DE112019000816T5 - Vorrichtung und verfahren zur wärmerückgewinnung mit niedrigem wärmerückgewinnungsgrad in einem elektrofahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur wärmerückgewinnung mit niedrigem wärmerückgewinnungsgrad in einem elektrofahrzeug Download PDF

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Dhillip Asokan
Kate Rouse
Oliver Stocks
Nilabza Dutta
Richard Cook
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Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug (1) bereit, mit einer ersten und einer zweiten schaltbaren Wärmequelle (65, 19) und ein Steuergerät (20), die so betätigbar ist, dass selektiv eine der Wärmequellen in thermischer Kommunikation mit einem Kompressor (11) in einem thermodynamischen Zyklussystem geschalten wird, wobei das thermodynamische Zyklussystem in thermischer Kommunikation mit einem Kühlkörper (59, 159) steht; und einem Detektionsmittel (39, 71, T3), die so betätigbar ist, dass eine Temperaturdifferenz zwischen jeder der schaltbaren Wärmequellen und einem in den Kompressor (11) eintretenden Fluid erfasst wird; wobei das Steuergerät (20) so betätigbar (angepasst, angeordnet) ist, um eine der ersten und zweiten schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kompressor (11) in dem thermodynamischen Zyklussystem eintretenden Fluid und der von der schaltbaren Wärmequelle verfügbaren Wärme erfasst wird, wobei die Temperaturdifferenz derart ist, dass der Kompressor (11) so betätigbar ist, um niederwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle (65, 19) auf eine höherwertige Wärme bei Betrieb des Kompressors (11) aufzuwerten.

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein Wärmerückgewinnungssystem und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Wärmerückgewinnungssystem mit einem niedrigen Wärmerückgewinnungsgrad für ein Elektrofahrzeug. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein Wärmerückgewinnungssystem, auf ein Fahrzeug und auf ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärmeenergie mit einem niedrigen Wärmeenergiegrad, wobei ein Wärmerückgewinnungssystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärmeenergie mit einem niedrigen Wärmeenergiegrad Gegenstand jedes der unabhängigen Ansprüche sind.
  • HINTERGRUND
  • Verbrennungsmotoren bedeuten, dass höherwertige Wärmeenergie von der Verbrennung des Kraftstoffs bis zu den Heizelementen des Fahrzeugs der Passagierkabine und der Batterie leicht verfügbar ist. Bei Elektrofahrzeugen ist höherwertige Energie jedoch von hohem Wert und muss, wo immer möglich, konserviert und zurückgewonnen werden.
  • Die Erfindung gilt für reine Elektrofahrzeuge und verbessert die Kabinen- und Batterieheizung bei kalten Umgebungsbedingungen. Es ist üblich, elektrische Energie zu verbrauchen, um eine direkte elektrische Heizung bereitzustellen. Bei Elektrofahrzeugen ist jedoch direkte elektrische Energie wertvoll, um das Fahrzeug anzutreiben, und die Erfindung zielt darauf ab, Wärme sowohl aus der Umgebungsluft als auch aus den Komponenten des Antriebsstrangs zurückzugewinnen, um Wärme an die Kabine und die Batterie zu liefern, anstatt höherwertige direkte elektrische Energie zu verwenden.
  • Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Wärmerückgewinnungssystems zur Verbesserung der Effizienz der Wärmerückgewinnung in einem elektrochemisch angetriebenen Fahrzeug.
  • Ein Gegenstand der Ausführungsformen der Erfindung ist, zumindest eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik zu mildern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bieten ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Fahrzeug und eine Methode zur Rückgewinnung von Wärmeenergie mit einem niedrigen Wärmeenergiegrad, wie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug vorgesehen, das schaltbare Wärmequellen und ein Steuermittel umfasst, das so betrieben werden kann, dass es selektiv mindestens eine der Wärmequellen in thermische Kommunikation mit einem Kompressor in einem thermodynamischen Zyklussystem schaltet, wobei das thermodynamische Zyklussystem in thermischer Kommunikation mit einem Kühlkörper und einem Detektionsmittel steht, das so betätigbar ist, dass es eine Temperaturdifferenz zwischen jeder der schaltbaren Wärmequellen und einem in den Kompressor eintretenden Fluid erfasst; wobei das Steuermittel so betätigbar (angepasst, angeordnet) ist, um die schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kompressor in dem thermodynamischen Zyklussystem eintretenden Fluids und der von mindestens einer der schaltbaren Wärmequellen verfügbaren Wärme erfasst wird.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug vorgesehen, mit einer ersten und einer zweiten schaltbaren Wärmequelle und einem Steuermittel, die betätigt werden kann, um selektiv eine der Wärmequellen in thermische Verbindung mit einem Kompressor in einem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wobei das thermodynamische Zyklussystem in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper und einem Detektionsmittel steht, das so betätigt werden kann, um eine Temperaturdifferenz zwischen jeder der schaltbaren Wärmequellen und einem in den Kompressor eintretenden Fluid zu erfassen;
    wobei das Steuermittel so betätigbar (angepasst, angeordnet) ist, um eine der ersten und zweiten schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kompressor in dem thermodynamischen Zyklussystem eintretenden Fluids und der von der schaltbaren Wärmequelle verfügbaren Wärme erfasst wird.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Temperaturunterschied so groß, dass der Kompressor so betrieben werden kann, dass beim Betrieb des Kompressors niederwertige Wärme auf höherwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle angehoben werden kann.
  • In bestimmten Ausführungsformen stehen die erste und die zweite schaltbare Wärmequelle jeweils in thermischer Verbindung mit einem Fluid innerhalb des thermodynamischen Zyklussystems, und das Steuermittel ist so betätigbar (angepasst, angeordnet), um mindestens ein Steuerventil zu betätigen, das so betätigbar ist, um das Fluid, das in thermischer Verbindung mit einer der schaltbaren Wärmequellen ist, selektiv in eine thermische Verbindung mit einem Kompressor in dem thermodynamischen Zyklussystem umzuschalten, wobei das Steuergerät so betätigbar (angepasst, angeordnet) ist, , um mindestens ein Steuerventil zu betätigen, um eine der ersten und zweiten schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen einem Fluid, das in einen Kompressor in dem thermodynamischen Zyklussystem eintritt, und der von der schaltbaren Wärmequelle verfügbaren Wärme festgestellt wird, wobei die Temperaturdifferenz derart ist, dass der Kompressor so betätigbar ist, um niederwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle auf eine höherwertige Wärme beim Betrieb des Kompressors aufzurüsten.
  • In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Temperaturdifferenz mindestens 5 Kelvin. D.h. die Temperaturdifferenz zwischen der verfügbaren Wärme der ersten schaltbaren Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluid und/oder die Temperaturdifferenz zwischen der verfügbaren Wärme der zweiten schaltbaren Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluid beträgt mindestens 5 Kelvin. Auf diese Weise ist die Temperaturdifferenz zwischen der Ansaugtemperatur am Eintritt in den Kompressor und der verfügbaren Wärme der Wärmequelle ausreichend, um eine Aufwertung von niederwertiger Wärmeenergie zu höherwertiger Wärmeenergie zu ermöglichen.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die Temperatur an der ersten oder zweiten schaltbaren Wärmequelle höher als in dem in den Kompressor eintretenden Fluid. In einigen Ausführungen ist die Temperatur des in den Kompressor eintretenden Fluids größer oder gleich -20 Grad Celsius. Unterhalb dieser Temperatur könnte der Kompressor möglicherweise nicht arbeiten.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das Detektionsmittel so konfiguriert (angepasst, angeordnet), dass es eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten schaltbaren Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluid sowie zwischen der zweiten schaltbaren Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluid der Reihe nach überwacht. Auf diese Weise kann die Wärmequelle mit der größten verfügbaren niederwertigen Energie in thermische Kommunikation mit dem Kompressor geschaltet werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen erfolgt die thermische Kommunikation zwischen der ersten und der zweiten Wärmequelle und dem thermodynamischen Zyklussystem durch Leitfäh igkeitswärmeü bertragu ng.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Detektionsmittel ein oder mehrere Temperatursensoren. Genauer gesagt umfasst das Detektionsmittel mindestens einen Temperatursensor am Einlass des Kompressors, der zur Überwachung der Temperatur des in den Kompressor eintretenden Fluids dient, und einen weiteren Temperatursensor am Auslass jeder der ersten und zweiten Wärmequellen, die jeweils zur Überwachung der von der Wärmequelle verfügbaren Temperatur dienen.
  • In bestimmten Ausführungsformen sind die Detektionsmittel betätigbar mit den Steuermitteln verbunden, um die Temperaturen am Einlass des Kompressors und an jeder der ersten und zweiten Wärmequellen aufzuzeigen, und die Steuermittel sind so betätigbar, dass sie die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluid sowie zwischen der zweiten Wärmequelle und dem in den Kompressor eintretenden Fluidbestimmen.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuermittel betätigbar mit dem Detektionsmittel verbunden und kann mindestens ein Steuerventil so betätigen, dass eine der Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem geschaltet wird, wenn das Detektionsmittel die Temperaturdifferenz zwischen mindestens einer der folgenden Komponenten erfasst: der ersten schaltbaren Wärmequelle und dem thermodynamischen Zyklussystem und der zweiten schaltbaren Wärmequelle und dem thermodynamischen Zyklussystem.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Steuermittel mindestens einem Steuergerät, eine Steuereinheit oder ein Steuermodul.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Steuermittel eine programmierbare CPU (z.B. einer Programmable Electronic Control Unit (ECU) o.ä.).
  • In bestimmten Ausführungsformen wird die CPU mit einer Software programmiert, um die Methoden der Erfindung zu implementieren.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das thermodynamische Zyklussystem eine Wärmepumpe.
    In bestimmten Ausführungsformen umfasst das thermodynamische Zyklussystem ein erstes Einphasenfluidsystem mit mindestens einem Wärmetauscher, ein Mehrphasenfluidsystem in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher und mit mindestens einem dem Wärmetauscher nachgeschalteten Kompressor und einem dem Kompressor nachgeschaltenen zweiten Einphasenfluidsystem , das mindestens einen Wärmetauscher umfasst, wobei das erste Einphasenfluidsystem, das Mehrphasenfluidsystem und das zweite Einphasenfluidsystem nacheinander in thermischer Verbindung miteinander stehen.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das thermodynamische Zyklussystem ein Kühlmittelsystem mit mindestens einem Wärmetauscher, ein Kältemittelsystem, das in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher steht und mindestens einen dem Wärmetauscher nachgeschalteten Kompressor umfasst, und ein zweites Kühlmittelsystem, das dem Kompressor nachgeschaltet ist und mindestens einen Wärmetauscher umfasst, wobei das Kühlmittel- und das Kältemittelsystem nacheinander in thermischer Verbindung miteinander stehen.
  • Genauer gesagt, umfasst das thermodynamische Zyklussystem einen Kühlmittelkreislauf, der in Fluidverbindung mit einem als Verdampfer fungierenden Wärmetauscher steht, wobei der Wärmetauscher ferner in Fluidverbindung mit einem Kompressor in einem Kältemittelsystem steht, das einen Kältemittelkreislauf umfasst, wobei dieser Kreislauf einen als Kondensator fungierenden Wärmetauscher umfasst. Der Kondensator im Kältemittelkreislauf steht in thermischer Verbindung mit einem zweiten Kältemittelkreislauf, der seinerseits einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper aufweist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das thermodynamische Zyklussystem ein Umgebungslufteinheitensystem mit mindestens einem Wärmetauscher, ein Kältemittelsystem in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher und mit mindestens einem Kompressor stromabwärts des Wärmetauschers und ein Kühlmittelsystem stromabwärts des Kompressors und mit mindestens einem Wärmetauscher, wobei das Kühlmittel- und das Kältemittelsystem nacheinander in thermischer Verbindung miteinander stehen.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System der Raumlufterfassungseinheit mindestens einem Wärmetauscher, der ein Kondensator ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System der Raumlufterfassungseinheit mindestens einen Wärmetauscher, bei dem es sich um einen Verdampfer oder einen Entfeuchter handelt.
    In bestimmten Ausführungsformen umfasst das zweite Einphasenfluidsystem mindestens einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit dem Kühlkörper.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das dem Kompressor nachgeschaltete Kühlsystem mindestens einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit dem Kühlkörper.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das zweite Einphasenfluidsystem mindestens ein Ventil, das steuerbar ist, um den einphasigen Fluidstrom zu einem Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einem zweiten Kühlkörper zu schalten. Genauer gesagt, ist mindestens ein Dreiwegeventil steuerbar, um einen einphasigen Fluidstrom zu einem Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einem zweiten Kühlkörper zu schalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das dem Kompressor nachgeschaltete Kühlsystem mindestens ein Ventil, das steuerbar ist, um den Kühlmittelstrom zu einem Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einem zweiten Kühlkörper zu schalten. Genauer gesagt, ist mindestens ein Dreiwegeventil steuerbar, um einen einphasigen Fluidstrom zu einem Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einem zweiten Kühlkörper zu schalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der zweite Kühlkörper eine Traktionsbatterie.
  • In bestimmten Ausführungsformen steht der Wärmetauscher in thermischer Kommunikation mit dem zweiten Kühlkörper und in weiterer thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlkörper. Genauer gesagt, ist der Wärmetauscher, der in Fluidkommunikation mit dem ersten und dem zweiten Kühlkörper steht, ein Kondensator.
  • In bestimmten Ausführungsformen sind die schaltbaren Wärmequellen niederwertige Energiequellen.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das thermodynamische Zyklussystem betätigbar (angepasst, angeordnet), um die niederwertige Energie aus den schaltbaren Wärmequellen in eine höherwertige Energie umzuwandeln.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die niederwertige Energiequelle eine oder mehrere: eine Kraftübertragungseinheit, ein HVAC-Verdampfer oder Umgebungsluft.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der Kühlkörper einer von einer Passagierkabine und einer Traktionsbatterie.
  • In bestimmten Ausführungsformen stehen die niederwertige (n) Energiequelle(n) über einen Kühlmittelkreislauf in thermischer Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem.
  • In bestimmten Ausführungsformen steht die niederwertige Energiequelle in thermischer Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem über ein Steuerventil, das zur Auswahl der niederwertigen Energiequelle betätigt werden kann, die in Fluidverbindung mit dem thermodynamischen Zyklussystem steht.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist mindestens ein Regelventil ein Dreiwegeventil.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst mindestens ein Regelventil ein Expansionsventil, ein Dreiwegeventil und ein Absperrventil.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, das einen Motor und ein Wärmerückgewinnungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei der Kühlkörper von einem oder mehreren Passagierkabinen und der Traktionsbatterie ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird der Motor elektrochemisch angetrieben.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Rückgewinnung niederwertiger Wärmeenergie in einem Elektrofahrzeug vorgesehen, das Folgendes umfasst: Bereitstellung erster und zweiter schaltbarer niederwertiger Wärmequellen;
    Bereitstellung eines thermodynamischen Zyklussystems, das erste und zweite Fluide in thermischer Kommunikation mit jeder der ersten und zweiten schaltbaren niederwertiger Wärmequellen umfasst;
    Erfassung einer Temperaturdifferenz zwischen einem in den Kompressor eintretenden Fluid im thermodynamischen Zyklussystem und der von der ersten und der zweiten schaltbaren Wärmequelle verfügbaren Wärme,
    Schalten des ersten oder zweiten Fluids in thermische Kommunikation mit einer der schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit einem Kompressor im thermodynamischen Zyklussystem, wenn die Temperaturdifferenz so groß ist, dass der Kompressor beim Betrieb des Kompressors niederwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle in höherwertige Wärme umwandeln kann;
    Übertragung der höherwertigen Wärme an einen Kühlkörper.
  • In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Temperaturdifferenz mindestens 5 Kelvin. Auf diese Weise kann der Wärmequelle nützliche niederwertige Wärmeenergie entzogen und durch das System aufgewertet werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die Temperatur an der ersten oder zweiten schaltbaren Wärmequelle höher als in dem in den Kompressor eintretendem Fluid.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird Wärme, die über den thermisch gekoppelten Kältemittelkreislauf aus dem System der Umgebungslufterfassungseinheit und über den thermisch gekoppelten Kühlmittelkreislauf aus dem Antriebsstrang zurückgewonnenen wird, zuerst zur Beheizung des ersten Kühlkörpers (z. B. Passagierkabine) verwendet, wenn dann der erste Kühlkörper (z. B. Passagierkabine) das richtige Temperaturkomfortniveau erreicht hat, wird ein Proportionalventil eines zweiten Kühlkörpers (z. B. Traktionsbatterieheizung) geöffnet, um die verfügbare Wärme auf den ersten Kühlkörper (z. B. Passagierkabine) und teilweise auf den zweiten Kühlkörper (z. B. Traktionsbatterie) aufzuteilen.
  • In bestimmten Ausführungsformen gibt es mindestens zwei schaltbare Dreiwegeventile, die von den Steuermitteln gesteuert werden und so betätigt werden können, dass sie die Wärmeerfassung von der ersten auf die zweite schaltbare Wärmequelle umschalten und darüber hinaus die Verteilung des Wärmestroms von der niederwertigen ersten und zweiten Wärmequelle (z.B. Antriebsstrang und externe Umgebungsluft) zu den ersten und zweiten Kühlkörpern ermöglichen (z.B. Passagierkabine und Traktionsbatterie) über eine ausgewählte Kombination aus: einem Wärmepumpenkreislauf, der einen Wärmepumpenkondensator oder einen Verdampfer umfasst, der mit einem Kompressor und 3 Fluidübertragungskreisläufen (erster und zweiter Kühlmittelkreislauf und ein Kältemittelkreislauf) fluidgekoppelt ist. Genauer gesagt, kann die gewählte Kombination sein: ein erster Kühlmittelübertragungskreislauf, ein Kältemittelfluidübertragungskreislauf und ein zweiter Kühlmittelfluidübertragungskreislauf; ein Wärmekreislauf mit einem Wärmepumpenkondensator, der mit einem Kompressor und einem Kältemittelfluidübertragungskreislauf fluidgekoppelt ist, und einem zweiten Kühlmittelfluidübertragungskreislauf; ein Wärmekreislauf mit einem Verdampfer, der mit einem Kompressor und einem Kältemittelfluidübertragungskreislauf fluidgekoppelt ist, und einem zweiten Kühlmittelfluidübertragungskreislauf; oder ein erster Kühlmittelübertragungskreislauf, ein Kältemittelfluidübertragungskreislauf und ein zweiter Kühlmittelfluidübertragungskreislauf, die in thermischer Verbindung sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Kühlkörper stehen.
    In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Wärmepumpenkreislauf eine zweite Wärmequelle niederwertiger Energie (z.B. System mit Umgebungslufterfassungseinheit), die thermisch mit einem Wärmepumpenkondensator oder einem Verdampfer fluidgekoppelt ist, der mit einem Kompressor und dem Kältemittel-fluidübertragungskreislauf verbunden ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Wärmepumpenkreislauf eine zweite Wärmequelle niederwertiger Energie (z.B. System der Umgebungslufterfassungseinheit), die thermisch mit einem Wärmepumpenkondensator gekoppelt ist, dem mindestens ein Absperrventil und ein Expansionsventil zugeordnet sind, wobei der Wärmepumpenkondensator über einen Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpe (z.B. Kompressor) fluidgekoppelt ist, wenn das Expansionsventil an mindestens einem Absperrventil geöffnet ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Wärmepumpenkreislauf eine zweite Wärmequelle niederwertiger Energie (z.B. ein System von Raumlufteinheiten), die thermisch mit einem Verdampfer gekoppelt ist, dem mindestens ein Absperrventil zugeordnet ist, wobei der Verdampfer über einen Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpe (z.B. Kompressor) fluidgekoppelt ist, wenn mindestens ein Absperrventil geöffnet ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst der erste Fluidübertragungskreislauf mit niederwertiger Wärme einen Kühlmittelkreislauf in thermischer Kommunikation mit einer ersten niederwertigen Wärmequelle (z.B. einen Antriebsstrang, eine Batterie), eine Pumpe, die mit der ersten niederwertigen Wärmequelle verbunden ist und betrieben werden kann, um Kühlfluid im Kreislauf zu bewegen, ein schaltbares Dreiwegeventil, das in einer ersten Position betrieben werden kann, um niederwertige Energie an einen weiteren Wärmetauscher im ersten Fluidkreislauf stromaufwärts der niederwertigen Wärmequelle abzugeben, und in einer zweiten Position, um den Kühlkreislauf strömungstechnisch mit einem Wärmetauscher (z.B. einem Verdampfer oder Entfeuchter) und dem zweiten Fluidkreislauf zu verbinden.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst der zweite Übertragungsfluidkreislauf, in dem niederwertige Wärme in höherwertige Wärme umgewandelt wird, die Kältemittelseite des Wärmetauschers (z.B. einen Verdampfer oder einen Entfeuchter) des ersten Fluidkreislaufs, eine Wärmepumpe (z.B. einen Kompressor) und einen Wärmetauscher, der dem Kompressor nachgeschaltet und mit dem dritten Fluidkreislauf thermisch gekoppelt ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst der dritte Fluidübertragungskreislauf die Kühlmittelseite des Wärmetauschers des zweiten Fluidkreislaufs, der sich stromabwärts des Kompressors befindet, eine Pumpe, die betrieben werden kann, um Kühlfluid im Kreislauf zu bewegen, einen Wärmetauscher in thermischer Kommunikation mit einem ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine) und ein schaltbares Dreiwegeventil stromabwärts des Wärmetauschers in thermischer Verbindung mit einem ersten höherwertigen Kühlkörper, das in einer ersten Position betreibbar ist, um Kühlmittelfluid zur Kühlmittelseite des Wärmetauschers des zweiten Fluidkreislaufs zurückzuführen, und in einer zweiten Position, um einen Kühlmittelstrom zu einem weiteren Wärmetauscher (z.B. Kondensator) zu leiten, wobei Kühlmittel zwischen einem Kühlmittelrücklauf zur Kühlmittelseite des Wärmetauschers des zweiten Fluidkreislaufs und einem Kühlmittelkreislauf mit einem zweiten Kühlkörper (z.B. einer Traktionsbatterie) aufgeteilt wird.
  • Auf diese Weise wird, wenn sich das schaltbare Dreiwegeventil des ersten Fluidkreislaufs in der zweiten Stellung befindet, niederwertige Wärme vom ersten Fluidkreislauf über den Wärmetauscher (z.B. Verdampfer, Entfeuchter) in den zweiten Fluidkreislauf und dann vom zweiten Fluidkreislauf über den dem Kompressor nachgeschalteten Wärmetauscher (z.B. Kondensator), die Pumpe des zweiten Fluidkreislaufs (z.B. Kompressor) über den dritten Fluidkreislauf und den Wärmetauscher in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlkörper (z.B. Kondensator) zum ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine) und, wenn das schaltbare Dreiwegeventil des dritten Fluidkreislaufs in der zweiten Stellung ist, zum zweiten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Traktionsbatterie).
  • In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Kreisläufe und der Wärmepumpenkreislauf jeweils Verbindungsleitungen (z.B. Leitungen, Rohre), um die Komponenten der Kreisläufe strömungstechnisch zu verbinden.
  • In bestimmten Ausführungsformen weist das Wärmerückgewinnungssystem der vorliegenden Erfindung verschiedene Betriebsarten auf, bei denen niederwertige Wärmeenergie von einer der niederwertigen Energiequellen auf mindestens einen Kühlkörper übertragen wird.
  • In bestimmten Ausführungsformen übertragen die verschiedenen Betriebsarten Wärme von: dem Antriebsstrang zur Passagierkabine, vom System der Umgebungslufteinheit zur Passagierkabine, vom System der Umgebungslufteinheit zur Passagierkabine mit Entfeuchtung oder vom Antriebsstrang zur Traktionsbatterie (und zur Passagierkabine).
  • In bestimmten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass es in Abhängigkeit von der Nutzung des Fahrzeugs und der Umgebungstemperatur (z.B. Aufwärmung) zu Betriebsänderungen zwischen den verschiedenen Modi kommen kann.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird die niederwertige Wärmeenergie-rückgewinnung aus dem Elektrofahrzeug-Antriebsstrang und der äußeren Umgebungsluft (zweite Wärmequelle) nach einem Regelalgorithmus durch die mit den Komponenten des Systems funktionsfähig verbundenen Regelmitteln und in der Reihenfolge des thermodynamischen Entropiezustands der schaltbaren Wärmequellen schaltbar terminiert. Das Steuermittel kann eine oder mehrere Betriebsarten, Modus A, Modus B, Modus C, Modus D, im System der Erfindung auslösen.
  • Modus A
  • Niederwertige Wärmeenergie aus dem Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs wird an einen ersten Fluidübertragungskreislauf übertragen, der aus einem einphasigen Fluid (z.B. Kühlmittel) besteht. Dieses Fluid (z.B. Kühlmittel) wird über ein Dreiwegeventil zu einem Wärmetauscher (z.B. Verdampfer, Entfeuchter) geleitet. Niederwertige Wärme wird von dem einphasigen Fluid (z.B. Kühlmittel) zu einem mehrphasigen Fluid (z.B. Kältemittel) eines zweiten Fluidübertragungskreises innerhalb des Wärmetauschers (z.B. Verdampfer, Entfeuchter) ausgetauscht. Der Grad der Wärme wird dann über einen thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung einer Wärmepumpe mit einem Kompressor, der elektrische Energie benötigt, von niedrig auf hoch angehoben. Die von der Wärmepumpe (z.B. Kompressor) abgegebene höherwertige Wärme wird dann über ein Absperrventil im zweiten Fluidkreislauf mit Kältemittelfluid in einen Wärmetauscher (z.B. indirekter Kondensator) transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann an einen dritten Fluidübertragungskreislauf übertragen, in dem ein einphasiges Fluid (z.B. Kühlmittel) innerhalb des Wärmetauschers (z.B. indirekter Kondensator) verwendet wird. Diese höherwertige Wärme wird dann durch den einphasigen Fluidkreislauf (z.B. Kühlmittel) mittels einer Pumpe zu einem weiteren Wärmetauscher transportiert, wo sie an den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine) übertragen wird.
  • Modus B
  • Niederwertige Wärmeenergie aus der Umgebungsluft wird in einer Raumlufterfassungseinheit erfasst. Die niederwertige Wärme wird in einen Wärmekreislauf zurückgewonnen, der aus einem mehrphasigen Fluid (z.B. Kältemittel) und einem Wärmetauscher (z.B. Wärmepumpenkondensator) besteht. Die niederwertige Wärme wird in dem Wärmekreislauf über ein Absperrventil zu einem thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf transportiert, wobei eine Wärmepumpe mit einem Kompressor eingesetzt wird, der elektrische Energie benötigt, wobei die niederwertige Wärmeenergie zu höherwertiger Energie aufbereitet wird. Diese höherwertige Wärme wird dann in einem zweiten Fluidübertragungskreislauf über ein weiteres Absperrventil in einen Wärmetauscher (z.B. indirekten Kondensator) transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann an einen dritten Fluidübertragungskreislauf übertragen, in dem ein einphasiges Fluid (z.B. Kühlmittel) innerhalb des Wärmetauschers (z.B. indirekter Kondensator) verwendet wird. Diese höherwertige Wärme wird dann durch den einphasigen Fluidkreislauf (z.B. Kühlmittel) mittels einer Pumpe zu einem weiteren Wärmetauscher transportiert, wo sie an den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine) übertragen wird.
  • Modus C
  • Niederwertige Wärmeenergie aus der Umgebungsluft wird mit Hilfe einer Raumlufterfassungseinheit zurückgewonnen. Die niederwertige Wärme wird in einem Wärmekreislauf zurückgewonnen, der ein Mehrphasenfluid (z.B. Kältemittel) und einen Wärmetauscher (z.B. einen Verdampfer, einen Entfeuchter) umfasst. Die niederwertige Wärme wird in dem Wärmekreislauf über ein Absperrventil zu einem thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf transportiert, wobei eine Wärmepumpe mit einem Kompressor eingesetzt wird, der elektrische Energie benötigt, wobei die niederwertige Wärmeenergie zu höherwertiger Energie aufbereitet wird.
  • Diese höherwertige Wärme wird dann auf einen dritten Fluidübertragungskreislauf übertragen, in dem ein einphasiges Fluid (z.B. Kühlmittel) innerhalb des Wärmetauschers (z.B. indirekter Kondensator) verwendet wird. Diese höherwertige Wärme wird dann durch den einphasigen Fluidkreislauf (z.B. Kühlmittel) mittels einer Pumpe zu einem weiteren Wärmetauscher transportiert, wo sie an den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine) übertragen wird.
  • Modus D
  • Niederwertige Wärmeenergie aus dem Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs wird an einen ersten Fluidübertragungskreislauf übertragen, der aus einem einphasigen Fluid (z.B. Kühlmittel) besteht. Dieses Fluid (z.B. Kühlmittel) wird über ein Dreiwegeventil zu einem Wärmetauscher (z.B. Verdampfer, Entfeuchter) geleitet. Niederwertige Wärme wird von dem einphasigen Fluid (z.B. Kühlmittel) zu einem mehrphasigen Fluid (z.B. Kältemittel) eines zweiten Fluidübertragungskreislaufs innerhalb des Wärmetauschers (z.B. Verdampfer, Entfeuchter) ausgetauscht. Der Grad der Wärme wird dann über einen thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung einer Wärmepumpe mit einem Kompressor, der elektrische Energie benötigt, von niedrig auf hoch angehoben. Die von der Wärmepumpe (z.B. Kompressor) abgegebene höherwertige Wärme wird dann über ein Absperrventil im zweiten Fluidkreislauf mit Kältemittelfluid in einen Wärmetauscher (z.B. indirekter Kondensator) transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann auf einen dritten Fluidübertragungskreislauf mit einem einphasigen Fluid (z.B. Kühlmittel) innerhalb des Wärmetauschers (z.B. indirekter Kondensator) übertragen. Diese höherwertige Wärme wird dann durch das einphasige Fluid (z.B. Kühlmittel) im dritten Fluidübertragungskreislauf mittels einer Pumpe zu einem weiteren Wärmetauscher transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann durch den dritten einphasigen Fluidübertragungskreislauf (z.B. Kühlmittel) mittels einer Pumpe und über ein Dreiwegeventil zu einem weiteren Wärmetauscher transportiert, der in Fluidkommunikation mit dem weiteren Wärmetauscher steht. Die Wärme wird dann auf ein weiteres einphasiges Fluid (z.B. Kühlmittel) innerhalb des weiteren Wärmetauschers übertragen und über ein weiteres Dreiwegeventil, das mit einem Wärmetauscher verbunden ist, zu einem zweiten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Traktionsbatterie) transportiert.
  • In bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Planung der Wärmeübertragung aus verschiedenen schaltbaren niederwertigen Energiequellen über einen Regelalgorithmus, der in den und dargestellt ist.
  • Wenn hier auf „niederwertige Wärme“ verwiesen wird, handelt es sich um Energie/Wärme bei niedriger Temperatur und bei „höherwertiger Wärme“ um Energie/Wärme bei hoher Temperatur.
  • Ein „thermodynamischer Zykler“ umfasst einen oder mehrere der folgenden Bestandteile: einen Wärmepumpen-Kondensator, einen Wärmetauscher, einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Entfeuchter. Wie hier erwähnt, umfasst ein „thermodynamisches Zyklussystem“ ein System, bei dem eine Reihe von thermodynamischen Prozessen in einer Reihe von thermodynamischen Zyklen ein System in seinen thermodynamischen Ausgangszustand zurückführt.
  • Jeder das hier beschriebene Steuergerät oder die Steuergeräte kann/können in geeigneter Weise eine Steuereinheit oder ein Rechengerät mit einem oder mehreren elektronischen Prozessoren umfassen. Somit kann das System eine einzige Steuereinheit oder einen einzigen elektronischen Steuergerät umfassen, oder alternativ können verschiedene Funktionen des Steuergeräts durch verschiedene Steuereinheiten oder Steuergerät verkörpert oder in diesen untergebracht sein. Der hier verwendete Begriff „Steuergerät“ oder „Steuereinheit“ wird so verstanden, dass er sowohl eine einzelne Steuereinheit oder ein einzelnes Steuergerät als auch eine Vielzahl von Steuereinheiten oder Steuergerät umfasst, die gemeinsam arbeiten, um eine beliebige angegebene Steuerfunktionalität bereitzustellen. Zur Konfiguration eines Steuergeräts kann ein geeigneter Satz von Befehlen bereitgestellt werden, die bei ihrer Ausführung bewirken, dass die Steuereinheit oder das Rechengerät die hier spezifizierten Steuertechniken implementiert. Der Befehlssatz kann in geeigneter Weise in diesen einen oder mehreren elektronischen 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 erstes Steuergerät kann in Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird. Ein oder mehrere andere Steuergeräte können in Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren läuft, optional auf demselben oder denselben Prozessoren wie das erste Steuergerät. 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:
    • zeigt ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug nach einer Ausführungsform der Erfindung;
    • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug aus nach einer ersten (A) Betriebsart;
    • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug aus nach einer zweiten (B) Betriebsart;
    • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem für ein Elektrofahrzeug aus nach einer dritten (C) Betriebsart;
    • zeigt das Wärmefluss-Managementsystem für ein Elektrofahrzeug aus nach einer vierten (D) Betriebsart;
    • ist ein Flussdiagramm, das die zeitliche Planung der Wärmeübertragung von schaltbaren Wärmequellen zu einem Kühlkörper und die Wahl der Betriebsart für das Wärmerückgewinnungssystem des Elektrofahrzeugs gemäß einem Regelalgorithmus zeigt, mit dem die erste, zweite oder dritte Betriebsart des Systems ausgewählt werden kann;
    • ist ein Flussdiagramm, das die Planung der Wärmeübertragung von schaltbaren Wärmequellen zu einer Vielzahl von Kühlkörpern und die Modusauswahl für das Wärmerückgewinnungssystem des Elektrofahrzeugs gemäß einem Steuerungsalgorithmus zeigt, der zur Auswahl des vierten Betriebsmodus des Systems dient; und
    • zeigt ein Elektrofahrzeug, das das erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungssystem umfasst
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wo immer möglich, werden zur Darstellung ähnlicher Merkmale durchweg gleichartige Bezugszeichen verwendet.
  • Wie in dargestellt, besteht das Wärmerückgewinnungssystem 1 für ein Elektrofahrzeug (siehe 203 in ) aus einem Wärmepumpenkreislauf 6, der thermisch an drei Fluidübertragungskreisläufe 2, 4, 8/10) gekoppelt ist. 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 der das Fluid im Kreislauf fließen wird.
  • In umfasst der Kühlmittelkreislauf 2 eine niederwertige Energiequelle, einen Elektrofahrzeug-Antriebsstrang 65, der strömungstechnisch über den Ausgleichsammelbehälter 67 und der Pumpe 69 mit einem Dreiwegeventil 73 verbunden ist. Ein Temperatursensor 71 überwacht die Temperatur des Antriebsstrangs 65 und damit die vom Antriebsstrang 65 verfügbare niederwertige Energie. Ein Wärmetauscher 217, der in Fluidverbindung mit dem Antriebsstrang 65 steht, vervollständigt den Kühlmittelkreislauf. Im Betrieb, wenn das Dreiwegeventil 73 das Kühlmittel im Kreislauf 2 in Richtung „B/C“ zum Wärmetauscher 217 leitet, wird die niederwertige Energie aus dem Rest des Wärmerückgewinnungssystems 1 abgeführt. Wenn das Dreiwegeventil 73 das Kühlmittel im Kreislauf 2 in Richtung „A/D“ lenkt, steht der Kühlmittelkreislauf in thermischer Verbindung mit einem Kältemittelkreislauf 4 und/oder einem Wärmepumpenkreislauf 6. Die Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 2 sind durch Fluidleitungen 63 strömungstechnisch verbunden.
  • Der Kühlmittelkreislauf 2 mit niederwertiger Wärme steht in thermischer Kommunikation mit einer ersten niederwertigen Wärmequelle im Antriebsstrang 65 des Elektrofahrzeugs. Die dem Antriebsstrang 65 zugeordnete Pumpe 63 kann Kühlfluid im Kreislauf 2 bewegen, und das schaltbare Dreiwegeventil 73 kann in einer ersten Stellung betrieben werden, um niederwertige Energie an den Wärmetauscher 217 im Kühlmittelkreislauf 2 stromaufwärts des Antriebsstrangs 65 abzugeben, und in einer zweiten Stellung des Ventils 73 kann der Kühlmittelkreislauf 2 mit einem Verdampfer oder Entfeuchter 31 und einem zweiten Fluidkreislauf, dem Kältemittelkreislauf 4, verbunden werden.
  • Der Kältemittelfluidkreislauf 4, der zur Umwandlung der in das Wärmerückgewinnungssystem 1 eintretenden niederwertigen Wärme in höherwertige Wärme betreibbar ist, umfasst die Kältemittelseite des Verdampfers 31 des Kühlmittelkreislaufs 2, einen Kompressor 11 mit einem eigenen elektrischen Eingang „M“ und einen Kondensator 49 stromabwärts des Kompressors 11, der thermisch mit einem dritten Fluidkreislauf gekoppelt ist, wobei es sich um den Kühlmittelkreislauf 8/10 handelt. Das Absperrventil 47 befindet sich in der Kältemittelleitung 9a zwischen dem Kompressor 11 und dem Kondensator 49 und ist zur Steuerung des Kältemittelflusses im Kältemittelkreislauf 4 betreibbar. Der Temperatur- und Drucksensor 39 überwacht die Temperatur und den Druck des in den Kompressor 11 eintretenden Kältemittels. Der Sensor 13 misst die Temperatur und den Druck des Kältemittels, das den Kompressor 11 zum Ventil 47 und zur Kältemittelleitung 9a verlässt. Der Kältemittelkreislauf 4 führt vom Kondensator 49 über das Absperrventil 51 zu einem oder mehreren der folgenden: Verdampfer 31 (über das zugehörige Expansionsventil 29), Verdampfer 131 (über das zugehörige Expansionsventil 129). Die Kältemittelseite des Kondensators 49 ist weiterhin mit einem Wärmekreislauf 6 strömungstechnisch gekoppelt. Der Wärmekreislauf 6 ist thermisch mit einer zweiten niederwertigen Energiequelle gekoppelt, nämlich der Umgebungsluft 19 außerhalb des Fahrzeugs (nicht abgebildet). Der Wärmepumpenkondensator 17 ist thermisch mit der Umgebungsluft durch eine Umgebungslufterfassungseinheit 19 gekoppelt. Der Wärmepumpenkondensator 17 ist über Kältemittelleitungen (9b, 9c, 9d, 9e, 9f oder 9g, 9h) strömungstechnisch mit dem Kompressor 11 des Kältemittelkreislaufs 4 gekoppelt. Der Kältemitteldurchfluss wird unter der Leitung des Steuergeräts 20 geregelt, der die zugehörigen Ventile betätigt: Expansionsventil 21, Absperrventil 23, Absperrventil 41 und Absperrventil 15.
  • Der Wärmekreislauf 6 umfasst auch einen Verdampfer/Entfeuchter 25, der thermisch an eine zweite niederwertige Energiequelle gekoppelt ist, nämlich der Umgebungsluft 19 außerhalb des Fahrzeugs (nicht abgebildet). Der Verdampfer/Entfeuchter 25 ist über eine Umgebungslufterfassungseinheit 19 thermisch mit der Umgebungsluft gekoppelt. Der Verdampfer/Entfeuchter 25 ist über Kältemittelleitungen (9c, 9d, 9e) mit dem Kompressor 11 des Kältemittelkreislaufs 4 und zu dem Kondensator 49 des Kältemittelkreislaufs 4 über die zugehörigen Absperrventile 51 und 23 und der Kältemittelleitung 9j strömungstechnisch gekoppelt. Der Kältemitteldurchfluss wird unter der Leitung des Steuergeräts 20 gesteuert, der die zugehörigen Ventile betätigt.
  • System 1 umfasst ferner einen dritten Fluidübertragungskreislauf, der ein Kühlmittelkreislauf 8/10 ist, der die Kühlmittelseite des Kondensators 49 des Kältemittelkreislaufs 4 umfasst, der stromabwärts des Kompressors 11 liegt, eine Pumpe 55, die so betrieben werden kann, dass sie Kühlmittelfluide um den Kreislauf 8 bewegt, und einen Wärmetauscher 57 in thermischer Verbindung mit einem ersten höherwertigen Kühlkörper, der die Passagierkabine 59 ist. Die Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf 8 wird durch den Temperatursensor 53 gemessen. Die Kühlmittelleitung 30a verbindet den Wärmetauscher 57 strömungstechnisch mit einem Dreiwegeventil 61, das im Kühlmittelkreislauf 8 den Wärmetauscher 57 mit dem Kühlmittelrücklaufeinlass 249 des Kondensators 49 strömungstechnisch verbindet. Im Kühlmittelkreislauf 10 wird das Dreiwegeventil 61 unter der Steuerung des Steuergeräts 20 in eine zweite Stellung geschaltet, in der der Wärmetauscher 57 über die Leitung 30a und die Leitung 30c mit dem Wärmetauscher 149 in Fluidverbindung steht. Der Wärmetauscher 149 wiederum steht über die Leitung 30d mit dem Einlass 249 des Kondensators 49 und über die Leitung 30e mit einem weiteren Dreiwegeventil 161 in Fluidverbindung. Das Dreiwegeventil 161 kann in einer ersten Stellung betätigt werden, um den Wärmetauscher 149 über die Leitung 30f mit der Kühlmittelseite des Wärmetauschers 131 (dessen Kältemittelseite über das zugehörige Expansionsventil 129 Teil des Kältemittelkreislaufs 4 sein kann) und über die Leitungen 30g und 30j mit einem zweiten höherwertigen Kühlkörper, der Traktionsbatterie 159, strömungstechnisch zu verbinden. In seiner zweiten Stellung kann das Ventil 161 den Wärmetauscher 149 über die Leitungen 30e und 30h mit dem Wärmetauscher 151 strömungstechnisch verbinden, wobei der Wärmetauscher 151 über die Leitung 30j mit dem zweiten Kühlkörper, der eine Traktionsbatterie 159 ist, strömungstechnisch verbunden ist. Das Dreiwegeventil 61 ist so betätigbar, dass es unter des Steuergeräts 20 umschaltbar ist, um den Kühlmittelkreislauf 8 mit der Passagierkabine und die Kühlmittelkreisläufe 8 und 10 mit der Traktionsbatterie je nach Bedarf strömungstechnisch zu verbinden.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Kühlmittelkreisläufe 2, 8, 10 und Kältemittelkreislauf 4 sowie der Wärmepumpenkreislauf 6 jeweils Verbindungsleitungen (z.B. Leitungen, Rohre), um die Komponenten der Kreisläufe strömungstechnisch zu verbinden.
  • Das Steuergerät 20 dient zum Schalten eines oder mehrerer Ventile in den Kreisläufen 2, 4, 6, 8 und 10, um eine der niederwertigen Wärmequellen, d.h. Antriebsstrang 65 oder Umgebungsluft innerhalb der Umgebungslufterfassungseinheit 19 mit dem Kompressor 11 und den Kreisläufen 2, 4, 6, 8, 10 des thermodynamischen Zyklussystems thermisch zu verbinden.
  • Das Steuergerät 20, bei dem es sich um ein Steuergerät, eine Steuereinheit oder ein Modul wie eine programmierbare CPU handeln kann, kann das Wärmerückgewinnungssystem zwischen einer beliebigen von mehreren Betriebsarten umschalten. In den abgebildeten Ausführungsformen sind vier Modi dargestellt. Das Steuergerät 20 kann der Prozessor des zentralen Managementsystems des Fahrzeugs sein.
  • Das Steuergerät 20 ist funktionsfähig mit dem System 1 und dessen Komponenten verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die Verbindungen zwischen dem Steuergerät 20 und den Komponenten des Systems 1 nicht dargestellt.
  • Die niederwertige Wärmeenergierückgewinnung aus dem Elektrofahrzeug-Antriebsstrang 65 und der äußeren Umgebungsluft (zweite Wärmequelle) 19 wird durch das Steuergerät 20, der betriebsmäßig mit den Komponenten des Systems 1 verbunden ist, in der Reihenfolge des thermodynamisch entropischen Zustands der schaltbaren Wärmequellen 65, 19 schaltbar geplant.
  • zeigt einen Modus A, in dem niederwertige Wärmeenergie aus dem Antriebsstrang 65 des Elektrofahrzeugs in den Kühlmittelkreislauf 2 übertragen wird. Das Dreiwegeventil 73 leitet unter der Leitung vom Steuergerät 20, das Kühlmittel zum Verdampfer, Entfeuchter 31 in Richtung „A/D“. Niederwertige Wärme wird vom Kühlmittel zu einem Mehrphasenkältemittel im Kältemittelsystem 4 im Verdampfer/Entfeuchter 31 ausgetauscht. Das Kältemittel vom Verdampfer/Entfeuchter 31 passiert den Temperatur- und Drucksensor 33 und das Absperrventil 341 zum Akkumulator 37. Der Wärmegrad im Kältemittel wird dann über einen thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung des Kompressors 11, der elektrische Energie „M“ benötigt, von niedrig auf hoch angehoben. Die vom Kompressor 11 abgegebene höherwertige Wärme wird dann über ein Absperrventil 47 im Kältemittelkreislauf 4, der aus Kältemittelfluid besteht, in den indirekten Kondensator 49 transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann an den Kühlmittelkreislauf 8 im indirekten Kondensator 49 übertragen. Diese höherwertige Wärme wird dann durch das Kühlmittel mittels Pumpe 55 zu einem weiteren Wärmetauscher 57 transportiert, an dem sie an den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine 59) übertragen wird.
  • Im Betriebsmodus A umfasst der Wärmepumpenkreislauf 6, einen Wärmepumpenkondensator 17 und Verdampfer/Entfeuchter 25, die thermisch mit der Wärmequelle 19 (Umgebungsluft) gekoppelt sind, und der vom Kältemittelkreislauf 4 durch das Steuergerät 20 getrennt ist, der das Expansionsventil 21 und die Absperrventile 23, 41 und 15 schließt. Der Kühlmittelkreislauf 2 wird durch Betätigung des Ventils 73 mit dem Kältemittelkreislauf 4 gekoppelt, um das Kühlmittel im Kreislauf 2 mit dem Verdampfer 31 strömungstechnisch zu koppeln. Darüber hinaus schaltet das Steuergerät 20 das Dreiwegeventil 61, um den Wärmetauscher 57 mit dem indirekten Kondensator 49 durch die Kältemittelleitung 30b strömungstechnisch zu koppeln.
  • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem 1 im Betriebsmodus B. Im Modus B wird niederwertige Wärmeenergie aus der Umgebungsluft in einer Raumlufterfassungseinheit 19 aufgefangen. Die niederwertige Wärme wird in einen Wärmekreislauf 6 zurückgewonnen, der ein Kältemittel und einen Wärmepumpenkondensator 17 umfasst. Die niederwertige Wärme wird im Wärmekreislauf 6 über ein Absperrventil 41 zu einem thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung eines Kompressors 11 transportiert, der elektrische Energie „M“ benötigt, wobei die niederwertige Wärmeenergie zu höherwertiger Energie aufbereitet wird. Diese höherwertige Wärme wird dann im Kältemittelkreislauf 4 über ein weiteres Absperrventil 47 in den indirekten Kondensator 49 transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann in einem Kühlmittel innerhalb des indirekten Kondensators 49 an den Kühlmittelkreislauf 8 übertragen. Diese höherwertige Wärme wird dann durch das Kühlmittel mittels einer Pumpe 55 zu einem weiteren Wärmetauscher 57 transportiert, an dem sie an den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine 59) übertragen wird. Der Temperatur- und Drucksensor 53 überwacht die Temperatur und den Druck des Kühlmittels im Kreislauf 8. Das Dreiwegeventil 61 leitet unter der Leitung der Steuergeräts 20 das Kühlmittel vom Wärmetauscher 57 zum Wärmetauscher 49 in Richtung „A, B, C“ durch die Leitung 30b.
  • Im Betriebsmodus B ist der Wärmepumpenkreislauf 6 mit Verdampfer/Entfeuchter 25, die thermisch mit der Wärmequelle 19 (Umgebungsluft) gekoppelt sind, vom Kältemittelkreislauf 4 durch das Steuergerät 20, der das Absperrventil 23 schließt, getrennt. Das Kältemittel kehrt durch das Ventil 51 und das Expansionsventil 21, die beide durch das Steuergerät 20 geöffnet werden, zum Wärmepumpenkondensator zurück. Das Absperrventil 15 wird geschlossen, wodurch ein Rückfluss des Kältemittels zum Wärmepumpenkondensator durch dieses Ventil verhindert wird, und die Verdampfer 31 und 131 vom Kältemittelkreislauf durch Schließen der zugehörigen Ventile 29 bzw. 129 getrennt werden. Der Kühlmittelkreislauf 2 wird vom Kältemittelkreislauf 4 durch Betätigung von Ventil 73 isoliert, um den Antriebsstrang 65 mit dem Wärmetauscher 217 im Kühlmittel in Kreislauf 2 strömungstechnisch zu koppeln. Zusätzlich schaltet das Steuergerät 20 das Dreiwegeventil 61 um, um den Wärmetauscher 57 mit dem indirekten Kondensator 49 durch die Kältemittelleitung 30b strömungstechnisch zu koppeln.
  • Die Betriebsarten A und B können gleichzeitig betrieben werden, wenn das Steuergerät 20 sowohl das Expansionsventil 29, das der Kältemittelseite des Verdampfers 31 zugeordnet ist, als auch das Expansionsventil 21, das dem Kondensator 17 der Wärmepumpe zugeordnet ist, öffnet. Darüber hinaus verbindet in der kombinierten Betriebsart A/B das Dreiwegeventil 73 den Kühlmittelkreislauf 2 mit der Kühlmittelseite des Verdampfers 31 strömungstechnisch.
  • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem 1 im Betriebsmodus C. Im Modus C wird niederwertige Wärmeenergie aus der Umgebungsluft mit Hilfe einer Raumlufterfassungseinheit 19 zurückgewonnen. Die niederwertige Wärme wird in einen Wärmekreislauf 6 zurückgewonnen, der aus Kältemittel und einem Verdampfer/Entfeuchter besteht. Die niederwertige Wärme wird im Wärmekreislauf 6 über ein Absperrventil 341 zu einem thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf transportiert, der einen Kompressor 11 als Wärmepumpe verwendet. Der Kompressor 11 benötigt zugeführte elektrische Energie aus einer Quelle „M“. Die niederwertige Wärmeenergie wird durch den Kompressor 11 zu höherwertiger Energie veredelt.
  • Diese höherwertige Wärme wird dann im Kältemittelkreislauf 4 über ein weiteres Absperrventil 47 in den indirekten Kondensator 49 transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann über die Leitung 9a im indirekten Kondensator 49 an den Kühlmittelkreislauf 8 übertragen. Diese höherwertige Wärme wird dann durch das Kühlmittel mittels einer Pumpe 55 zu einem weiteren Wärmetauscher 57 transportiert, an dem sie auf den ersten höherwertigen Kühlkörper (z.B. Passagierkabine 59) übertragen wird. Der Temperatur- und Drucksensor 53 überwacht die Temperatur und den Druck des Kühlmittels im Kreislauf 8. Das Dreiwegeventil 61 leitet unter der Leitung des Steuergerät 20 das Kühlmittel vom Wärmetauscher 57 zum Wärmetauscher 49 in Richtung „A, B, C“ durch die Leitung 30b.
  • Das Steuergerät 20 kann zwischen Modus B und C umschalten, indem er das Ventil 23 öffnet und gleichzeitig das Expansionsventil 21 und das Absperrventil 41 im Wärmepumpenkreislauf 6 schließt.
  • Die Verdampfer 31 und 131 werden vom Kältemittelkreislauf 4 isoliert, indem die zugehörigen Ventile 29 und 129 geschlossen werden. Zusätzlich wird in der dargestellten Ausführungsform der Kühlmittelkreislauf 2 vom Kältemittelkreislauf 4 durch Betätigung des Ventils 73 isoliert, um den Antriebsstrang 65 mit dem Wärmetauscher 217 im Kühlmittel im Kreislauf 2 strömungstechnisch zu koppeln.
  • Der Verdampfer/Entfeuchter 25 kann die Feuchtigkeit aus der Luft und damit auch die latente Wärme in der Feuchtigkeit entfernen. Der Prozess der Entfeuchtung der Umgebungsluft im Verdampfer/Entfeuchter 25 erhöht die Kühlmitteltemperatur in Leitung 9c und sorgt für eine Vorkompressorerhöhung der Wärme, die in den Kompressor 11 der Energiequelle 19 eintritt.
  • Die Betriebsarten A und C können gleichzeitig betrieben werden, wenn das Steuergerät 20 sowohl das Expansionsventil 29 für die Kältemittelseite des Verdampfers 31 als auch das Absperrventil 23 für den Verdampfer, Entfeuchter 25, öffnet. Darüber hinaus verbindet in der kombinierten Betriebsart A,C das Dreiwegeventil 73 den Kühlmittelkreislauf 2 mit der Kühlmittelseite des Verdampfers 31 strömungstechnisch.
  • Es ist möglich, die Modi B und C zusammen zu betreiben, indem die Ventile 21 und 41 betätigt werden.
  • zeigt das Wärmerückgewinnungssystem 1 im Betriebsmodus D. Im Modus D wird, wie auch in Modus A und , niederwertige Wärmeenergie aus dem Elektrofahrzeug-Antriebsstrang 65 an ein Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 2 übertragen. Das Kühlmittel strömt vom Antriebsstrang 65 durch den Ausgleichssammelbehälter 67 und der Pumpe 69 zum Temperatursensor 71. Am Dreiwegeventil 73 wird das Kühlfluid zum Verdampfer 31 geleitet. In einem Kältemittelkreislauf 4 innerhalb des Verdampfers 31 wird niederwertige Wärme vom Kühlmittel durch ein Kältemittel ausgetauscht. Der Wärmegrad wird dann über einen thermodynamischen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung eines Kompressors 11, der elektrische Energie aus der Quelle „M“ benötigt, von niedrig auf hoch angehoben. Die vom Kompressor 11 abgegebene höherwertige Wärme wird dann über ein Absperrventil 47 in den indirekten Kondensator 49 transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann an einen Kühlmittelkreislauf 8 mit Kühlmittel im indirekten Kondensator 49 übertragen. Diese höherwertige Wärme wird dann durch das Kühlmittel im Kreislauf 8 mittels einer Pumpe 55 in einen weiteren Wärmetauscher 57 transportiert. Diese höherwertige Wärme wird dann vom Kühlmittel durch die Leitung 30a zu einem Dreiwegeventil 61 transportiert, an dem sie zu einem weiteren Wärmetauscher 149 geleitet wird, der in Fluidverbindung mit dem weiteren Wärmetauscher 57 steht. Die Wärme wird dann auf das Kühlmittel innerhalb eines Kühlmittelsystems 10 mit Wärmetauscher 149 übertragen und über ein weiteres Dreiwegeventil 161, das mit einem Verdampfer 131 verbunden ist, zum zweiten höherwertige Kühlkörper (z.B. Traktionsbatterie 159) transportiert. In seiner alternativen Position leitet das Dreiwegeventil 161 das Kühlmittel zum Wärmetauscher 151 und weiter zur Traktionsbatterie 159 und zum Ausdehnungssammler 167.
  • Im Modus D hat das Steuergerät 20 den Kühlkörper von der Passagierkabine 59 auf die Traktionsbatterie 159 umgeschaltet. Der Kühlmittelkreislauf 8 durch den Wärmetauscher 49 ist der Heizkreislauf der Passagierkabine 59 und der Kühlmittelkreislauf 10 durch den Wärmetauscher 149 ist der Batterieheizkreislauf. Die Kühlmittelkreisläufe 8 und 10 arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen, wobei die Temperatur im Heizungskreislauf 8 der Passagierkabine 8 typischerweise höher ist als im Batterieheizungskreislauf 10. Die Temperaturdifferenz kann z.B. in der Größenordnung von 50 bis 60 Grad Celsius liegen. In einem bestimmten Beispiel kann der Kühlmittelkreislauf 8 der Kabinenheizung etwa 80 Grad Celsius und der Batteriekühlmittelkreislauf 10 zwischen 20 und 30 Grad Celsius betragen.
  • In bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Planung der Wärmeübertragung aus verschiedenen schaltbaren niederwertigen Energiequellen über einen Regelalgorithmus, der in den und dargestellt ist. Der Regelalgorithmus ist der Entscheidungsfindungsprozess für das Wärmerückgewinnungssystem, und das Steuergerät arbeitet gemäß dem Regelalgorithmus auf der Grundlage unterschiedlicher Bedingungen der Fahrzeugnutzung und der Umgebungsbedingungen, um die Wärmerückgewinnung aus niederwertigen Energiequellen zu maximieren. Im Gegenzug optimiert die geringe Wärmerückgewinnung die Effizienz der Kabine und des Antriebsstrangs. Ein Ziel der niederwertigen Wärmerückgewinnung ist es, die Fahrzeugreichweite eines batterieelektrischen Fahrzeugs zu erhöhen.
  • Der Temperatursensor 39 am Einlass des Kompressors 11 in Kombination mit dem Temperatursensor 71 im Kühlmittelkreislauf 2 liefert dem Steuergerät 20 einen Temperaturmesswert. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Sensor 39 und 71 von mindestens 5 Kelvin besteht, kann das Wärmerückgewinnungssystem 1 in Modus A oder Modus D gehen.
  • Der Temperatursensor 39 am Einlass des Kompressors 11 in Kombination mit dem Temperatursensor T3 an der Umgebungslufterfassungseinheit 19 liefert dem Steuergerät 20 einen Temperaturmesswert. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Sensor 39 und T3 von mindestens 5 Kelvin besteht, kann das Wärmerückgewinnungssystem 1 in Modus B oder Modus C gehen.
  • Im Betrieb wird der Kondensator 17 der Wärmepumpe funktionsunfähig, wenn die bei T3 gemessene Temperatur -15 Grad Celsius oder weniger beträgt. Das Steuergerät 20 kann in einer solchen Situation Modus B ausschalten und entweder Modus A oder Modus D einschalten, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang des Kompressors am Sensor 39 und der Wärmequelle 19 am Sensor T3 nicht 5 Kelvin erreichen kann, da die Ansaugtemperaturschwelle für Kältemittel -20 Grad Celsius beträgt.
  • und zeigen den in das Steuergerät 20 programmierten Regelalgorithmus für die zeitliche Planung der Wärmeübertragung von den verschiedenen Wärmequellen im System 1 in den Modi A, B und C ( ) und Modus D ( ). Die Sensoren 33, 39, 53, 43, 71, T3, T7 und T8 im System 1 ( bis ) sind funktionell mit dem Steuergerät 20 verbunden, um die Temperatur- und Druckinformationen zu liefern, die zur Ausführung des in den und gezeigten Regelalgorithmus erforderlich sind.
  • zeigt ein Elektrofahrzeug 150, in dem sich das Wärmerückgewinnungssystem 1 aus befindet. Das zentrale Managementsystem (nicht dargestellt) des Fahrzeugs ist elektronisch mit dem Steuergerät 20 des Systems 1 verbunden, wobei das zentrale Managementsystem betriebsfähig mit dem Steuergerät 20 verbunden ist.
  • 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 zu Schätzen gewusst, dass Ausführungsformen 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 zu Schätzen gewusst, dass die Speichergeräte und Speichermedien Ausführungsformen eines maschinenlesbaren Speichers sind, die geeignet sind, ein Programm oder Programme zu speichern, die, wenn sie ausgeführt werden, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung implementieren. Dementsprechend stehen Ausführungsformen 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 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung elektronisch über ein beliebiges Medium, wie z.B. ein Kommunikationssignal, das über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung übertragen wird, übermittelt werden, und Ausführungsformen umfassen in geeigneter Weise diese.
  • 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmerückgewinnungssystem
    2
    Fluidübertragungskreislauf/ Einphasenfluidsystem
    4
    Fluidübertragungskreislauf/ Mehrphasenfluidsystem
    6
    Wärmepumpenkreislauf
    8
    Fluidübertragungskreislauf/Kühlmittelsystem
    10
    Fluidübertragungskreislauf/Kühlmittelsystem
    11
    Kompressor
    13
    Sensor
    15
    Absperrventil
    17
    Wärmepumpenkondensator
    19
    Raumlufterfassungseinheit/ zweite schaltbare Wärmequelle
    20
    Steuergerät
    21
    Expansionsventil
    23
    Absperrventil
    25
    Verdampfer/Entfeuchter
    29
    Expansionsventil
    30a
    Leitung
    31
    Verdampfer/Entfeuchter/Wärmetauscher
    33
    Temperatur- und Drucksensor
    37
    Akkumulator
    39
    Temperatursensor/Detektionsmittel
    41
    Absperrventil
    43
    Sensor
    47
    Absperrventil
    49
    Kondensator
    51
    Absperrventil
    53
    Temperatursensor
    55
    Pumpe
    57
    Wärmetauscher
    59
    Passagierkabine/Kühlkörper
    61
    Dreiwegeventil
    63
    Fluidleitungen
    65
    Antriebsstrang/erste schaltbare Wärmequelle
    67
    Ausgleichssammelbehälter
    69
    Pumpe
    71
    Temperatursensor/Detektionsmittel
    73
    Steuerventil
    129
    Expansionsventil
    131
    Wärmetauscher
    149
    Wärmetauscher
    150
    Elektrofahrzeug
    151
    Wärmetauscher
    159
    Traktionsbatterie/Kühlkörper
    161
    Dreiwegeventil
    167
    Ausdehnungssammler
    217
    Wärmetauscher
    T3
    Sensor/Detektionsmittel

Claims (14)

  1. Ein Wärmerückgewinnungssystem (1) für ein Elektrofahrzeug, mit einer ersten und einer zweiten schaltbaren Wärmequelle (65,19) und einem Steuergerät (20), die so betätigbar ist, dass selektiv eine der Wärmequellen in thermischer Kommunikation mit einem Kompressor (11) in einem thermodynamischen Zyklussystem geschaltet wird, wobei das thermodynamische Zyklussystem in thermischer Kommunikation mit einem Kühlkörper (59, 159) steht; und einem Detektionsmittel (39, 71, T3), der so betätigbar ist, dass eine Temperaturdifferenz zwischen jeder der schaltbaren Wärmequellen (65,19) und einem in den Kompressor eintretenden Fluid erfasst wird; wobei das Steuergerät (20) so betätigbar ist, dass eine der ersten und zweiten schaltbaren Wärmequellen (65,19) in thermischer Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem geschaltet werden, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid, das in den Kompressor (11) in dem thermodynamischen Zyklussystem eintritt, und der schaltbaren Wärmequelle erfasst wird, wobei der Kompressor (11) so betätigbar ist, dass niederwertige Wärme aus der umschaltbaren Wärmequelle beim Betrieb des Kompressors (11) auf eine höherwertige Wärme aufgewertet wird.
  2. Ein System nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite schaltbare Wärmequelle (65,19) jeweils in thermischer Kommunikation mit einem Fluid innerhalb des thermodynamischen Zyklussystems stehen und das Steuergerät (20) so betätigbar ist, dass mindestens ein Steuerventil (73, 41, 15, 21, 23, 29, 129) betätigt wird, das so betätigbar ist, dass das Fluid in thermischer Kommunikation mit einer der schaltbaren Wärmequellen selektiv umgeschaltet wird auf eine thermische Kommunikation mit dem Kompressor (11) in dem thermodynamischen Zyklussystem, wobei das Steuergerät (20) so betätigbar ist, dass mindestens ein Steuerventil betätigt wird, um eine der ersten und zweiten schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem zu schalten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen einem Fluid, das in den Kompressor (11) in dem thermodynamischen Zyklussystem eintritt, und der schaltbaren Wärmequelle erfasst wird, wobei die Temperaturdifferenz derart ist, dass der Kompressor (11) so betätigbar ist, dass niederwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle auf eine höherwertige Wärme beim Betrieb des Kompressors (11) aufgewertet wird.
  3. Ein System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Temperaturdifferenz mindestens 5 Kelvin beträgt.
  4. Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatur an der ersten (65) oder zweiten (19) schaltbaren Wärmequelle höher ist als in dem in den Kompressor (11) eintretenden Fluid.
  5. Ein System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Detektionsmittel (39, 71, T3) so konfiguriert ist, dass es eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten schaltbaren Wärmequelle (65) und dem in den Kompressor (11) eintretenden Fluid sowie zwischen der zweiten schaltbaren Wärmequelle (19) und dem in den Kompressor (11) eintretenden Fluid nacheinander überwacht.
  6. Ein System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Steuergerät (20) mit dem Detektionsmittel so betätigbar verbunden ist und betätigt werden kann, dass mindestens ein Steuerventil betätigt wird, um eine der Wärmequellen in thermische Kommunikation mit dem thermodynamischen Zyklussystem als Reaktion auf das Detektionsmittel zu schalten, das die Temperaturdifferenz zwischen mindestens einem von: der ersten schaltbaren Wärmequelle und dem thermodynamischen Zyklussystem und der zweiten schaltbaren Wärmequelle und dem thermodynamischen Zyklussystem erfasst.
  7. Ein System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Detektionsmittel einen oder mehrere Temperatursensoren (39, 71, T3) umfasst.
  8. Ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermodynamische Zyklussystem ein erstes Einphasenfluidsystem (2) mit mindestens einem Wärmetauscher (31), ein Mehrphasenfluidsystem (4) in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher (31) umfasst und mindestens einen Kompressor (11) stromabwärts des Wärmetauschers (31) und ein zweites Einphasenfluidsystem (8, 10) stromabwärts des Kompressors (11) und mindestens einen Wärmetauscher (49, 149) umfasst, wobei das erste Einphasen-(2), das Mehrphasenfluid (4) und das zweite Einphasenfluid (8, 10) Systeme sind, die nacheinander in thermischer Kommunikation miteinander stehen, wobei das thermodynamische Zyklussystem optional ein Kühlmittelsystem (2) mit mindestens einem Wärmetauscher (31), einem Kältemittelsystem (4) in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher und mit dem Kompressor (11) stromabwärts des Wärmetauschers und ein zweites Kühlmittelsystem (8, 10) stromabwärts des Kompressors (11) und mit mindestens einem Wärmetauscher umfasst, wobei die Kühlmittel- und Kältemittelsysteme nacheinander in thermischer Kommunikation miteinander stehen.
  9. Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das thermodynamische Zyklussystem eine Raumlufterfassungseinheit (19) mit mindestens einem Wärmetauscher , einem Kältemittelsystem in Fluidverbindung mit mindestens einem Wärmetauscher und mit dem Kompressor (11) stromabwärts des Wärmetauschers und einem Kühlmittelsystem (8) stromabwärts des Kompressors (11) und mit mindestens einem Wärmetauscher umfasst, wobei das Kühlmittel- und das Kältemittelsystem nacheinander in thermischer Kommunikation miteinander stehen, wobei das System (19) der Umgebungsluft-Auffangeinheit wahlweise mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der ein Kondensator ist, oder wobei das System der Raumlufterfassungseinheit (19) mindestens einen Wärmetauscher umfasst, der ein Verdampfer oder ein Entfeuchter (25) ist.
  10. Ein System nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das zweite einphasige Fluid oder das Kühlmittelsystem (8, 10) mindestens einen Wärmetauscher (57) in thermischer Kommunikation mit dem Kühlkörper (59) umfasst.
  11. Ein System nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das zweite einphasige Fluid oder das Kühlmittelsystem (8, 10) mindestens ein Ventil (61, 161) umfasst, das steuerbar ist, dass ein einphasiger Fluidstrom zu einem Wärmetauscher (149) in thermischer Kommunikation mit einem zweiten Kühlkörper (159) geschaltet wird, wobei der zweite Kühlkörper (159) wahlweise eine Traktionsbatterie ist, und wobei wahlweise der Wärmetauscher (149) in thermischer Kommunikation mit dem zweiten Kühlkörper (159) in weiterer thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlkörper (59) steht.
  12. Das System jedes vorhergehenden Anspruchs, wobei der Kühlkörper von einer Passagierkabine (59) und einer Traktionsbatterie (159) ist.
  13. Ein Fahrzeug, das einen Motor und ein Wärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst, wobei der Kühlkörper entweder einer oder mehrere von der Passagierkabine (59) undr der Traktionsbatterie (159) ist.
  14. Ein Verfahren zur Rückgewinnung niederwertiger Wärmeenergie in einem Elektrofahrzeug, umfassend Bereitstellung von erster und zweiter schaltbarer niederwertiger Wärmequellen; Bereitstellung eines thermodynamischen Zyklussystems, das erste und zweite Fluide in thermischer Kommunikation mit jeder der ersten und zweiten schaltbaren niederwertigen Wärmequellen umfasst; Erfassung einer Temperaturdifferenz zwischen einem Fluid, das in einen Kompressor (11) im thermodynamischen Zyklussystem eintritt, und der von der ersten und der zweiten schaltbaren Wärmequelle verfügbaren Wärme, Umschalten des ersten oder zweiten Fluids in thermischer Kommunikation mit einer der schaltbaren Wärmequellen in thermische Kommunikation mit einem Kompressor (11) im thermodynamischen Zyklussystem, wenn die Temperaturdifferenz so groß ist, dass der Kompressor (11) beim Betrieb des Kompressors (11) niederwertige Wärme von der schaltbaren Wärmequelle in höherwertige Wärme aufwerten kann; Übertragung der höherwertigen Wärme an einen Kühlkörper.
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