt definiert: 1. Tabelle: erste und zweite Schaltzustände der ersten und zweiten Ventile 161, 162
| | Erstes und zweites Ventil 161, 162 |
| Erster Schaltzustand a) und c) | |
| Zweiter Schaltzustand b) und d) | |
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Gemäß der 9 liegt der Single-Circuit-Aufbau vor und das erste Ventil 161 befindet sich im zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil 162 befindet sich im ersten Schaltzustand c). Bei diesen Schaltzuständen b) und c) ist der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad I. Zunächst leitet der HT-Leitungspfad den Kühlmittelstrom aufgrund des zweiten Ventils 162 zu dem ersten Wärmetauscher 141 zum Erwärmen der Fahrgastzelle und dann zu dem Radiator 170. Der Radiator 170 ist in dem aktiven Zustand, nimmt Wärmeenergie von dem Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads auf und gibt diesen an das Umgebungsfluid ab. Anschließend wird der gekühlte Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112 geleitet. Der NT-Leitungspfad kühlt zunächst die Leistungselektronik 120 und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher 142 die Fahrgastzelle. Es sei hier angemerkt, dass ein gleichzeitiges Kühlen und Erwärmen der Fahrgastzelle durch die Wärmetauscher 141, 142 möglich ist. Weiter ist es möglich, das Erwärmen oder Kühlen durch das Verschließen oder Blockieren des entsprechenden Luftstroms von der Fahrgastzelle zu den jeweiligen Wärmetauschern 141, 142 zu ermöglichen oder zu verhindern.
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Der Elektromotorabschnitt EA umfasst gemäß der 9 weiter einen Motor-Wärmetauscher, insbesondere einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, ÖWWT 133 und eine Ölpumpe 132. Der Öl-Wasser-Wärmetauscher 133 ist dazu ausgebildet ist, Wärmeenergie von dem Motor 130 durch einen Ölstrom aufzunehmen und an den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads I abzugeben, sodass der erste Leitungspfad I den Motor 130 kühlt. Die Ölpumpe 132 ist zum Pumpen des Öls entlang entsprechender Ölleitungen in dem Elektromotorabschnitt EA ausgebildet. Der den zweiten Wärmetauscher 142 verlassende Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads kühlt den ÖWWT 133 bzw. nimmt Wärmeenergie von diesem auf und wird anschließend der Heizeinheit 111 zugeführt.
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Gemäß der 9 wird vorgeschlagen, die Heizung und die Kühlung der Fahrgastzelle auf die jeweils unabhängigen ersten und zweiten Wärmetauscher 141, 142 zu verteilen. Damit ist die Entfeuchtungsfunktion der Innenraumluft der Fahrgastzelle sichergestellt. Die ersten und zweiten Ventile 161, 162 ermöglichen sowohl Single-Circuit- als auch Dual-Circuit-Aufbau zur Kühlung aller Komponenten und Subsysteme, unabhängig von der Klimatisierung der Fahrgastzelle, womit alle relevanten Betriebszustände bedienbar sind. 9 zeigt exemplarisch den Single-Circuit-Aufbau im Betriebszustand „Fahrt“ und „Klimatisierung/Heizung der Fahrgastzelle“ und „Entfeuchtung der Innenraumluft“, indem die Wärmepumpe 110 die Wärmeenergie über den schon oben beschriebenen thermischen Bypass vor der Leitungselektronik 120 oder der Fahrgastzelle entnimmt und vor dem Radiator 170 wieder in den Kühlmittelstrom einspeist.
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10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem ersten und einem zweiten Motor 130, 134 und den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161, 162. Der erste Motor 130 ist ähnlich zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen entlang des ersten Leitungspfads I vor der Heizeinheit 111 angeordnet. Der zweite Motor 134 ist entlang des NT-Leitungspfads parallel und in Reihe zu der Leistungselektronik 120 angeordnet. Weiter zeigt die 10 einen Hochtemperaturabschnitt HTA und einen Niedrigtemperaturabschnitt NTA. Gemäß der 10 weist das Fahrzeug einen Allradantrieb mit zwei Motoren 130, 134 auf. Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel kann eine weitere zweite Elektronikeinheit, insbesondere eine zweite Leistungselektronik 121 in Reihe zu dem ersten Motor 130 angeordnet werden.
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11 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161, 162, bei dem im Unterschied zu dem siebten Ausführungsbeispiel in dem Elektromotorabschnitt EA der ÖWWT 133 und die Ölpumpe 132 bereitgestellt sind. Weiter ist nur die Leistungselektronik 120 entlang des NT-Leitungspfads angeordnet. Der HT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und leitet den Kühlmittelstrom durch den Radiator 170 und zu der Kühleinheit 112.
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12 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161, 162, bei dem nur der zweite Motor 134 des Fahrzeugs bereitgestellt ist.
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13 bis 18 zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem einzelnen Motor 130 in dem Elektromotorabschnitt EA, wobei der Elektromotorabschnitt EA den ÖWWT 133 und die Ölpumpe 132 aufweist.
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In der 13 ist die Wärmepumpe 110 in dem inaktiven Zustand und die Ventile 161, 162 weisen die zweiten und ersten Schaltzustände b) und c) auf. Gemäß des Single-Circuit-Aufbaus pumpt die Kühlmittelpumpe 151 den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads I durch den ÖWWT 133, kühlt das Öl des Elektromotorabschnitts EA und anschließend wird dieser zu der inaktiven Heizeinheit 111 der Wärmepumpe 110 geleitet. Der HT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads wird zu dem Radiator 170 geleitet. Der Radiator 170 kühlt den Kühlmittelstrom durch Abgabe von Wärmeenergie an das Umgebungsfluid. Anschließend leitet der zweite Leitungspfad II den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112. Der NT-Leitungspfad ist der erste Leitungspfad I und kühlt zunächst die Leistungselektronik 120, die Fahrgastzelle durch den Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und den Motor 130 durch den ÖWWT 133, bevor dieser den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 leitet. Es wird die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 und des Motors 130 an die Umgebung abgeführt. Eine Klimatisierung der Fahrgastzelle ist nur in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur eingeschränkt möglich. Die 13 kann einen Eco-Mode des Fahrzeugs darstellen.
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Gemäß der 14 ist im Vergleich zu der 13 die Wärmepumpe 110 im aktiven Zustand, sodass eine Kühlung des Kühlmittelstroms durch die Kühleinheit 112 und ein Erwärmen des Kühlmittelstroms durch die Heizeinheit 111 erfolgen. Es wird die Verlustwärme aller Komponenten an die Umgebung abgeführt. Vorteilhaft erweist sich hier, dass mittels der Wärmepumpe 110 ein thermischer Bypass erreicht wird, der zu einer deutlichen Steigerung der Kühlleistung führt, indem im Vorlauf des Radiators 170 die höchste Kühlmitteltemperatur erreicht wird und gleichzeitig im Vorlauf der zu kühlenden Leistungselektronik 120 die niedrigste Kühlmitteltemperatur in einem einzigen Kühlmittelkreis erreicht wird. Eine Kühlung der Fahrgastzelle ist auch bei höheren Umgebungslufttemperaturen möglich.
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Gemäß der 15 weisen die Ventile 161, 162 die ersten Schaltzustände a) und c) auf, sodass der Dual-Circuit-Aufbau vorliegt. Der HT-Leitungspfad ist der erste Leitungspfad I und gibt Wärmeenergie an den Radiator 170 ab, bevor der Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133 Wärmeenergie von dem Motor 130 aufnimmt und zu der Heizeinheit 111 geleitet wird. Der NT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und kühlt die Leistungselektronik 120, die Fahrgastzelle durch den Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und leitet den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112 zurück. Es wird die Verlustwärme des Motors 130 und der Leistungselektronik 120 aus dem NT-Leitungspfad und Wärmeenergie aus der Fahrgastzelle, sowie die elektrische Leistung der Wärmepumpe 110 in den HT-Kreis übertragen und an die Umgebung abgeführt.
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Gemäß der 16 ist nur der HT-Leitungspfad als erster Leitungspfad I aktiv, während der NT-Leitungspfad als zweiter Leitungspfad II inaktiv ist. Die Ventile 161, 162 weisen die zweiten Schaltzustände b) und d) auf und der Dual-Circuit-Aufbau liegt vor. Eine Umwälzung des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads ist möglich, jedoch findet kein Wärmetransport statt. Die Kühlmittelpumpe 151 im HT-Leitungspfad pumpt den Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133 und nimmt Verlustwärme des Motors 130 auf. Anschließend strömt der Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 der Wärmepumpe 110 und nimmt Energie auf, wodurch die Temperatur des Kühlmittelstroms in dem HT-Leitungspfad ansteigt. Anschließend wird der Kühlmittelstrom durch den HT-Leitungspfad zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140 geleitet, um die Fahrgastzelle zu Erwärmen. Anschließend wird der Kühlmittelstrom zu der ersten Kühlmittelpumpe 151 geleitet. Es wird nur die Verlustwärme der elektrischen Leistung der Wärmepumpe 110 in den Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads zur Heizung verwendet.
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Gemäß der 17 weisen die Ventile 161, 162 die zweiten Schaltzustände b) und d) auf und es liegt der Dual-Circuit-Aufbau vor. Hier sind beide NT- und HT-Leitungspfade bzw. die ersten und zweiten Leitungspfade I, II im Vergleich zu 16 aktiv. Die Kühlmittelpumpe 151 pumpt den Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133, welcher dort Verlustwärme des Motors 130 aufnimmt und der Kühlmittelstrom wird durch den ersten Leitungspfad I zu der Heizeinheit 111 geleitet. Die Heizeinheit 111 erwärmt den Kühlmittelstrom und der HT-Leitungspfad bzw. der erste Leitungspfad I leitet den Kühlmittelstrom zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140, um die Fahrgastzelle zu erwärmen. Anschließend wird der Kühlmittelstrom zu der ersten Kühlmittelpumpe 151 geleitet. Der NT-Leitungspfad leitet den Kühlmittelstrom zum Kühlen der Leistungselektronik 120 und weiter durch den Radiator 170, wobei aufgrund der Temperatur des Umgebungsfluids kein Wärmeenergieaustausch stattfindet. Der Kühlmittelstrom wird weiter zu der zweiten Kühlmittelpumpe 152 und dann zu der Kühleinheit 112 geleitet. Es wird nur die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 aus dem NT-Leitungspfad und die elektrische Leistung der Wärmepumpe 110 in den HT-Leitungspfad übertragen.
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18 zeigt die Ventile 161, 162 in den zweiten Schaltzuständen b) und d) und es liegt der Dual-Circuit-Aufbau vor. Im Unterschied zu der 17 ist hier eine Temperatur des Umgebungsfluids höher als die Temperatur des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads bzw. des zweiten Leitungspfads II, sodass Wärmeenergie von dem Umgebungsfluid mittels des Radiators 170 dem Kühlmittelstrom zugeführt werden kann. Es wird die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 und die aus der Umgebungsluft gewonnene Energie aus dem NT-Leitungspfad, sowie die elektrische Leistung der Wärmepumpe 110 in den HT-Leitungspfad übertragen.
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19 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200 umfassend ein Wärmeenergiesystem 100 nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele. Das Fahrzeug 200 kann dazu ausgebildet sein, das Wärmeenergiesystem 100 zu steuern. Insbesondere kann das Fahrzeug 200 dazu ausgebildet sein, Steuerbefehle an eine oder mehrere Einheiten des Wärmeenergiesystems 100 zum Steuern des Wärmeenergiesystems 100 zu senden. Das Fahrzeug 200 kann ein elektrisches und/oder elektronisches Fahrzeug mit einem elektronischen Motor (Elektromotor) sein.
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Bezugszeichen
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- 100
- Wärmeenergiesystem
- 110
- Wärmepumpe
- 111
- Heizeinheit
- 112
- Kühleinheit
- 113
- Expansionsventil
- 114
- Kompressor
- 115
- Reservoir
- HT
- HT-Leitungspfad
- NT
- NT-Leitungspfad
- AL
- Ausgleichsleitung
- AV
- Ausgleichsventil
- 120
- erste Elektronikeinheit, Leistungselektronik
- 121
- zweite Elektronikeinheit, Leistungselektronik
- 130
- erster Elektromotor, Motor
- 131
- Reservoir
- 132
- Ölpumpe
- 133
- Öl-Wasser-Wärme-Tauscher (ÖWWT)
- 134
- zweiter Elektromotor, Motor
- EA
- Elektromotorabschnitt
- 140
- Fahrgastzellenwärmetauscher
- 141
- erster Wärmetauscher
- 142
- zweiter Wärmetauscher
- 151
- erste Kühlmittelpumpe
- 152
- zweite Kühlmittelpumpe
- 161
- erstes Ventil
- 162
- zweites Ventil
- 170
- Radiator
- I
- erster Leitungspfad
- II
- zweiter Leitungspfad
- HTA
- Hochtemperaturabschnitt
- NTA
- Niedrigtemperaturabschnitt
- 200
- Fahrzeug
