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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Wärmetauschersystem und eine Motoreinheit zur Verringerung der Wärmeverluste beim Wärmeaustausch.
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Stand der Technik
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Heutzutage sind Elektrofahrzeuge, die mit einem Elektromotor und einer Batterie (Sekundärbatterie) zur Stromversorgung des Elektromotors ausgestattet sind und durch den Antrieb des Elektromotors fahren, weit verbreitet und ersetzen Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsquelle.
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Bei einem solchen Elektrofahrzeug kann der Innenraum des Fahrzeugs nicht mit der vom Verbrennungsmotor erzeugten Wärme beheizt werden. Daher wird der Innenraum des Fahrzeugs durch die Erwärmung von Kältemittel beheizt, indem das Kältemittel in Umlauf gebracht wird, während es z. B. einer Kompression, einem Wärmeaustausch und einer Expansion unterzogen wird.
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Es besteht jedoch das Problem, dass das Umwälzen des Kältemittels auf die oben beschriebene Weise Strom verbraucht. Ein solcher Stromverbrauch verringert die Fahrreichweite des Fahrzeugs und ist daher nicht wünschenswert.
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Dementsprechend wird eine Technik entwickelt, nach der ein Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen Kältemittel und Kühlwasser zum Einstellen der Temperatur einer Batterie an einem Durchgang vorgesehen ist, in dem das Kältemittel zum Zirkulieren gebracht wird, wobei die Technik darin besteht, dass das Kältemittel unter Verwendung von Wärme erwärmt wird, die durch das Laden/Entladen der Batterie erzeugt wird, um dadurch die Energie zu reduzieren, die zum Erwärmen des Kältemittels verbraucht wird (
WO 2012/ 114 439 A1 ) .
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DE 10 2013 225 582 A1 offenbart ein Batteriesystem und ein Betriebsverfahren hierfür, wobei, um Funktionalität, Wirkungsgrad und Lebensdauer eines elektrischen Energiespeichers bzw. einer Fahrzeugkomponente zu verbessern, das Batteriesystem mindestens einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie und mindestens eine Auslöseeinrichtung zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher gespeicherter Wärmeenergie umfasst.
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WO 2014/ 103 234 A1 zeigt ein Kältekreislaufgerät mit einem Speicher, wobei Schwankungen in der erforderlichen Kältemittelmenge aufgefangen werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende Aufgaben
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Bei der in der
WO 2012/ 114 439 A1 offenbarten Technik wird jedoch möglicherweise Wärme von dem Durchgang, in dem das Kühlwasser zirkuliert, und dem Wärmetauscher, der Wärme zwischen dem Kühlwasser und dem Kältemittel austauscht, nach außen abgestrahlt, und die Technik lässt Raum für weitere Verbesserungen.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Umstände gemacht, und es ist eine Aufgabe, ein Fahrzeug-Wärmetauschersystem bereitzustellen, das in der Lage ist, Wärmeverluste zu reduzieren, indem die Abstrahlung von Wärme außerhalb eines Fahrzeugs von einem Kreislauf, in dem Kühlwasser zirkuliert, und einem Wärmetauscher, der Wärme zwischen dem Kühlwasser und dem Kältemittel austauscht, unterdrückt wird.
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Mittel zum Lösen der Aufgaben
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß Anspruch 1 und eine Motoreinheit gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Mit dem Fahrzeug-Wärmetauschersystem der vorliegenden Erfindung kann die Abstrahlung von Wärme nach außerhalb des Fahrzeugs aus dem Kreislauf, in dem das Kühlwasser zirkuliert, und dem Wärmetauscher, der Wärme zwischen dem Kühlwasser und dem Kältemittel austauscht, unterdrückt und der Wärmeverlust reduziert werden, und die von der Sekundärbatterie erzeugte Wärme kann effektiv genutzt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist ein schematisches Konfigurationsplan eines Fahrzeugs, das mit einem Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
- 2 ist ein Schaltplan des Fahrzeug-Wärmetauschersystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einem normalen Heizzyklus.
- 3 ist ein Schaltplan des Fahrzeug-Wärmetauschersystems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt der Nutzung der Restwärme einer Batterie.
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Modus zur Durchführung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf 1 zeigt 1 einen schematischen Konfigurationsplan eines Fahrzeugs 1, das mit einem Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
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Das Fahrzeug 1 ist ein Elektrofahrzeug, das sich durch den Antrieb eines Motors 11 fortbewegen kann. Dementsprechend ist das Fahrzeug 1 mit einer Motoreinheit 3 und einer Batterieeinheit 5 zur Energieversorgung der Motoreinheit 3 ausgestattet.
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Die Motoreinheit 3 umfasst den Motor 11 und einen Wechselrichter 13 und ist in der Lage, den Motor 11 anzutreiben, indem sie Gleichstrom, der von einer Batterie (einer Sekundärbatterie) 21 der Batterieeinheit 5 zugeführt wird, durch den Wechselrichter 13 beispielsweise in dreiphasigen Wechselstrom umwandelt. Die Batterieeinheit 5 umfasst die Batterie 21 und ein Gehäuse 23. Die Batterie 21 ist z. B. eine Sekundärbatterie, die Lithium-Ionen enthält. Das Gehäuse 23 ist ein Aluminiumgehäuse, das z. B. die Batterie 21 abdeckt, und zwischen dem Gehäuse 23 und der Batterie 21 ist ein thermischer Isolator vorgesehen.
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Das Fahrzeug 1 ist mit dem Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet, und das Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 umfasst ein Wärmepumpensystem 30, ein Klimagerät 9, die Motoreinheit 3 und die Batterieeinheit 5.
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Unter Bezugnahme auf 2 zeigt 2 einen Schaltplan des Fahrzeug-Wärmetauschersystems 7 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zeigt 2 den Zustand eines Kreislaufs, wenn sich das Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 in einem normalen Heizzyklus befindet.
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Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst der Kreislauf des Fahrzeug-Wärmetauschersystems 7 das Wärmepumpensystem 30, einen Batteriekühlkreislauf (einen Kühlwasserkreislauf) 50 und einen Kühlkreislauf 51 für die Motoreinheit. Durch das Wärmepumpensystem 30 soll Kältemittel zirkulieren. Das Wärmepumpensystem 30 umfasst einen äußeren Wärmetauscher (einen dritten Wärmetauscher) 31 und einen Kompressionskreislauf 33 und kann einen Heizkreislauf 36 und einen Kühlkreislauf 35 einschließlich des äußeren Wärmetauschers 31 und des Kompressionskreislaufs 33 bilden. Das Wärmepumpensystem 30 umfasst Ein-Aus-Ventile 32a, 32b, 32c, die das Umschalten eines Kältemittelstroms ermöglichen, und das Umschalten zwischen dem Heizkreislauf 36 und dem Kühlkreislauf 35 wird durch Öffnen oder Schließen der Ein-Aus-Ventile 32a, 32b, 32c je nach Bedarf ermöglicht.
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Der äußere Wärmetauscher 31 ist ein Wärmetauscher, der in der Lage ist, einen Wärmeaustausch zwischen der Luft außerhalb des Fahrzeugs 1 (Außenluft) und dem durch das Wärmepumpensystem 30 strömenden Kältemittel zu bewirken. Der äu-ßere Wärmetauscher 31 ist z. B. an einer Vorderseite des Fahrzeugs 1 angeordnet, um einen effizienten Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Wind zu ermöglichen, der durch die Fahrt des Fahrzeugs 1 oder den Antrieb eines Gebläses (nicht dargestellt), also durch strömende Luft, entsteht.
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Der Kompressionskreislauf 33 umfasst einen Speicher 33a und einen Kompressor 33b. Der Speicher 33a ist ein Abscheider, der aus dem verdampften Kältemittel das nicht vollständig verdampfte Kältemittel abscheidet. Der Kompressor 33b ist ein Kompressor, der arbeitet, um das verdampfte Kältemittel zu verdichten und in verflüssigtes Kältemittel zu verflüssigen und das Kältemittel zu erwärmen.
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Der Heizkreislauf 36 umfasst ein Dreiwegeventil 37, ein erstes Expansionsventil 36a, ein zweites Expansionsventil 36b, den äußeren Wärmetauscher 31, den Kompressionskreislauf 33 und einen Innenkondensator (einen ersten Wärmetauscher) 42 des Klimagerätes 9, die so miteinander verbunden sind, dass das Kältemittel durchströmen kann. Das erste Expansionsventil 36a und das zweite Expansionsventil 36b sind sogenannte Expansionsventile, die das durchströmende Kältemittel zum verdampften Kältemittel in Form von Nassdampf expandieren und das Kältemittel kühlen.
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Der Kühlkreislauf 35 weist das Dreiwegeventil 37, den äußeren Wärmetauscher 31, ein drittes Expansionsventil 35a, einen Verdampfer 46 des Klimagerätes 9 und den Kompressionskreislauf 33 auf, die so miteinander verbunden sind, dass das Kältemittel durchströmen kann. Wie das erste Expansionsventil 36a und das zweite Expansionsventil 36b ist das dritte Expansionsventil 35a ein sogenanntes Expansionsventil, das das durchströmende Kältemittel zum verdampften Kältemittel in Form von Nassdampf expandiert und das Kältemittel abkühlt.
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Das Klimagerät 9 ist eine Vorrichtung, die mit einem Gebläse 48 Luft in einen Innenraum des Fahrzeugs 1 bläst, und im Inneren des Klimageräts 9 sind der Innenkondensator 42, der Verdampfer 46 und eine Luftmischklappe 44 des Wärmepumpensystems 30 vorgesehen. Das Klimagerät 9 kann somit durch Schalten der Luftmischklappe 44 aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugte Luft durch den Innenkondensator 42 strömen lassen und einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft durch den Innenkondensator 42 bewirken und den Fahrzeuginnenraum erwärmen, indem erwärmte Luft in den Fahrzeuginnenraum geleitet wird. Ferner kann das Klimagerät 9 die aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugte Luft durch den Verdampfer 46 strömen lassen und einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft durch den Verdampfer 46 bewirken und den Fahrzeuginnenraum kühlen, indem gekühlte Luft in den Fahrzeuginnenraum geleitet wird.
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Der Batteriekühlkreislauf 50 ist ein Kühlkreislauf, der in der Batterieeinheit 5 vorgesehen ist. Der Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit, der sich in der Motoreinheit 3 befindet, ist mit dem Batteriekühlkreislauf 50 in Parallelschaltung verbunden. Außerdem ist an einem Verzweigungspunkt, an dem der Batteriekühlkreislauf 50 und der Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit verbunden sind, ein Schaltventil 55 vorgesehen.
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Das Schaltventil 55 kann die Zirkulation des Kühlwassers auf der Seite der Batterie 21 bewirken, indem es auf der Seite des Batteriekühlkreislaufs 50 geöffnet wird, und es kann die Zirkulation des Kühlwassers auf der Seite der Motoreinheit 3 bewirken, indem es auf der Seite des Kühlkreislaufs 51 der Motoreinheit geöffnet wird, oder es kann geöffnet werden, um die Zirkulation des Kühlwassers auf beiden Seiten zu bewirken.
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Ein Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher (ein zweiter Wärmetauscher) 61 ist zwischen dem Wärmepumpensystem 30 und dem Batteriekühlkreislauf 50 in einer Weise vorgesehen, die einen Teil des Wärmepumpensystems 30 stromabwärts des Innenkondensators 42 und einen Teil des Batteriekühlkreislaufs 50 umfasst.
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Der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 ist ein Wärmetauscher, der in der Lage ist, Wärme zwischen dem Kältemittel, das durch das Wärmepumpensystem 30 fließt, und dem Kühlwasser, das durch den Batteriekühlkreislauf 50 und den Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit fließt, auszutauschen. Die Temperatur der Batterie 21 kann so eingestellt werden, indem das Kühlwasser zwischen der Batterie 21 und dem Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 zirkuliert. Der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 ist im Inneren des Gehäuses 23 der Batterieeinheit 5 angeordnet.
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Im Folgenden wird der Betrieb des in der oben beschriebenen Weise konfigurierten Fahrzeug-Wärmetauschersystems 7 beschrieben.
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<Kühlung>
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Zum Zeitpunkt der Kühlung, d.h. wenn sich das Wärmepumpensystem 30 in einem Kühlzyklus befindet, wird durch Schlie-ßen der Ein-Aus-Ventile 32a, 32c und Öffnen des Ein-Aus-Ventils 32b der Kühlkreislauf 35 gebildet und somit der Innenraum des Fahrzeugs wie oben beschrieben durch den Verdampfer 46 gekühlt.
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<Normales Heizen>
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Zum Zeitpunkt des normalen Heizens, d.h. wenn sich das Wärmepumpensystem 30 in einem normalen Heizzyklus befindet, wird der Heizkreislauf 36 durch Schließen der Ein-Aus-Ventile 32a, 32b und Öffnen des Ein-Aus-Ventils 32c gebildet, wie in 2 dargestellt. Dann wird das Dreiwegeventil 37 geöffnet, so dass das verflüssigte Kältemittel vom Innenkondensator 42 zum äußeren Wärmetauscher 31 fließen kann.
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So entspannt im Heizkreislauf 36 das erste Expansionsventil 36a das verflüssigte Kältemittel in das verdampfte Kältemittel und kühlt das Kältemittel ab, und der äußere Wärmetauscher 31 erwärmt das verdampfte Kältemittel durch Aufnahme von Wärme aus der Außenluft. Anschließend verdichtet der Kompressionskreislauf 33 im Heizkreislauf 36 das verdampfte Kältemittel in das verflüssigte Kältemittel und erwärmt das Kältemittel, der Innenkondensator 42 erwärmt die Luft, indem er einen Wärmeaustausch zwischen dem verflüssigten Kältemittel und der Luft im Innenraum des Fahrzeugs bewirkt, und das verflüssigte Kältemittel wird wieder durch das erste Expansionsventil 36a geleitet. Der Innenraum des Fahrzeugs wird normalerweise durch wiederholten Wärmeaustausch mit dem Kältemittel auf die oben beschriebene Weise erwärmt.
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<Restwärme verwenden>
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Das Fahrzeug 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Elektrofahrzeug, und daher muss die Batterie 21 vor der Fahrt geladen werden. Es ist z.B. denkbar, dass das Fahrzeug 1 an ein Ladegerät 70 angeschlossen ist und während des Abstellens nach der Fahrt geladen wird, um die nächste Fahrt vorzubereiten. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Batterie 21 durch den Ladevorgang Wärme. Die Batterie 21 ist jedoch durch das Gehäuse 23 abgedeckt, und die Wärme der Batterieeinheit 5 (Restwärme der Batterie) kann nicht ohne weiteres abgeführt werden. Das Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 ist in der Lage, diese Restwärme der Batterie zu nutzen, um das Fahrzeug 1 zum Zeitpunkt des Fahrtbeginns zu beheizen.
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Unter Bezugnahme auf 3 zeigt 3 einen Zustand des Kreislaufs, wenn das Wärmepumpensystem 30 die Restwärme der Batterie nutzt. Zum Zeitpunkt der Nutzung der Restwärme der Batterie wird der Heizkreislauf 36 durch Schließen aller Ein-Aus-Ventile 32a, 32b, 32c und Öffnen des Dreiwegeventils 37 gebildet, so dass das verflüssigte Kältemittel vom Innenkondensator 42 zum zweiten Expansionsventil 36b fließen kann.
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In diesem Fall expandiert das zweite Expansionsventil 36b im Heizkreislauf 36 das verflüssigte Kältemittel zum verdampften Kältemittel und kühlt das Kältemittel ab, und das verdampfte Kältemittel wird zum Durchströmen des Wasser-Kältemittel-Wärmetauschers 61 veranlasst.
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Zum Zeitpunkt der Nutzung der Restwärme der Batterie wird das Schaltventil 55 auf der Seite des Batteriekühlkreislaufs 50 auf offen geschaltet, und das Kühlwasser wird so veranlasst, auf der Seite der Batterie 21 zu zirkulieren. Das durch den Batteriekühlkreislauf 50 fließende Kühlwasser wird somit durch die von der Batterie 21 erzeugte Wärme erwärmt, und die Temperatur des Kühlwassers wird erhöht.
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Dann wird durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 Wärme zwischen dem Kühlwasser mit der erhöhten Temperatur, das durch den Batteriekühlkreislauf 50 fließt, und dem Kältemittel, das im Wärmepumpensystem 30 fließt, ausgetauscht. Das heißt, das gekühlte, verdampfte Kältemittel, das in den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 strömt, wird durch Aufnahme von Wärme aus dem Kühlwasser mit der erhöhten Temperatur, das durch den Batteriekühlkreislauf 50 strömt, erwärmt. Andererseits wird das durch den Batteriekühlkreislauf 50 fließende Kühlwasser gekühlt, und die Batterie 21 wird dadurch gekühlt. Anschließend wird das Kältemittel wie bei der normalen Heizung durch den Kompressionskreislauf 33 erwärmt, erwärmt die Luft im Fahrzeuginnenraum durch Wärmeaustausch mit der Luft über den Innenkondensator 42 und strömt wieder zum zweiten Expansionsventil 36b. Auf diese Weise kann zum Zeitpunkt der Nutzung der Restwärme der Batterie der Innenraum des Fahrzeugs effektiv mit der Restwärme der Batterie beheizt werden.
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Außerdem erzeugen der Motor 11 und der Umrichter 13 der Motoreinheit 3 auch während der Fahrt des Fahrzeugs 1 Wärme, und die Batterie 21 erzeugt ebenfalls Wärme, indem sie durch den regenerativen Betrieb des Motors 11 geladen wird. Dementsprechend kann die von der Motoreinheit 3 erzeugte Wärme zur Beheizung des Fahrzeugs 1 auch zu anderen Zeiten als dem Fahrtbeginn des Fahrzeugs 1 genutzt werden.
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In diesem Fall wird das Schaltventil 55 in Abhängigkeit von der Temperatur und dergleichen der Motoreinheit 3 und der Batterieeinheit 5 so geschaltet, dass es nur auf der Seite des Kühlkreislaufs 51 der Motoreinheit oder auf der Seite des Batteriekühlkreislaufs 50 und der Seite des Kühlkreislaufs 51 der Motoreinheit geöffnet ist, und bewirkt, dass das Kühlwasser zum Motor 11 und zum Umrichter 13 fließt oder durch den Motor 11 und den Umrichter 13 und auf der Seite der Batterie 21 zirkuliert. Das durch den Batteriekühlkreislauf 50 fließende Kühlwasser wird dadurch durch die vom Motor 11, dem Wechselrichter 13 und der Batterie 21 erzeugte Wärme erwärmt, und seine Temperatur wird erhöht.
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Dann wird durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 Wärme zwischen dem Kühlwasser mit der erhöhten Temperatur, das durch den Batteriekühlkreislauf 50 und den Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit fließt, und dem Kältemittel, das im Inneren des Wärmepumpensystems 30 fließt, ausgetauscht, und das gekühlte, verdampfte Kältemittel, das in den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 fließt, wird durch die Aufnahme von Wärme aus dem Kühlwasser mit der erhöhten Temperatur, das durch den Batteriekühlkreislauf 50 und den Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit fließt, erwärmt. Andererseits wird das durch den Batteriekühlkreislauf 50 und den Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit fließende Kühlwasser gekühlt, und die Batterie 21, der Motor 11 und der Umrichter 13 werden gekühlt. Auf diese Weise kann auch während der Fahrt des Fahrzeugs 1 der Innenraum des Fahrzeugs unter Nutzung der Restwärme der Motoreinheit 3 und der Batterieeinheit 5 effektiv beheizt werden.
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Wie oben beschrieben, ist das Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 in der Lage, die Restwärme der Batterieeinheit 5 und der Motoreinheit 3 effizient und effektiv zu nutzen, indem es die Wärme zwischen dem im Wärmepumpensystem 30 fließenden Kältemittel und dem durch den Batteriekühlkreislauf 50 und den Kühlkreislauf 51 der Motoreinheit fließenden Kühlwasser unter Verwendung des Wasser-Kältemittel-Wärmetauschers 61 austauscht, und es ist auch in der Lage, eine Überhitzung der Batterie 21, des Motors 11 und des Wechselrichters 13 in geeigneter Weise zu verhindern.
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Wie oben beschrieben, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 innerhalb des Gehäuses 23 der Batterieeinheit 5 angeordnet. Der Batteriekühlkreislauf 50 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 23 der Batterieeinheit 5 angeordnet. Dementsprechend kann die Wärme direkt zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser, das durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 und den Batteriekühlkreislauf 50 fließt, ausgetauscht werden, ohne dass das Kühlwasser durch die Außenluft gekühlt wird.
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Im Folgenden werden der Betrieb und die Auswirkungen eines Falles beschrieben, bei dem der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 innerhalb des Gehäuses 23 der Batterieeinheit 5 angeordnet ist. Außerdem sind die Temperaturen in der folgenden Beschreibung lediglich Beispiele.
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Es wird zum Beispiel ein Fall angenommen, in dem das Fahrzeug 1 in einer kalten Region, in der die Außenluft -20° C beträgt, abgestellt und über einen längeren Zeitraum (z.B. 7 Stunden) durch das Ladegerät 70 aufgeladen wird. In diesem Fall wird die Luft im Innenraum des Fahrzeugs durch die Au-ßenluft auf -20° C gekühlt. In dieser Zeit werden auch das Wärmepumpensystem 30 und die Motoreinheit 3 durch die Außenluft auf -20° C gekühlt. Die Batterieeinheit 5 erzeugt jedoch Wärme, indem sie durch das Ladegerät 70 geladen wird, und ihre Temperatur ist höher als die der Außenluft (z.B. 27° C).
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In einem Fall, in dem die Temperatur des Fahrzeuginnenraums wie im oben beschriebenen Fall unter den Gefrierpunkt fällt, heizt ein Fahrer möglicherweise den Fahrzeuginnenraum auf, bevor er einsteigt und das Fahrzeug 1 in Bewegung setzt. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Innenraum des Fahrzeugs durch die normale Heizung des Fahrzeug-Wärmetauschersystems 7 beheizt werden soll, kann die Temperatur des Innenkondensators 42 aufgrund eines geringen Temperaturunterschieds (z.B. 8° C) zwischen dem Kältemittel im äußeren Wärmetauscher 31 und der Außenluft möglicherweise nicht effizient erhöht werden, und das Aufheizen des Fahrzeuginnenraums kann einige Zeit dauern.
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Wenn andererseits der Innenraum des Fahrzeugs mit der Restwärme der Batterie beheizt wird, ist der Temperaturunterschied zwischen dem Kältemittel im Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 und dem Kühlwasser groß (z.B. 55° C), so dass die Temperatur des Innenkondensators 42 effizient erhöht und der Innenraum des Fahrzeugs schnell beheizt werden kann.
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Angenommen, der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 ist außerhalb des Gehäuses 23 angeordnet, so wird der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 durch die Außenluft gekühlt und seine Temperatur fällt auf -20° C, und das Kühlwasser wird durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 gekühlt. Daher kann durch die Anordnung des Wasser-Kältemittel-Wärmetauschers 61 innerhalb des Gehäuses 23 verhindert werden, dass das Kühlwasser durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 gekühlt wird.
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Da das zweite Expansionsventil 36b außerhalb des Gehäuses 23 angeordnet ist, wird das Kältemittel außerdem durch das zweite Expansionsventil 36b entspannt und abgekühlt, bevor es in die Batterieeinheit 5 strömt. Dementsprechend kann der Temperaturunterschied zwischen dem Kältemittel und der Außenluft von dem Zeitpunkt, an dem das Kältemittel das zweite Expansionsventil 36b verlässt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Kältemittel in die Batterieeinheit 5 strömt, gering gehalten werden, selbst in einem Fall, in dem z.B. die Temperatur der Außenluft (z.B. -20° C) niedriger ist als die Temperatur des Kältemittels, nachdem das Kältemittel aufgrund der kontinuierlichen Erwärmung des Fahrzeuginnenraums in seiner Temperatur erhöht wurde (z.B. auf -11° C oder höher) und dann durch das zweite Expansionsventil 36b entspannt und abgekühlt wird (z.B. auf -19° C). Die Wärme des Kältemittels kann so nicht ohne weiteres von der Außenluft abgeführt werden.
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Wie oben beschrieben, umfasst das Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß der vorliegenden Erfindung den Innenkondensator 42, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1 zu bewirken, den Heizkreislauf 36, um zu bewirken, dass das Kältemittel mit einer Temperatur, die höher ist als die der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1, durch den Innenkondensator 42 zirkuliert, die Batterie 21, in der das Laden und Entladen von Energie durchgeführt wird, den Batteriekühlkreislauf 50, um zu bewirken, dass das Kühlwasser, das Wärme mit der Batterie 21 austauscht, zirkuliert, den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61, um zu bewirken, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser ausgetauscht wird, wobei der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 in einer Weise vorgesehen ist, die einen Abschnitt des Heizkreislaufs 36 stromabwärts des Innenraumkondensators 42 und einen Abschnitt des Batteriekühlkreislaufs 50 umfasst, und das Gehäuse 23, um die Batterie 21, den Batteriekühlkreislauf 50 und den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 abzudecken.
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Da der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61, der den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser bewirkt, zusammen mit der Batterie 21 und dem Batteriekühlkreislauf 50 durch das Gehäuse 23 abgedeckt ist, kann verhindert werden, dass die Wärme des Kühlwassers am Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 und dem Batteriekühlkreislauf 50 durch die Außenluft abgeführt wird. Dadurch kann der Wärmeverlust reduziert und die von der Batterie 21 erzeugte Wärme effektiv genutzt werden.
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Es sind auch der äußere Wärmetauscher 31, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft außerhalb des Fahrzeugs 1 zu bewirken, und der Kompressor 33b vorgesehen, um das vom äußeren Wärmetauscher 31 strömende Kältemittel zu verdichten und das Kältemittel durch den Innenkondensator 42 strömen zu lassen. Der Heizkreislauf 36 ist ein Wärmeaustauschkreislauf, bei dem der äußere Wärmetauscher 31 einen Wärmetausch zwischen dem aus dem Innenkondensator 42 strömenden Kältemittel und der Luft außerhalb des Fahrzeugs 1 bewirkt, und dann komprimiert der Kompressor 33b das aus dem äußeren Wärmetauscher 31 strömende Kältemittel und bewirkt, dass das Kältemittel durch den Innenkondensator 42 strömt, und der äußere Wärmetauscher 31 ist parallel mit dem Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 verbunden.
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Dementsprechend wird das Kältemittel, das durch den Kompressor 33b auf eine höhere Temperatur als die der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1 verdichtet wird, dem Innenkondensator 42 zugeführt, um durch die Luft im Innenraum des Fahrzeugs gekühlt zu werden, und dann kann das Dreiwegeventil 37 selektiv umgeschaltet werden, damit das Kältemittel durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 fließt, um Wärme mit dem Kühlwasser im Batteriekühlkreislauf 50 auszutauschen, oder durch den äußeren Wärmetauscher 31 fließt, um Wärme mit der Luft außerhalb des Fahrzeugs 1 auszutauschen.
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Des Weiteren ist das zweite Expansionsventil 36b vorgesehen, um das vom Innenkondensator 42 zum Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 fließende Kältemittel zu entspannen, wobei das zweite Expansionsventil 36b außerhalb des Gehäuses 23 angeordnet ist. Dementsprechend wird das Kältemittel durch das zweite Expansionsventil 36b expandiert und gekühlt und dann veranlasst, durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 zu strömen, wodurch verhindert werden kann, dass die Wärme des Kältemittels von der Außenluft abgeführt wird.
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Darüber hinaus ist auch die Motoreinheit 3 enthalten, die durch Strom angetrieben wird, der von der Batterie 21 geliefert wird. Der Batteriekühlkreislauf 50 umfasst das Schaltventil 55, und das Schaltventil 55 wird geöffnet, damit das Kühlwasser zumindest auf der Seite der Batterie 21 oder der Motoreinheit 3 zirkuliert.
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Dementsprechend kann z.B. in einem Fall, in dem durch die Motoreinheit 3 Wärme erzeugt wird, weil das Fahrzeug 1 fährt, bevor das Wärmepumpensystem 30 und die Batterieeinheit 5 ausreichend erwärmt sind und dergleichen, und die Temperatur der Motoreinheit 3 höher wird als die Temperaturen des Wärmepumpensystems 30 und der Batterieeinheit 5, das Schaltventil 55 geschaltet werden, um zu bewirken, dass das Kühlwasser auf der Seite der Motoreinheit 3 zirkuliert, um das Kühlwasser zu erwärmen, und das Kühlwasser und das Kältemittel können dadurch erwünschter erwärmt werden.
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Darüber hinaus wird die Motoreinheit 3 in dem Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 verwendet, das den Innenkondensator 42, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1 zu bewirken, den Heizkreislauf 36, um das Kältemittel mit einer höheren Temperatur als die der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1 durch den Innenkondensator 42 zirkulieren zu lassen und die Batterie 21 umfasst, in der das Laden und Entladen von Energie durchgeführt wird, wobei das Fahrzeug-Wärmetauschersystem 7 das Gehäuse 23 und das Schaltventil 55 umfasst, wobei das Gehäuse 23 dazu dient, den Batteriekühlkreislauf 50 abzudecken, um zu bewirken, dass das Kühlwasser zirkuliert, das Wärme mit der Batterie 21 austauscht, und den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61, um zu bewirken, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser ausgetauscht wird, wobei der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 in einer Weise vorgesehen ist, die einen Teil des Heizkreislaufs 36 stromabwärts des Innenkondensators 42 und einen Teil des Batteriekühlkreislaufs 50 umfasst, wobei das Schaltventil 55 geöffnet wird, um zu bewirken, dass das Kühlwasser zumindest auf der Seite der Batterie 21 oder der Seite der Motoreinheit 3 zirkuliert, und die Motoreinheit 3 das Kühlwasser, das durch die Motoreinheit 3 zirkuliert wird, durch Öffnen des Schaltventils 55 erwärmt und bewirkt, dass das Kühlwasser durch den Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher 61 zirkuliert wird.
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Dementsprechend kann z.B. in einem Fall, in dem durch die Motoreinheit 3 Wärme erzeugt wird, weil das Fahrzeug 1 fährt, bevor das Wärmepumpensystem 30 und die Batterieeinheit 5 ausreichend erwärmt sind und dergleichen, und die Temperatur der Motoreinheit 3 höher wird als die Temperaturen des Wärmepumpensystems 30 und der Batterieeinheit 5, das Schaltventil 55 geschaltet werden, um zu bewirken, dass das Kühlwasser auf der Seite der Motoreinheit 3 zirkuliert, um das Kühlwasser zu erwärmen, und die Motoreinheit kann dadurch das Kühlwasser und das Kältemittel erwünschter erwärmen.
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Das Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß der vorliegenden Erfindung wurde oben beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann im Rahmen der Erfindung geändert werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Heizkreislauf 36 beispielsweise als Teil des Wärmepumpensystems 30 mit dem Kompressor 33b und dem äußeren Wärmetauscher 31 beschrieben, aber der Heizkreislauf kann das Kältemittel alternativ auch mit einer Mantelheizung erwärmen.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das Wärmepumpensystem 30 unter Bezugnahme auf die Kreisläufe in 2 und 3 beschrieben, aber das Wärmepumpensystem 30 kann auch andere Kreislaufkonfigurationen aufweisen, solange der Innenkondensator 42 beheizt werden kann, um den Innenraum des Fahrzeugs zu heizen.
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Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass die Batterieeinheit 5 einen thermischen Isolator zwischen der Batterie 21 und dem Gehäuse 23 enthält, aber stattdessen kann das Gehäuse 23 selbst eine Vakuumstruktur oder eine Doppelstruktur aufweisen.
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Ein Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Wärmetauscher, um zu bewirken, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft in einem Innenraum eines Fahrzeugs ausgetauscht wird, einen Heizkreislauf, um zu bewirken, dass das Kältemittel mit einer Temperatur, die höher ist als die der Luft im Innenraum des Fahrzeugs, durch den ersten Wärmetauscher zirkuliert, eine Sekundärbatterie, in der das Laden und Entladen von Energie durchgeführt wird, einen Kühlwasserkreislauf, um zu bewirken, dass Kühlwasser, das Wärme mit der Sekundärbatterie austauscht, zirkuliert, einen zweiten Wärmetauscher, um zu bewirken, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser ausgetauscht wird, wobei der zweite Wärmetauscher in einer Weise vorgesehen ist, die einen Abschnitt des Heizkreislaufs stromabwärts des ersten Wärmetauschers und einen Abschnitt des Kühlwasserkreislaufs umfasst, und ein Gehäuse zum Abdecken der Sekundärbatterie, des Kühlwasserkreislaufs und des zweiten Wärmetauschers.
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Das Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann einen dritten Wärmetauscher, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft außerhalb des Fahrzeugs bewirkt, und einen Kompressor, der das aus dem dritten Wärmetauscher strömende Kältemittel verdichtet und das Kältemittel durch den ersten Wärmetauscher strömen lässt, umfassen, wobei der Heizkreislauf ein Wärmetauschkreislauf sein kann, bei dem der dritte Wärmetauscher einen Wärmeaustausch zwischen dem von dem ersten Wärmetauscher strömenden Kältemittel und der Luft außerhalb des Fahrzeugs bewirkt, und dann der Kompressor das von dem dritten Wärmetauscher strömende Kältemittel komprimiert und bewirkt, dass das Kältemittel durch den ersten Wärmetauscher strömt, und der dritte Wärmetauscher parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet sein kann.
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Das Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Expansionsventil umfassen, um das vom ersten Wärmetauscher zum zweiten Wärmetauscher strömende Kältemittel zu entspannen, wobei das Expansionsventil außerhalb des Gehäuses angeordnet sein kann.
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Das Fahrzeug-Wärmetauschersystem umfasst eine Motoreinheit, die durch Strom angetrieben wird, der von der Sekundärbatterie zugeführt wird, wobei der Kühlwasserkreislauf ein Schaltventil umfasst und das Schaltventil geöffnet ist, um zu bewirken, dass das Kühlwasser zumindest auf einer der Seiten der Sekundärbatterie oder der Motoreinheit zirkuliert.
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Ein Fahrzeug-Wärmetauschersystem gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Motoreinheit, die in einem Fahrzeug-Wärmetauschersystem verwendet werden kann, das einen ersten Wärmetauscher zum Veranlassen des Wärmeaustauschs zwischen dem Kältemittel und der Luft in einem Innenraum eines Fahrzeugs, einen Heizkreislauf zum Veranlassen des Kältemittels mit einer höheren Temperatur als die der Luft im Innenraum des Fahrzeugs, durch den ersten Wärmetauscher zu zirkulieren, und eine Sekundärbatterie, in der das Laden und Entladen von Energie durchgeführt wird, umfasst, wobei das Fahrzeug-Wärmetauschersystem ein Gehäuse und ein Schaltventil umfassen kann, wobei das Gehäuse zum Abdecken der Sekundärbatterie dient, einen Kühlwasserkreislauf, um zu bewirken, dass Kühlwasser, das Wärme mit der Motoreinheit austauscht, zirkuliert, und einen zweiten Wärmetauscher, um zu bewirken, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Kühlwasser ausgetauscht wird, wobei der zweite Wärmetauscher in einer Weise vorgesehen ist, die einen Teil des Heizkreislaufs stromabwärts des ersten Wärmetauschers und einen Teil des Kühlwasserkreislaufs umfasst, wobei das Schaltventil geöffnet wird, um zu bewirken, dass das Kühlwasser zumindest auf der Seite der Sekundärbatterie oder der Seite der Motoreinheit zirkuliert, und die Motoreinheit das Kühlwasser, das durch die Motoreinheit zirkuliert wird, durch Öffnen des Schaltventils erwärmen kann und das Kühlwasser dem zweiten Wärmetauscher zuführen kann.
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Erläuterung der Bezugszeichen
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- 1
- Fahrzeug
- 7
- Fahrzeug-Wärmetauschersystem
- 13
- Wechselrichter, Umrichter
- 21
- Batterie (Sekundärbatterie)
- 23
- Gehäuse
- 31
- äußerer Wärmetauscher (dritter Wärmetauscher)
- 33b
- Kompressor
- 36
- Heizkreislauf
- 36b
- zweites Expansionsventil (Expansionsventil)
- 42
- Innenkondensator (erster Wärmetauscher)
- 50
- Batteriekühlkreislauf (Kühlwasserkreislauf)
- 55
- Schaltventil
- 61
- Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher (zweiter Wärmetauscher)
