DE112019000815T5 - System und verfahren zum kältemittelmanagement in einem elektrischen fahrzeug - Google Patents

System und verfahren zum kältemittelmanagement in einem elektrischen fahrzeug Download PDF

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Dhillip Asokan
Kate Rouse
Oliver Stocks
Gael Chouchelamane
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Abstract

Verkörperungen der vorliegenden Erfindung stellen ein Kältemittelmanagementsystem (10) in einem Wärmefluss-Managementsystem (1) für ein Elektrofahrzeug (150) und ein Verfahren zum Kältemittelmanagement bereit, wobei das System einen Fahrzeugklimatisierungskreislauf umfasst, der einen Wärmepumpenkreislauf (4) mit einer Heizfunktion und einen Kältekreislauf-Kältemittelkreislauf (6) umfasst, wobei der Klimatisierungskreislauf einen Wärmepumpenkondensator (17) in thermischer Verbindung mit einer Wärmequelle (19) umfasst, einen Kältemittelverdampfer (25) in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle (19), einen Verdampfer (31), der mit einem Expansionsventil (29) verbunden ist, und einen Kältemittelkompressor (11), wobei die Komponenten durch eine Kältemittelleitung (9) fluidmäßig miteinander verbunden sind, einen Akkumulator (37), der in der Kältemittelleitung stromabwärts des Wärmepumpenkondensators (17), des Kältemittelverdampfers (25) und des Verdampfers (31) und stromaufwärts des Kältemittelkompressors (11) fluidmäßig gekoppelt ist, wobei der Klimatisierungskreislauf zwischen einem Heizmodus, in dem der Wärmepumpenkreislauf (4) in Fluidverbindung mit dem Kompressor (11) steht und der Wärmepumpenkondensator (17) von der Fluidverbindung mit dem Kompressor (11) isoliert ist, und einem Kühlmodus umschaltbar ist, in dem der Kältemittelkreislauf (6) durch Betätigung mindestens eines Ventils (15, 21, 41, 47) in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht; wobei der Klimatisierungskreislauf einen Sensor (39) am Kompressoreinlass (239) aufweist, der betreibbar ist, um Kältemitteltemperatur und -druck zu überwachen; und wobei, wenn sich das System im Heizmodus befindet, ein Absperrventil 41 in der Leitung zwischen dem Wärmepumpenkondensator (17) und dem Akkumulator (37) betätigbar ist, um sich zu öffnen, um einen Kaltstartmodus einzuleiten, in dem eine temporäre Fluidverbindung zwischen dem Wärmepumpenkondensator (17) und dem Akkumulator im Wärmepumpenkreislauf vorgesehen ist, wenn: der Sensor (39) eines oder beide der folgenden erfasst: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass (239) und einen Temperaturgradienten von mehr als 3 Kelvin zwischen der Umgebung (T3) und dem Kompressoreinlass (239).

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein Kältemittelmanagementsystem und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Kältemittelmanagementsystem für ein Wärmefluss-Managementsystem eines Elektrofahrzeugs. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein Kältemittelmanagementsystem, auf ein Wärmefluss-Managementsystem, das das Kältemittelmanagementsystem umfasst, auf ein Fahrzeug und auf ein Verfahren des Kältemittelmanagements, wobei ein Kältemittelmanagementsystem, ein Wärmefluss-Managementsystem, das das Kältemittelmanagementsystem umfasst, ein Fahrzeug und ein Verfahren des Kältemittelmanagements Gegenstand jedes der unabhängigen Ansprüche sind.
  • HINTERGRUND
  • Wärmefluss-Managementsysteme in Elektrofahrzeugen umfassen einen Klimatisierungskreislauf, der einen Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und einen Kältemittelkreislauf mit Dampfkompressionszyklus umfasst, wobei jeder Kreislauf über eine Kältemittelleitung oder - leitung mit einem Kompressor strömungstechnisch gekoppelt ist.
  • Die Kältemittelleitung führt ein mehrphasiges Fluid (z.B. Kältemittel) sowohl durch den Heizkreislauf als auch durch den Kältekreislauf. In einem solchen System mit geteiltem Volumen neigt das Kältemittel, wenn das System im Leerlauf ist, dazu, sich in einem der kältesten Teile des Systems zu sammeln. Wenn das System gestartet wird und der Kompressor nach einer Zeit des Leerlaufs zum ersten Mal in Betrieb genommen wird und sich das Kältemittel vom Kompressor entfernt gesammelt hat, wie es bei kalten Umgebungsbedingungen vorkommen kann, kann das Kältemittelvolumen nicht ausreichen, um den Kompressor zu betreiben, wenn der Wärmepumpenkreislauf eingeschaltet ist. Unter solchen Umständen besteht die Gefahr eines Ausfalls des Kompressors.
  • Die Erfindung gilt für reine Elektrofahrzeuge und verbessert das Kältemittelmanagement nach längerer Inaktivität des Kompressors. Die Erfindung gilt insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
  • Ziel der Erfindung ist es, das Kältemittelmanagement in einem Wärmefluss-Managementsystem zu verbessern.
  • Es ist ein Gegenstand von Ausführungsformen der Erfindung, zumindest eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik zu mildern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bieten ein Kältemittelmanagementsystem, ein Wärmefluss-Managementsystem, das das Kältemittelmanagementsystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Kältemittelmanagement, wie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in einem Wärmefluss-Managementsystem für ein Elektrofahrzeug ein Kältemittelmanagementsystem vorgesehen, das einen Fahrzeugklimatisierungskreislauf mit einem Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und einem Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs umfasst, wobei der Wärmepumpenkreislauf einen Kondensator stromabwärts eines Kältemittelkompressors und in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper umfasst;
    der Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs mit einem Kondensator, der in Fluidverbindung mit dem Kompressorsteht;
    wobei der Klimaanlagenkreislauf zwischen einem Heizmodus, in dem der Wärmepumpenkreislauf in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht und der Kondensator von der Fluidverbindung mit dem Kompressor isoliert ist, und einem Kühlmodus umschaltbar ist, in dem der Kältemittelkreislauf in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht;
    wobei der Klimatisierungskreislauf einen Sensor am Kompressoreinlass umfasst, der betreibbar ist, um Kältemitteltemperatur und -druck zu überwachen; und
    wobei, wenn sich das System im Heizmodus befindet, ein Ventil zwischen dem Kondensator und dem Kompressor so betätigt werden kann, dass es sich öffnet, um einen Kaltstartmodus einzuleiten, in dem eine temporäre Fluidverbindung zwischen dem Kondensator und dem Kompressor im Wärmepumpenkreislauf vorgesehen ist, wenn
    der Sensor eines oder beides erkennt: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass und einen Temperaturgradienten von mehr als 3Kelvin zwischen Umgebung und Kompressoreinlass.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in einem Wärmefluss-Managementsystem für ein Elektrofahrzeug ein Kältemittelmanagementsystem vorgesehen, das einen Fahrzeugklimatisierungskreislauf mit einem Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und einem Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs umfasst, wobei der Klimatisierungskreislauf einen Wärmepumpenkondensator in thermischer Verbindung mit einer Wärmequelle, einen Verdampfer (z. B. Kältemittelverdampfer) in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle, einen Verdampfer, der mit einem Expansionsventil verbunden ist, und einen Kältemittelkompressor, wobei die Komponenten durch eine Kältemittelleitung fluidmäßig miteinander verbunden sind, einen Akkumulator, der in der Kältemittelleitung stromabwärts des Wärmepumpenkondensators, des Kältemittelverdampfers und -verdampfers und stromaufwärts des Kältemittelkompressors fluidmäßig gekoppelt ist,
    wobei der Wärmepumpenkreislauf einen indirekten Kondensator stromabwärts des KältemittelKompressors und in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper und dem Verdampfer (z.B. Kältemittelverdampfer) und dem Verdampfer in Fluidverbindung mit dem Kältemittelkompressor und dem indirekten Kondensator umfasst;
    den Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs, der den Wärmepumpenkondensator in Fluidverbindung mit dem Kompressor umfasst;
    wobei der Klimatisierungskreislauf zwischen einem Heizmodus, in dem der Wärmepumpenkreislauf in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht und der Wärmepumpenkondensator von der Fluidverbindung mit dem Kompressor isoliert ist, und einem Kühlmodus umschaltbar ist, in dem der Kältemittelkreislauf durch Betätigung mindestens eines Ventils in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht;
    wobei der Klimatisierungskreislauf einen Sensor am Kompressoreinlass aufweist, der betreibbar ist, um Kältemitteltemperatur und -druck zu überwachen; und
    wobei, wenn sich das System im Heizmodus befindet, ein Absperrventil in der Leitung zwischen dem Wärmepumpenkondensator und dem Akkumulator betätigbar ist, um sich zu öffnen, um einen Kaltstartmodus einzuleiten, in dem eine temporäre Fluidverbindung zwischen dem Wärmepumpenkondensator und dem Akkumulator im Wärmepumpenkreislauf vorgesehen ist, wenn:
    • der Sensor eines oder beide der folgenden erfasst: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass und einen Temperaturgradienten von mehr als 3 Kelvin zwischen der Umgebung und dem Kompressoreinlass.
  • In bestimmten Ausführungsformen ermöglicht das Vorhandensein eines Akkumulators die Kontrolle der Dampfqualität im System.
  • In bestimmten Ausführungsformen sind der Wärmepumpe, dem Kältemittelverdampfer und dem Verdampfer jeweils mindestens ein Ventil zugeordnet. Genauer gesagt haben der Wärmepumpenkondensator, der Kältemittelverdampfer und der Verdampfer jeweils mindestens ein zugehöriges Ventil stromabwärts.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Kompressor mit mindestens einem Ventil verbunden. Genauer gesagt hat der Kompressor mindestens ein zugehöriges Ventil stromabwärts des Kompressorausgangs. Genauer gesagt ist das mindestens eine zugeordnete Ventil stromabwärts des Kompressorauslasses eines oder mehrere der folgenden: ein Dreiwegeventil, ein Absperrventil und mehrere Absperrventile.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das mindestens eine Ventil mit dem Auslass des verbunden und dient dazu, den Auslass des Kompressors im Heizmodus bzw. im Kühlmodus in Flüssigkeitskommunikation mit dem Wärmepumpenkreislauf oder dem Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs zu schalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen sind mindestens ein mit dem Kompressor verbundenes Ventil und mindestens ein mit dem Kondensator der Wärmepumpe verbundenes Ventil betätigbar, um das System vom Heizmodus in den Kühlmodus umzuschalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen, bei denen das mindestens eine zugeordnete Ventil stromabwärts des Kompressorauslasses zwei Absperrventile ist, sind die Ventile so betreibbar, dass sie den Auslass des Kompressors im Heizmodus bzw. im Kühlmodus in Fluidverbindung mit dem Wärmepumpenkreislauf oder dem Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs schalten. Genauer gesagt ist im Kühlmodus eines der zugehörigen Ventile offen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass des Kompressors und dem Wärmepumpenkondensator zu ermöglichen, und das andere der zugehörigen Ventile ist geschlossen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass des Kompressors und dem thermodynamischen Zyklon im Wärmepumpenkreislauf zu verhindern, und im Heizmodus ist eines der zugehörigen Ventile geschlossen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass des Kompressors und dem Wärmepumpenkondensator zu verhindern, und das andere der zugehörigen Ventile ist offen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass des Kompressors und dem thermodynamischen Zyklon im Wärmepumpenkreislauf zu ermöglichen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird im Heizbetrieb der Kondensator der Wärmepumpe durch die Betätigung von mindestens zwei Ventilen vom Kompressor fluidisch getrennt. Genauer gesagt trennen die mindestens zwei Ventile den Wärmepumpenkondensator vom Wä rmepum penkreislauf.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird im Heizbetrieb der Kondensator der Wärmepumpe vom Kompressor fluidisch isoliert, indem mindestens zwei Ventile geschlossen werden, wobei ein Ventil mit dem Einlass und ein Ventil mit dem Auslass des Kondensators der Wärmepumpe verbunden ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Kondensator der Wärmepumpe im Heizbetrieb vom Einlass und vom Auslass des Kompressors strömungstechnisch isoliert.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Kondensator der Wärmepumpe im Heizbetrieb vom Kältemittelverdampfer und dem Verdampfer (falls vorhanden) sowie vom Kältemittelkompressor strömungstechnisch isoliert.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird im Heizbetrieb der Kondensator der Wärmepumpe vom Ausgang des Kompressors durch Schließen eines Absperrventils hinter dem Kompressor und vom Kältemittelverdampfer und vom Verdampfer durch Schließen eines zugehörigen Expansionsventils hinter dem Kondensator der Wärmepumpe und vom Speicher durch Schließen des Absperrventils vor dem Speicher und hinter dem Kondensator der Wärmepumpe getrennt.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird im Heizbetrieb der Kondensator der Wärmepumpe vom Wärmepumpenkreislauf isoliert, indem mindestens ein Ventil am Ausgang des Kompressors geschlossen wird.
  • In bestimmten Ausführungsformen steht der Kondensator der Wärmepumpe im Kühlbetrieb in Fluidverbindung mit dem Kompressor.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen, dem Kühlbetrieb, steht der Kondensator der Wärmepumpe durch die Betätigung mehrerer zugehöriger Ventile in Fluidverbindung mit dem Ausgang des Kompressors, dem Speicher und mit dem Kältemittelverdampfer. Genauer gesagt befinden sich die mehreren Ventile im Kältekreislauf des Kältemittelkreislaufs und sind alle offen. Genauer gesagt, wenn das Ventil stromabwärts des Kompressors und stromaufwärts des Kondensators der Wärmepumpe geöffnet ist, ist das Ventil zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Wärmepumpenkreislauf geschlossen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird das Absperrventil in der Leitung zwischen dem Kondensator der Wärmepumpe und dem Speicher im Kaltstartmodus geschlossen, wenn der Sensor eines oder beides feststellt: ein nicht überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass und einen Temperaturgradienten von 3 Kelvin oder weniger zwischen Umgebung und Kompressoreinlass. Auf diese Weise wird das Ventil, das den umgekehrten Kältemittelfluss zwischen dem Kondensator der Wärmepumpe und dem Speicher (oder Kompressor) ermöglicht, geschlossen, sobald die Bedingungen für die Einleitung des Kaltstartmodus vom System nicht mehr erkannt werden. Das System ist dann je nach Bedarf entweder im Heiz- oder im Kühlbetrieb betriebsbereit. Wenn der Einlass zum Kompressor wärmer als die Umgebungsluft (z.B. die Umgebungsluft um das System) oder mindestens weniger als 3 Kelvin kälter ist, ist es wahrscheinlich, dass das Kältemittel im System im Wärmepumpenkondensator (oder im Wärmepumpenkondensator und im Verdampfer/Entfeuchter) bewegt oder gepoolt wurde. Wenn der Kompressor betätigt würde, könnte am Kompressor nicht genügend Kältemittel vorhanden sein, um eine Beschädigung oder einen Ausfall des Kompressors zu verhindern. Tatsächlich bleibt das Kältemittel in einer solchen Umgebung in den Komponenten des Systems stecken, die der Umgebung am nächsten liegen. Das Kältemittelmanagementsystem der Erfindung kann den Kaltstartmodus einleiten, um das Kältemittel in einer vorübergehenden Umkehrströmung vom Wärmepumpenkondensator oder dem Speicher (oder dem Kompressor) zu bewegen. Danach kann der Heiz- oder Kühlbetrieb ohne Gefahr einer Beschädigung oder eines Ausfalls des Kompressors eingeleitet werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann der Kaltstartbetrieb vor der Einleitung des Heizbetriebs eingeleitet werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann der Kaltstartmodus eingeleitet werden, nachdem sich das System im Kühlmodus befunden hat, gefolgt von einer Zeit des Leerlaufs. Auf diese Weise kann in der Außenseite des Systems eingeschlossenes Kältemittel zum Kompressor (oder zum Speicher, falls vorhanden) umverteilt werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Kompressor so betreibbar, dass er im Kaltstartmodus einen umgekehrten Kältemittelstrom vom Kondensator der Wärmepumpe zum Akkumulator (oder zum Kompressor) zieht.
  • In bestimmten Ausführungsformen überwacht der Sensor die Überhitzung im Kältemittel am Kompressoreinlass.
  • In bestimmten Ausführungsformen leitet der Sensor den Kaltstartmodus ein, wenn der Überhitzungswert mindestens 10 Kelvin beträgt. Genauer gesagt ist der Sensor betriebsfähig mit einem Regler verbunden, der den Kaltstartmodus im System einleiten kann. In dem erfindungsgemäßen Kältemittelmanagementsystem beträgt die angestrebte Kältemitteldampfqualität 85 bis 90%. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, ist der Kompressor so betreibbar, dass er mit der Verdichtung des Kältemittels beginnt, wenn die Dampfqualität zwischen 100% und 90% liegt. Daher überwacht das Kältemittelmanagementsystem in jeder der Betriebsarten Heizen und Kühlen den Überhitzungswert des Kältemittels am Kompressoreinlass durch einen Sensor, und wenn dieser Überhitzungswert mindestens 10 Kelvin beträgt, ist eines der Kriterien für die Einleitung des Kaltstartmodus erfüllt. Die Erkennung von überhitztem Kältemittel am Einlass des Kompressors bedeutet, dass der Speicher vor dem Kompressor trocken ist und der Kompressor bei Betrieb Gefahr läuft, beschädigt zu werden oder auszufallen.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann ein Regler betätigt werden, um eines oder mehrere der Ventile im System zu aktivieren. Genauer gesagt kann ein Steuergerät eines von mehreren Ventilen im Klimaanlagenkreislauf betätigen.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Regler funktionsfähig mit den Sensoren am Kompressoreinlass und an der Umgebung verbunden. Genauer gesagt, ist die Umgebung die Umgebungsumgebung. Genauer gesagt ist die Umgebung eine Wärmequelle für die Umgebungsluft.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System mindestens einen Temperatursensor, der zur Überwachung der Temperatur des Kältemittels in jedem der Heiz- und Kühlkreisläufe betreibbar (angeordnet, angepasst) ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen steht der Kühlmittelkreislauf des Verdampfers in thermischer Verbindung mit einer Wärmequelle. Genauer gesagt, ist die Wärmequelle ein Antriebsstrang. Genauer gesagt ist der Antriebsstrang ein Elektrofahrzeug-Antriebsstrang.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wärmefluss-Managementsystem vorgesehen, das das erfindungsgemäße Kältemittelmanagementsystem umfasst.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Wärmefluss-Managementsystem ein Kältemittel-Managementsystem, bei dem der Wärmepumpenkreislauf mindestens einen thermodynamischen Cycler umfasst, der thermisch mit einem Kühlkörper verbunden ist, die aus einer Kabine und einer Batterie oder mehreren besteht.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, das aus einem Motor und dem erfindungsgemäßen Wärmefluss-Managementsystem besteht.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird der Motor elektrochemisch angetrieben.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kältemittelmanagement in einem Elektrofahrzeug vorgesehen, das Folgendes umfasst
    Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Kältemittelmanagementsystems;
    wenn der Kompressor im Leerlauf ist, die Temperatur und den Druck des Kältemittels am Kompressoreinlass mit mindestens einem Sensor zu messen;
    Einleitung des Kaltstartmodus, wenn der Sensor eines oder beides erkennt: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass und einen Temperaturgradienten von mehr als 3 Kelvin zwischen Umgebung und Kompressoreinlass;
    Beenden des Kaltstartmodus und Starten des Heizmodus oder des Kühlmodus, wenn der Sensor eines oder beides feststellt: ein nicht überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass und einen Temperaturgradienten gleich oder kleiner als 3 Kelvin zwischen Umgebung und Kom pressorei n lass.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren die Erfassung der Temperatur am Umgebungseinlass zum Kondensator der Wärmepumpe und in der Flüssigkeit am Kompressoreinlass mit mindestens einem Sensor.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird bei Einleitung des Kaltstartmodus der Kompressor aktiviert, bevor das Absperrventil geöffnet wird, um einen umgekehrten Kältemittelfluss vom Kondensator der Wärmepumpe zum Speicher zu ermöglichen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird der Kaltstartmodus nach einem Abkühlmodus eingeleitet.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird der Kaltstartmodus eingeleitet, nachdem der Kompressor eine Zeit lang untätig war und der vorhergehende Modus ein Kühlmodus war.
  • In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Zeitraum, in dem der Kompressor im Leerlauf ist, mehr als 60 Minuten.
  • Hierin wird „Dampfqualität“ als der Massenanteil in einem gesättigten Gemisch bezeichnet, der Dampf ist, daher hat gesättigter Dampf eine „Dampfqualität“ von 100% und gesättigte Flüssigkeit eine „Dampfqualität“ von 0%.
  • Hierin wird ein thermodynamischer Cycler bezeichnet, wenn eine Komponente eines Systems, die in der Lage ist, einen oder mehrere einer Reihe von thermodynamischen Prozessen auszuführen (ein thermodynamischer Zyklus), ein System in seinen Ausgangszustand zurückführt.
  • Wenn hier die Begriffe „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ verwendet werden, sind die relativen Positionen einer oder mehrerer Komponenten relativ zur Strömungsrichtung des Fluids durch den Kreislauf, in dem die Komponente(n) in den Betriebsarten Kühlen und Heizen angeordnet ist (sind).
  • Jeder hier beschriebene Controller oder Controller kann in geeigneter Weise eine Steuereinheit oder ein Rechengerät mit einem oder mehreren elektronischen Prozessoren umfassen. Somit kann das System aus einer einzigen Steuereinheit oder einem einzigen elektronischen Controller bestehen, oder alternativ können verschiedene Funktionen des Controllers in verschiedenen Steuereinheiten oder Controllern verkörpert oder in diesen untergebracht sein. Der hier verwendete Begriff „Steuergerät“ oder „Steuereinheit“ wird so verstanden, dass er sowohl eine einzelne Steuereinheit oder einen einzelnen Controller als auch eine Vielzahl von Steuereinheiten oder Controllern umfasst, die gemeinsam arbeiten, um eine beliebige angegebene Steuerfunktionalität bereitzustellen. Zur Konfiguration eines Reglers kann ein geeigneter Satz von Befehlen bereitgestellt werden, die bei ihrer Ausführung bewirken, dass die Steuereinheit oder das Rechengerät die hierin spezifizierten Steuertechniken implementiert. Der Befehlssatz kann in geeigneter Weise in diesen einen oder mehrere elektronische Prozessoren eingebettet werden. Alternativ kann der Befehlssatz als Software zur Verfügung gestellt werden, die in einem oder mehreren mit dem Steuergerät verbundenen Speichern gespeichert ist und auf dem Rechengerät ausgeführt wird. Ein erster Controller kann in Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird. Eine oder mehrere andere Steuereinheiten können in Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren läuft, optional auf demselben oder denselben Prozessoren wie die erste Steuereinheit. Es können auch andere geeignete Anordnungen verwendet werden.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorstehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt sind, und insbesondere deren einzelne Merkmale unabhängig oder in beliebiger Kombination genommen werden können. Das heißt, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale jeder Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder in beliebiger Kombination kombiniert werden können, es sei denn, diese Merkmale sind unvereinbar. Der Anmelder behält sich das Recht vor, einen ursprünglich eingereichten Anspruch zu ändern oder einen neuen Anspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, einen ursprünglich eingereichten Anspruch dahingehend zu ändern, dass er von einem Merkmal eines anderen Anspruchs abhängt und/oder ein Merkmal eines anderen Anspruchs einbezieht, obwohl dieser ursprünglich nicht in dieser Weise beansprucht wurde.
  • Figurenliste
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur noch beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • ist eine schematische Darstellung eines Wärmefluss-Managementsystems für ein Elektrofahrzeug gemäß einer Verkörperung der Erfindung;
    • ist eine schematische Darstellung eines Kältemittelmanagementsystems nach einer im Kühlbetrieb funktionsfähigen Verkörperung der Erfindung;
    • ist eine schematische Darstellung eines Kältemittelmanagementsystems nach einer im Heizbetrieb betreibbaren Verkörperung der Erfindung;
    • ist eine schematische Darstellung eines Kältemittelmanagementsystems gemäß einer weiteren Verkörperung der Erfindung, die in einem Kaltstartmodus betrieben werden kann;
    • ist eine schematische Darstellung des Wärmefluss-Managementsystems des Fahrzeugs aus gemäß einer weiteren Verkörperung der Erfindung, die einen zusätzlichen Wärmequellenkreislauf umfasst; und
    • zeigt ein Elektrofahrzeug mit dem Wärmefluss-Managementsystem aus .
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wo immer möglich, werden zur Darstellung ähnlicher Merkmale durchweg gleichartige Ziffern verwendet.
  • Wie in dargestellt, besteht das Wärmefluss-Managementsystem 1 für ein Elektrofahrzeug 150 (siehe ) aus einem Kältemittelkreislauf 6 und einem Wärmepumpenkreislauf 4. Die Komponenten werden im Strömungsweg eines Fluids während des Betriebs innerhalb der jeweiligen Kreisläufe angezeigt. Wenn sie hier verwendet werden, beziehen sich „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ auf die Richtung, in die das Fluid im System fließen wird.
  • In umfasst der Kältemittelkreislauf 6 des Kältekreislaufs eine Kältemittelleitung 9a, die so angeordnet ist, dass sie den Kompressor 11, einen Druck- und Temperatursensor 13 und ein Absperrventil 15 mit einem externen Luft-Kältemittel-Wärmetauscher 17 verbindet, der als Wärmepumpen-Kondensator arbeitet und thermisch mit einer Wärmequelle, der Umgebungsluft 19, verbunden ist; eine zweite Kältemittelleitung 9b, die angeordnet ist, um den externen Wärmetauscher 17, der als ein Wärmepumpenkondensator betreibbar ist, und ein Expansionsventil 21, das mit dem externen Wärmetauscher 17 verbunden ist, strömungsmäßig zu verbinden; und eine weitere Kältemittelleitung 9f, die angeordnet ist, um den externen Wärmetauscher 17, das Absperrventil 41, den Temperatur- und Drucksensor 43 und den Speicher 37 strömungsmäßig zu verbinden. Das dem Wärmepumpenkondensator 17 zugeordnete Expansionsventil 21 ist über das zugehörige Ventil 23 und die Leitung 9j mit dem Verdampfer/Entfeuchter 25 fluidisch verbunden. Der Verdampfer/Entfeuchter 25 ist über die Kältemittelleitung 9c über das Absperrventil 341 mit dem Akkumulator 37 fluidisch verbunden.
  • Der Wärmepumpenkreislauf 4 umfasst die Kältemittelleitungen 45b, 9d und 9j, die so angeordnet sind, dass sie einen Verdampfer/Entfeuchter 25, der Wärme aus der Umgebungsluft erhält, 19 und das zugehörige Absperrventil 23 mit dem indirekten Kondensator 49 und dem zugehörigen Absperrventil 51 strömungstechnisch verbinden. Der Verdampfer/Entfeuchter 25 steht über die Kältemittelleitung 9c über das Absperrventil 341 mit dem Akkumulator 37 in Fluidverbindung. Die Kältemittelleitung 9d verbindet das Absperrventil 23 und das Expansionsventil 29 in Verbindung mit einem Verdampfer 31 und die Leitung 45b verbindet den indirekten Kondensator 49 über die zugehörigen Ventile 51 und 29 mit dem Verdampfer 31. Die Kältemittelleitung 9e verbindet den Speicher 37 fluidisch mit dem Kompressor 11 über den Kompressoreinlass 239, in dem sich der Temperatur- und Drucksensor 39 befindet, um die Parameter des Kältemittels am Kompressoreinlass 239 zu überwachen.
  • Der Wärmepumpenkreislauf 4 umfasst eine Kältemittelleitung 9g, die so angeordnet ist, dass sie den Auslass (213) des Kompressors (11) und das Absperrventil 47, das sich im Wärmepumpenkreislauf 4 in seiner offenen Stellung befindet, strömungstechnisch verbindet. Ein Druck- und Temperatursensor 13 überwacht das am Kompressorauslass 213 austretende Fluid. Die Kältemittelleitung 45a ist so angeordnet, dass das geöffnete Absperrventil 47 und ein interner Kältemittel-zu-Kältemittel-Wärmetauscher, indirekter Kondensator 49, strömungstechnisch verbunden sind. Der indirekte Kondensator 49 ist über das Absperrventil 51 in der Kältemittelleitung 45b strömungstechnisch mit den Ventilen 23 und 29 verbunden, die mit dem Verdampfer/Entfeuchter 25 und dem Verdampfer 31 verbunden sind. Der Verdampfer/Entfeuchter 25 und der Verdampfer 31 sind im Heizbetrieb bei geöffneten zugehörigen Ventilen 51, 23, 29, 341 jeweils über das Absperrventil 341 mit dem Speicher 37 fluidisch verbunden. Der Speicher 37 ist mit dem Einlass (239) des Kompressors (11) fluidisch verbunden, und der Druck- und Temperaturfühler 39 ist der Saugseite des Kompressors 11 zugeordnet und ist betriebsbereit und überwacht das Fluid in Leitung 9e am Einlass (239) des Kompressors. Die Kältemittelleitungen lassen den Durchfluss von Kältemittel durch sie hindurch zu.
  • Der Wärmepumpenkreislauf 4 umfasst einen Kühlmittelkreislauf 8, in dem die Leitung 45c so angeordnet ist, dass eine Kühlmittelseite des indirekten Kondensators 49, ein Temperatursensor 53, eine Wärmepumpe 55 und ein zweiter interner Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher 57, der thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt ist, fluidisch verbunden sind, wobei es sich um die Passagierkabine 59 handelt. Ein Dreiwegeventil 61 stromabwärts des Wärmetauschers 57 ist so angeordnet, dass es den Kühlmittelstrom über die Leitung 30b oder in einer zweiten Stellung zurück zum indirekten Kondensator 49 leitet, zum direkten Kühlmittelfluss sowohl zum indirekten Kondensator 49 über die Leitung 30b als auch zum Kühlmittelkreislauf 10 über die Leitung 30c, in dem das Kühlmittel zu einem Wärmetauscher 149 geleitet wird, von dem das Kühlmittel über die Leitungen 30e und das Ventil 161 fließt, mit dem der Wärmetauscher 149 über die Leitung 30h mit einem weiteren Wärmetauscher 151 und über die Leitung 30j mit einem zweiten Kühlkörper 159 fluidisch gekoppelt ist, wobei es sich um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handelt. Das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 10 wird über die Leitung 30e, einen Ausdehnungssammler 167 und die Pumpe 155 zum Wärmetauscher 149 zurückgeführt.
  • Im Kältemittelkreislauf 10 verbindet das Dreiwegeventil 161 in einer zweiten Stellung den Wärmetauscher 149 fluidisch mit einem Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher 131 über die Leitung 30f, die kältemittelseitig mit dem Wärmepumpenkreislauf 4 (d.h. Speicher 37) fluidisch verbunden werden kann, wenn das zugehörige Ventil 129 geöffnet ist. Die Kühlmittelseite des Wärmetauschers 131 ist mit der Batterie 159 fluidisch verbunden.
  • Die Komponenten des Wärmepumpenkreislaufs 4 sind durch Kältemittelleitungen 9, 30, 45 verbunden, die im Betrieb den Kältemittelfluss durch den Kreislauf 4 ermöglichen.
  • Unter Bezugnahme auf umfasst das Wärmefluss-Managementsystem 1 des Fahrzeugs einen zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 2 mit einer Wärmequelle, die ein Antriebsstrang 65 ist, der über Leitungen 63 in Fluidverbindung mit einem Ausdehnungsgefäß 67 und einer Pumpe 69 steht. Das Dreiwegeventil 73 kann betätigt werden, um den Kühlmittelkreislauf 2 über die Kühlmittelseite des Verdampfers 31 in Fluidverbindung mit dem Wärmepumpenkreislauf 4 zu schalten. Die Leitung 63 umfasst einen Temperaturfühler 71 zur Überwachung der Temperatur des Antriebsstrangs 65 und des Kühlmittels in den Leitungen 63.
  • Das Dreiwegeventil 73 dient dazu, den Kühlmittelkreislauf 2 in Flüssigkeitskommunikation mit dem Wärmetauscher 217 zu schalten, wenn der Kühlmittelkreislauf von der Flüssigkeitskommunikation mit dem Wärmepumpenkreislauf 4 getrennt werden soll.
  • Der Kompressor 11 ist über das Absperrventil 15 und das Absperrventil 47 jeweils mit dem Kältemittelkreislauf 6 des Kältekreislaufs und dem Wärmepumpenkreislauf 4 des Kältekreislaufs fluidisch gekoppelt. Die Ventile 15 und 47 befinden sich jeweils stromabwärts des Kompressors 11. Die Betriebsweise des Wärmefluss-Managementsystems 1 des Fahrzeugs und insbesondere des Kältemittelmanagementsystems 100 kann von einem Heizmodus in einen Kühlmodus geändert werden, je nach der Richtung des Kältemittelflusses stromabwärts von der Hochdruckseite des Kompressors 11 in eines dieser Absperrventile 15 bzw. 47. Im Kühlbetrieb ist das Ventil 47 geschlossen und das Ventil 15 geöffnet, wodurch das Kältemittel vom Kompressorauslass 213 zum Wärmepumpenkondensator 17 geleitet wird. Im Heizmodus ist Ventil 15 geschlossen und Ventil 47 geöffnet, wodurch Kältemittel vom Kompressorauslass 213 zum Wärmepumpenkreislauf 4 und zum indirekten Kondensator 49 geleitet wird.
  • Wie in dargestellt, wird ein Kältemittelmanagementsystem 100 durch Regler 20, der mit dem zentralen Managementsystem des Fahrzeugs verbunden ist (nicht dargestellt), in einen Kühlmodus geschaltet.
  • In den Abbildungen ist der Controller 20 funktionsfähig mit den Systemen 1, 100 und deren Komponenten verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Verbindungen zwischen dem Controller 20 und den Komponenten der Systeme 1, 100 nicht dargestellt.
  • Im Kühlbetrieb steht der als Kondensator 17 fungierende externe Luft-Kältemittel-Wärmetauscher über die Leitungen 9a, 9b, 9c, 9j, 9g und 9f in Fluidverbindung mit dem Kompressor 11, wenn sich das Expansionsventil 21, das Absperrventil 41 und das Absperrventil 15 in der offenen Stellung befinden. Die Ventile 47, 51, 29 des Wärmepumpenkreislaufs sind geschlossen. Das Kältemittel wird nicht mehr über die Leitung 45a zum indirekten Kondensator 49 geleitet, da das Absperrventil 47 geschlossen ist. Ventil 23 ist im Kühlbetrieb offen und der Kältekreislauf Kältemittelkreislauf 6 und Kondensator 17 stehen über den Verdampfer/Entfeuchter 25 und den Speicher 37 in Fluidverbindung mit dem Kompressor 11.
  • Ventil 73 im Kühlmittelkreislauf 2 ist in der Lage, Kühlmittel zum Wärmetauscher 217 innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 2 zu leiten. Auf diese Weise ist der Kältemittelkreislauf 2 vom Kältemittelkreislauf 6 des Kältemittelkreislaufs getrennt. Im Kühlbetrieb wird die Wärmeenergie aus dem Fahrzeuginnenraum 25 durch den Kältemittelstrom nach außen in die externen Wärmetauscher 17, 25 übertragen, die jeweils in der Kälteleitung 9b und der Kälteleitung 9c thermisch an die äußere Umgebungsluft 19 gekoppelt sind. Durch diese Wärmeabfuhr an die äußere Umgebungsluft 19 kann die Wärme von der Innenseite des Fahrgastraums 59 zum Kältemittelkreislauf 6 des Kältemittelkreislaufs 6 fließen.
    Beim Betrieb des Kältekreislaufs des Kältemittelkreislaufs 6 im Kühlmodus des Kältemittelmanagementsystems 100 wird Kältemittel in einem Zustand niedriger Temperatur und niedrigen Drucks in den Einlass 239 des Kompressors 11 gesaugt, der das Kältemittel in ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck am Auslass 213 des Kompressors 11 umwandelt. Die Temperatur und der Druck am Auslass des Kompressors 11 werden durch den Druck- und Temperatursensor 13 überwacht. Das Kältemittel strömt dann in der Kältemittelleitung 9a durch das geöffnete Absperrventil 15 in den externen Wärmetauscher 17, der als Kondensator fungiert, der die Wärmeenergie an die thermisch gekoppelte Umgebungsluft 19 überträgt, wobei Wärme aus dem System 1 abgeführt wird, wodurch gleichzeitig das Kältemittel in einen flüssigen Zustand kondensiert. Das flüssige Kältemittel erreicht dann über die Leitung 9b das dem Kondensator 17 zugeordnete Expansionsventil 21, wo der Strom zum offenen Absperrventil 23, durch die Kältemittelleitung 9j und in den Verdampfer/Entfeuchter 25 geleitet wird. Nach dem Verdampfer/Entfeuchter 25 strömt das Kältemittel durch die Leitung 9c zum offenen Absperrventil 341 und in den Speicher 37. Der Verdampfer/Entfeuchter 25 ist thermisch mit der Umgebungsluft 19 gekoppelt und dient zur weiteren Wärmeabfuhr aus dem System 100, bevor das Kältemittel zum Kältemittelspeicher 37 geleitet wird, der als Sammler von Kältemittel zur Versorgung der Saugseite des Kompressors 11 dient, wo sich ein Druck- und Temperatursensor 39 befindet. Der Kältemittelkreislauf 6 des Kältekreislaufs ist so betreibbar, dass das Kältemittel stromabwärts vom ersten Absperrventil 15 in der Kälteleitung 9a in die Kälteleitung 9f durch das Absperrventil 41 in den Druck- und Temperaturfühler 43 strömt, bevor es im Speicher 37 gesammelt wird. Im Kühlbetrieb des Systems 100 wird das Ventil 47 im Heizkreislauf geschlossen, wodurch der Wärmepumpenkreislauf 4 vom Ausgang 213 des Kompressors 11 getrennt wird.
  • Wie in dargestellt, ist das Wärmefluss-Managementsystem 1 des Fahrzeugs und insbesondere das Kältemittel-Managementsystem 100 in einer Wärmepumpenbetriebsart betreibbar, indem das Absperrventil 15 in der Kältemittelleitung 9a geschlossen und das Absperrventil 47 in der Wärmepumpenleitung 45a geöffnet wird, wodurch der Kompressor 11 von der Fluidverbindung mit dem Wärmepumpenkondensator 17 im Kältemittelkreislauf 6 des Kältemittelkreislaufs in die Fluidverbindung mit dem indirekten Kondensator 49 im Wärmepumpenkreislauf 4 geschaltet wird. Auf diese Weise wird der Heizbetrieb des Klimakreislaufs eingeleitet. Durch Schließen des Absperrventils 41 in der Kältemittelleitung 9f und Schließen des Expansionsventils 21 in der Kältemittelleitung 9b wird der Wärmepumpenkondensator 17 sowohl an seinem Auslass 213 als auch an seinem Einlass 239 fluidisch vom Kompressor getrennt.
  • Durch Schließen des Absperrventils 15 und Öffnen des Absperrventils 47 wird das Kältemittel stromabwärts vom Ausgang des Kompressors 11 in den Wärmepumpenkreislauf 4 und nicht in den Kältekreislauf 6 der Klimaanlage im Kältemittelmanagementsystem 1 geleitet. Durch Schließen des Absperrventils 41 in der Kältemittelleitung 9f und des Expansionsventils 21 in der Kältemittelleitung 9b wird der externe Wärmetauscher 17 vom System abgekoppelt. In diesem Heizmodus strömt heißes, unter Druck stehendes Kältemittelgas stromabwärts vom Auslass 213 des Kompressors 11 über die Leitung 45a und den indirekten Kondensator 49 in den Kältemittelkreislauf 8 der Wärmepumpe. Die Leitung 45c überträgt Kühlmittel zum Luftkühlmittel-Wärmetauscher 57 und überträgt Wärmeenergie durch die thermische Kopplung zwischen der Kabine 59 und dem als Kondensator wirkenden internen Wärmetauscher 57 an die innere Kabine 59. Das Kühlmittel wird über das Ventil 61 und die Leitung 30b im Kühlmittelkreislauf 8 zum indirekten Kondensator 49 zurückgeführt.
  • Das Kältemittel wird vom indirekten Kondensator 49 zum Verdampfer/Entfeuchter 25 und zum Verdampfer 31 durch die offenen zugehörigen Ventile 51, 23 und 29 zurückgeführt. Der Wärmepumpenkreislauf 4 wird dadurch vervollständigt, dass das Kältemittel vom Verdampfer/Entfeuchter 25 und Verdampfer 31 durch das Absperrventil 341 in den Speicher 37 und weiter zum Einlass 239 des Kompressors fließt.
  • In den in den und dargestellten Ausführungsformen benötigen der Kältekreislauf 6 und der Wärmepumpenkreislauf 4 ausreichend Kältemittel für den Betrieb des Kompressors 11. Wenn z.B. das Wärmefluss-Managementsystem 1 im Kühlbetrieb (siehe ) läuft, wenn das Fahrzeug anhält, und während das System 1, 10 (und das Fahrzeug) im Leerlauf ist, sinkt die Umgebungstemperatur unter die des Kompressor 11-Einlasses (wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Kompressoreinlass und der Umgebung weniger als 3 Kelvin beträgt, d.h. die Umgebung kälter oder weniger als 3 Kelvin wärmer ist), wird das Kältemittel tendenziell in Richtung des ersten externen Wärmetauschers 17, der der kälteste Teil des Systems ist, angesaugt werden und sich dort ansammeln. Wenn das System längere Zeit nicht benutzt wurde, kann das Kältemittel aus dem Kältemittelspeicher 37 durch das Absperrventil 41 in der Kälteleitung 9f, das Absperrventil 15 in der Kälteleitung 9a und das Expansionsventil 21 in der Kälteleitung 9b in den ersten externen Wärmetauscher 17 austreten. In einem solchen Fall hat der Kompressor 11 nicht genügend Kältemittel, um seinen Betrieb fortzusetzen und riskiert daher einen Ausfall. Das unerwünschte und nachteilige überschüssige Kältemittel am ersten externen Wärmetauscher 17 muss daher in den Speicher 37 zurückgeführt werden. Darüber hinaus kann der Sensor 39 unter diesen Bedingungen ein überhitztes Kältemittel am Einlass 239 des Kompressors erkennen, was bedeutet, dass der Speicher 37 trocken ist und nicht genügend Kältemittel enthält, um den Kompressor 11 beim Start zu betreiben.
  • Das System 100 kann, wie in dargestellt, einen Kaltstartmodus ausführen. Im Kaltstartmodus ist das Absperrventil 41 in der Kältemittelleitung 9f so betreibbar, dass es eine vorübergehende Fluidverbindung zwischen dem ersten internen Wärmetauscher 17 und dem Speicher 37 ermöglicht, wodurch der Rückfluss des Kältemittels vom ersten internen Wärmetauscher 17 zurück zum Speicher 37 ermöglicht wird. Ein gekoppeltes System zwischen dem Druck- und Temperatursensor 39, der sich am Eingang des Kompressors 11 befindet, und dem Druck- und Temperatursensor 43, der sich am externen Wärmetauscher 17 befindet, stellt fest, ob überhitzter Kältemitteldampf am Eingang 239 vorliegt und der Kältemittelspeicher 37 daher trocken ist. Ein gekoppeltes Sensorsystem zwischen Sensor 39 und Sensor T3 an der Umgebungsluft-Wärmequelle 19 stellt fest, ob ein TemperaturgradientenÜberschuss von 3 Kelvin oder mehr zwischen dem Kompressor 11 und dem Kondensator 17 der Wärmepumpe vorhanden ist. Das Kältemittelmanagementsystem 100 ist in der Lage, den Anfahrmodus einzuleiten, wenn eine oder beide Bedingungen erkannt werden: ein überhitzter Kältemitteldampf und ein Temperaturgradientenüberschuss von -3 Kelvin zwischen dem Einlass des Kompressors 11 und dem ersten internen Wärmetauscher 17. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann das Absperrventil 41 geöffnet werden, um einen Kaltstartmodus einzuleiten. In diesem Modus wird der Kompressor 11 aktiviert, um den Kältemittelfluss vom ersten internen Wärmetauscher 17 durch das Absperrventil 41 in der Kältemittelleitung 9f zurück in den Kältemittelspeicher 37 zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine ausreichende Kältemittelmenge für den Kompressor 11, um nach diesem Kaltstartmodus entweder im Kühlbetrieb (Bild 2) oder im Heizbetrieb (Bild 3) weiter zu arbeiten. Im Kaltstartmodus von bleiben/bleiben die Ventile 21 und 15 geschlossen. Auf diese Weise ist der Wärmepumpenkondensator 17 von den übrigen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 6 des Kältemittelkreislaufs 6 und vom Wärmepumpenkreislauf 4 isoliert.
  • Wie in dargestellt, besteht ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf 2 aus einer minderwertigen Wärmeenergiequelle, dem Antriebsstrang 65 und der Kühlmittelseite des Verdampfers 31, wodurch der Kühlmittelkreislauf 2 eine Flüssigkeitsverbindung mit dem Wärmepumpenkreislauf 4 und dem Heizbetrieb erhält. Indem Kühlflüssigkeit durch eine andere Wärmequelle (z.B. Antriebsstrang 65) geleitet wird, sammelt der Verdampfer 31 weitere Wärme niederer Qualität in den Wärmepumpenkreislauf 4 ein. Innerhalb des Verdampfers 31 ist der Kältemittelstrom thermisch an diesen Kühlmittelkreislauf 2 gekoppelt und wird stromabwärts zum Speicher 37 und weiter zum Einlass 239 des Kompressors 11 geleitet. Im Kältemittelkreislauf 2 strömt das Kältemittel stromabwärts vom Verdampfer 31 und wird thermisch an eine Wärmeenergiequelle 65 gekoppelt. Der Temperaturfühler 71 ist so angeordnet, dass er die Kühlmitteltemperatur im Kreislauf 2 überwacht. Ein Ausdehnungsgefäß 67 und eine Wärmepumpe 69 sind im Kreislauf 2 enthalten, um das Kältemittel strömen zu lassen. Diese thermische Kopplung zwischen dem Verdampfer 31 und dem zusätzlichen Wärmekreislauf 2 erfolgt durch Betätigung des zugehörigen Ventils 73, um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Kühlmittelkreislauf 2 und dem Verdampfer 31 des Wärmepumpenkreislaufs 4 herzustellen.
  • In jedem der in den bis dargestellten Schaltkreise kann der Regler 20 ein Regler, eine Steuereinheit oder ein Modul, wie z.B. eine programmierbare CPU, sein, die das Kältemittelmanagementsystem 100 zwischen einem beliebigen einer Reihe von Modi umschalten kann. Das Steuergerät 20 kann der Prozessor des zentralen Managementsystems des Fahrzeugs sein.
  • zeigt ein Elektrofahrzeug 150 mit einem Wärmefluss-Managementsystem 1 mit einem Kältemittel-Managementsystem 100 der Erfindung. Das zentrale Managementsystem (nicht dargestellt) des Fahrzeugs ist betriebsfähig mit dem Regler 20 des Systems 1 verbunden.
  • In der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen dieser Spezifikation bedeuten die Wörter „umfassen“ und „enthalten“ und Variationen davon „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“, und sie sind nicht dazu bestimmt (und schließen nicht aus), andere Teile, Zusätze, Komponenten, ganze Zahlen oder Stufen auszuschließen. In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation umfasst der Singular den Plural, es sei denn, der Kontext erfordert etwas anderes. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist die Spezifikation so zu verstehen, dass sowohl Pluralität als auch Singularität in Betracht gezogen werden, es sei denn, der Kontext erfordert etwas anderes.
  • Es wird geschätzt, dass Verkörperungen der vorliegenden Erfindung in Form von Hardware, Software oder einer Kombination von Hardware und Software realisiert werden können. Jede derartige Software kann in Form von flüchtigem oder nicht flüchtigem Speicher wie z.B. einem Speichergerät wie einem ROM, ob löschbar oder wiederbeschreibbar oder nicht, oder in Form von Speicher wie z.B. RAM, Speicherchips, Gerät oder integrierten Schaltungen oder auf einem optisch oder magnetisch lesbaren Medium wie z.B. einer CD, DVD, Magnetplatte oder einem Magnetband gespeichert werden. Es wird geschätzt, dass die Speichergeräte und Speichermedien Verkörperungen eines maschinenlesbaren Speichers sind, die geeignet sind, ein Programm oder Programme zu speichern, die, wenn sie ausgeführt werden, Verkörperungen der vorliegenden Erfindung implementieren. Dementsprechend stellen Verkörperungen ein Programm dar, das einen Code zur Implementierung eines Systems oder Verfahrens, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, und einen maschinenlesbaren Speicher zur Speicherung eines solchen Programms enthält. Darüber hinaus können Verkörperungen der vorliegenden Erfindung elektronisch über ein beliebiges Medium, wie z.B. ein Kommunikationssignal, das über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung übertragen wird, übertragen werden, und Verkörperungen umfassen in geeigneter Weise das gleiche.
  • Alle in dieser Spezifikation offengelegten Merkmale (einschließlich aller begleitenden Ansprüche, Zusammenfassungen und Zeichnungen) und/oder alle Schritte eines auf diese Weise offengelegten Verfahrens oder Prozesses können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest einige dieser Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen.
  • Jedes in dieser Spezifikation offen gelegte Merkmal (einschließlich aller begleitenden Ansprüche, Zusammenfassungen und Zeichnungen) kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Somit ist jedes offengelegte Merkmal, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, nur ein Beispiel für eine generische Reihe gleichwertiger oder ähnlicher Merkmale.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Die Erfindung erstreckt sich auf alle neuartigen oder neuartigen Kombinationen der in dieser Spezifikation offenbarten Merkmale (einschließlich aller begleitenden Ansprüche, Zusammenfassungen und Zeichnungen) oder auf alle neuartigen oder neuartigen Kombinationen der Schritte eines so offenbarten Verfahrens oder Prozesses. Die Ansprüche sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie nur die vorstehenden Ausführungsformen abdecken, sondern auch alle Ausführungsformen, die in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen.

Claims (15)

  1. Kältemittelmanagementsystem (10) in einem Wärmefluss-Managementsystem (1) für ein Elektrofahrzeug (150), umfassend einen Fahrzeugklimatisierungskreislauf, der einen Wärmepumpenkreislauf (4) mit einer Heizfunktion und einen Kältekreislauf (6) des Kältemittelkreislaufs umfasst, wobei der Klimatisierungskreislauf einen Wärmepumpenkondensator (17) in thermischer Verbindung mit einer Wärmequelle (19) und einen Kältemittelverdampfer (25) in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle (19) umfasst, einen Verdampfer (31), der einem Expansionsventil (29) zugeordnet ist, und einen Kältemittelkompressor (11) umfasst, wobei die Komponenten durch eine Kältemittelleitung (9) fluidmäßig miteinander verbunden sind, einen Akkumulator (37), der in der Kältemittelleitung (9) stromabwärts des Wärmepumpenkondensators (17) fluidmäßig gekoppelt ist, den Kältemittelverdampfer (25) und -verdampfer (31) und stromaufwärts des Kältemittelkompressors (11) umfasst, wobei der Wärmepumpenkreislauf (4) einen indirekten Kondensator (49) stromabwärts des Kältemittelkompressors (11) und in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper (59, 159) aufweist und der Kältemittelverdampfer (25) und der Verdampfer (31) in Fluidverbindung mit dem Kältemittelkompressor (11) und dem indirekten Kondensator (49) stehen; den Kältekreislauf des Kältekreislaufs (6), der den Wärmepumpenkondensator (17) in Fluidverbindung mit dem Kompressor (11) umfasst; wobei der Klimatisierungskreislauf zwischen einem Heizmodus, in dem der Wärmepumpenkreislauf (4) in Fluidverbindung mit dem Kältemittelkompressor (11) steht und der Wärmepumpenkondensator (17) von der Fluidverbindung mit dem Kältemittelkompressor (11) und einem Kühlmodus isoliert ist, in dem der Kältemittelkreislauf (6) durch Betätigung mindestens eines Ventils (15, 21, 41, 47) in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht; wobei der Klimatisierungskreislauf einen Sensor (39) am Kompressoreinlass (239) aufweist, der betreibbar ist, um Kältemitteltemperatur und -druck zu überwachen; und wobei, wenn sich das System im Heizmodus befindet, ein Absperrventil (41), das zwischen dem Wärmepumpenkondensator (17) und dem Akkumulator (37) in Reihe geschaltet ist, so betätigt werden kann, dass es sich öffnet, um einen Kaltstartmodus einzuleiten, in dem eine vorübergehende Fluidverbindung zwischen dem Wärmepumpenkondensator (17) und dem Akkumulator im Wärmepumpenkreislauf vorgesehen ist, wenn: der Sensor (39) eines oder beides erkennt: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass (239) und einen Temperaturgradienten von mehr als 3 Kelvin zwischen der Umgebung (T3) und dem Kompressoreinlass (239).
  2. Kältemittelmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmepumpenkondensator (17), der Kältemittelverdampfer (25) und der Verdampfer (31) jeweils mindestens einem Ventil (21, 23, 29) zugeordnet sind.
  3. Kältemittelmanagementsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Kompressor (11) mit mindestens einem Ventil (15, 47) verbunden ist.
  4. Kältemittelmanagementsystem nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Ventil (15, 47) mit dem Auslass (213) des Kompressors (11) verbunden ist und betreibbar ist, um den Auslass des Kompressors in Fluidverbindung mit dem Wärmepumpenkreislauf (4) oder dem Kältekreislauf (6) des Kältemittelkreislaufs im Heizmodus bzw. im Kühlmodus zu schalten, optional, wobei das mindestens eine Ventil (15, 47), das mit dem Kompressor (11) verbunden ist, und mindestens ein Ventil (21), das mit dem Wärmepumpen-kondensator (17) verbunden ist, betätigt werden können, um das System vom Heizmodus in den Kühlmodus umzuschalten.
  5. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Heizmodus der Wärmepumpenkondensator (17) vom Kompressor (11) durch Betätigung von mindestens zwei Ventilen (15, 41, 21) fluidisch isoliert ist, optional wobei im Heizmodus der Wärmepumpenkondensator (17) vom Kompressor (11) durch Schließen von mindestens zwei Ventilen (15, 41, 21) fluidisch isoliert ist, wobei ein Ventil dem Einlaß und ein Ventil dem Auslaß des Wärmepumpenkondensators (17) zugeordnet ist.
  6. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Heizmodus der Wärmepumpenkondensator (17) vom Einlass (239) und vom Auslass (213) des Kompressors (11) strömungstechnisch isoliert ist und/oder der Wärmepumpenkondensator (17) vom Kältemittelverdampfer (25), vom Verdampfer (31) und vom Kältemittelkompressor (11) strömungstechnisch isoliert ist, und/oder der Wärmepumpenkondensator (17) vom Ausgang des Kompressors (11) durch Schließen eines Absperrventils (15) und vom Kältemittelverdampfer (25) und vom Verdampfer (31) durch Schließen eines zugehörigen Expansionsventils (21) und vom Speicher durch Schließen des Absperrventils (41) isoliert ist, und/oder der Wärmepumpenkondensator (17) vom Wärmepumpenkreislauf (4) durch Schließen mindestens eines Ventils (15) am Ausgang des Kompressors (213) isoliert ist.
  7. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Kühlmodus der Wärmepumpenkondensator in Fluidverbindung mit dem Kompressor steht und/oder der Wärmepumpenkondensator in Fluidverbindung mit dem Auslass (213) des Kompressors (11), dem Akkumulator (37) und mit dem Kältemittelverdampfer (25) durch Betätigung einer Vielzahl von zugeordneten Ventilen (15, 41, 21, 23) steht.
  8. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Absperrventil (41) in der Leitung zwischen dem Wärmepumpenkondensator (17) und dem Speicher (37) im Kaltstartmodus geschlossen wird, wenn der Sensor (39) eines oder beide der folgenden feststellt: ein nicht überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass (239) und einen Temperaturgradienten gleich oder kleiner als 3 Kelvin zwischen der Umgebung (T3) und dem Kompressoreinlass (239).
  9. Ein Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Kaltstartmodus vor der Einleitung des Heizmodus verfügbar ist.
  10. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kompressor (11) so betrieben werden kann, dass er im Kaltstartmodus einen Rückstrom von Kältemittel vom Wärmepumpenkondensator (17) zum Akkumulator (37) zieht.
  11. Kältemittelmanagementsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor (39) die Überhitzung im Kältemittel am Kompressoreinlass (239) überwacht, wobei der Sensor (39) wahlweise den Kaltstartmodus einleitet, wenn der Überhitzungswert mindestens 10 Kelvin beträgt.
  12. Wärmefluss-Managementsystem, das das Kältemittel-Managementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei der Wärmepumpenkreislauf (4) optional mindestens einen thermodynamischen Cycler umfasst, der thermisch mit einem Kühlkörper (59) verbunden ist, der in einer Kabine und einer Batterie vorgesehen ist.
  13. Fahrzeug, umfassend einen Motor und das Wärmefluss-Managementsystem nach Anspruch 12, wobei der Motor wahlweise elektrochemisch angetrieben wird.
  14. Verfahren zum Kältemittelmanagement in einem Elektrofahrzeug, umfassend a. Bereitstellung eines Kältemittelmanagementsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11; b. wenn der Kompressor im Leerlauf ist, Erfassen der Temperatur und des Drucks des Kältemittels am Kompressoreinlass (239) mit mindestens einem Sensor (39); c. Einleiten des Kaltstartmodus, wenn der Sensor (39) eines oder beides feststellt: ein überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass (239) und einen Temperaturgradienten von mehr als 3 Kelvin zwischen Umgebung (T3) und Kompressoreinlass (239); d. Beenden des Kaltstartmodus und Starten des Heizmodus oder des Kühlmodus, wenn der Sensor (39) eines oder beides feststellt: ein nicht überhitztes Kältemittel am Kompressoreinlass (239) und einen Temperaturgradienten gleich oder kleiner als 3 Kelvin zwischen Umgebung (T3) und Kompressoreinlass (239).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei bei der Einleitung des Kaltstartmodus der Kompressor (11) aktiviert wird, bevor das Absperrventil (41) geöffnet wird, um einen umgekehrten Kältemittelfluss vom Wärmepumpenkondensator (17) zum Akkumulator (37) zu ermöglichen.
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