DE19930148A1 - Temperatursteuerung in Elektrofahrzeug - Google Patents

Temperatursteuerung in Elektrofahrzeug

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Temperatursteuerung des Innenraumes eines Kraftfahrzeuges mit Elektromotor, dessen Energie durch sogenannte Hochtemperaturbatterien bereitgestellt wird. DOLLAR A Der Kältmittelkreis umfaßt einen Primärkreis (2) mit einem internen Wärmetauscher (7) in dem Pfad eines ersten Luftflusses, welcher hin zu dem Innenraum gerichtet wird und mit einem externen Wärmetauscher (9), einen Sekundärkreis (3) mit einem Kompressor (13) und eine Umschalteinrichtung (4) bezüglich der Zirkulationsrichtung bzw. dem Zirkulationssinn des Kältefluids bzw. Kältemittels in dem Primärkreis, so daß das System im Heizmodus oder im Kühlmodus für den Innenraum (H) betrieben werden kann. DOLLAR A Ein Wasserkühlkreis (5) ermöglicht es, die Batterien zu kühlen. Dieser Kreis umfaßt eine Abzweigung (50), die einen Wärmetauscher (54) vom Typ Flüssigkeit/Luft in dem Pfad des ersten Luftflusses enthält, sowie einen Wärmetauscher (56) vom Typ Flüssigkeit/Kältemittel bzw. Kältefluid in dem Sekundärkreis (3). Das Kühlwasser bzw. die Kühlflüssigkeit tritt im Heizmodus durch die Abzweigung (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Temperatursteuerung im Innenraum eines Kraftfahr­ zeuges mit Elektromotor oder Hybridantrieb, welches mit sogenannten Hochtemperatur­ batterien betrieben wird.
Sie betrifft insbesondere ein System, welches vom Typ her einen Kältemittelkreislauf umfaßt, welcher einen Primärkreis umfaßt, welcher einen inneren Wärmetauscher enthält, der geeignet ist, Wärme mit einem ersten Luftfluß zu tauschen, der in den Innenraum geführt wird, einen externen Wärmetauscher, der geeignet ist, Wärme mit einem zweiten Luftfluß zu tauschen und eine Entspanneinrichtung, die zwischen dem internen Wärmetauscher und dem externen Wärmetauscher zwischengelagert ist, einen Sekundärkreis, welcher einen Kompressor und Umschaltmittel zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis enthält, um das Kältefluid bzw. Kältemittel in dem Hauptkreis in einem gewünschten Sinn zu zirkulieren, so daß der interne Wärmetauscher und der externe Wärmetauscher jeweils als Verdampfer und Kondensator in einem Kühlmodus und jeweils als Kondensator und Verdampfer in einem Heizmodus dienen, wobei das Fahrzeug u. a. einen Flüssigkeitskühlkreis zum Kühlen der Batterien und des elektrischen Antriebssystemes des Fahrzeuges umfaßt.
Der Kältemittelkreis funktioniert entsprechend den Prinzipien einer reversiblen Wärmepumpe, welcher es ausgehend von denselben Basisbestandteilen ermöglicht, sowohl das Erwärmen als auch die Klimatisierung des Innenraumes des Kraftfahrzeuges bereitzustellen.
Die FR-2 740 397 schlägt es bereits vor, einen Verdampfer, der mit dem Kühlmittelkreis der Leistungsschaltung verbunden ist, die dem Elektromotor des Fahrzeuges zugeordnet ist, in den Sekundärkreis des Kältemittelkreises flußaufwärtsliegend des Kompressors zu integrieren. In diesem System ist die von der Leistungsschaltung abgegebene Wärme und insbesondere auch jene der Batterien typischerweise bei einem Temperaturniveau, welches geringer bzw. niedriger ist als jenes der Luft, die im Heizmodus in dem Innenraum befördert wird. Die von dem Kälte­ mittel rückgewonnene Wärme ermöglicht es, die Temperatur des Fluides flußaufwärtsliegend des Kompressors zu erhöhen. Diese Wärme ist komplementär zu der Wärme, die im Heiz­ modus von der Außenluft entnommen wird.
Die FR-2 721 863 sieht im Gegensatz hierzu in dem Primärkreis des Kältemittelkreises, parallel zu dem externen Wärmetauscher einen Wärmetauscher des Types Flüssigkeit/Fluid vor, wodurch es ermöglicht wird, daß das Kältemittel im Heizmodus Wärme von dem Kühlkreis rückgewinnen kann.
In beiden Druckschriften muß der interne Wärmetauscher im Heizmodus ausreichend groß bemessen sein, um das Heizen bzw. die Erwärmung des Innenraumes zu ermöglichen, da dieser allein diese Funktion erfüllt.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, zumindest teilweise den internen Wärmetauscher im Heizmodus des Fahrzeuges zu entlasten, um den Stromverbrauch zu reduzieren, welcher zum Betreiben des Systemes nötig ist, wobei die Wärme ausgenutzt wird, die durch die Batte­ rien und das Antriebssystem des Fahrzeuges erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kühlkreis einen Abzweigkreis umfaßt, welcher einen Wärmetauscher des Types Flüssigkeit/Luft enthält, angeordnet in dem Pfad des ersten Luftflusses, welcher hin zu dem Innenraum geführt wird, sowie eine Schleuse bzw. einen Schütz bzw. einen Schieber bzw. ein Ventil, geeignet um die Kühlflüssigkeit im Heizmodus in dem Abzweig- bzw. Umlenkkreis zu zirkulieren.
Vorteilhafterweise ist die Schleuse eine Drei-Wege-Schleuse.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Wärmetauscher vom Typ Flüssigkeit/Luft flußabwartsliegend des internen Wärmetauschers in dem Pfad des ersten Luft­ flusses angeordnet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher des Typs Flüssigkeit/Luft flußaufwärtsliegend des internen Wärmetauschers angeordnet.
Vorteilhafterweise umfaßt der Abzweigkreis ferner einen Wärmetauscher des Types Flüssigkeit/Fluid, geeignet um das Kältemittel des Sekundärkreises flußaufwärtsliegend des Kompressors mit Energie zu versorgen. Dieser Wärmetauscher ist flußabwärtsliegend des Wärmetauscher vom Typ Flüssigkeit/Luft in dem Abzweig- bzw. Umlenkkreis angeordnet.
In dem Kühlkreis ist ebenfalls ein Heizkörper bzw. Radiator in dem Pfad des zweiten Luft­ flusses bzw. -fluxes vorgesehen.
Dank der erfindungsgemäßen Vorkehrungen nimmt die Kühlflüssigkeit der Batterien im Heizmodus unmittelbar an der teilweisen Erwärmung der in den Innenraum gesandten Luft teil, wobei die verbleibende erforderliche Erwärmung durch die reversible Wärmepumpe bereitgestellt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen, welche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in welchen gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Temperatursteuerung des Innenraumes eines Elektrofahrzeuges gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und zwar dargestellt im Heizmodus.
Fig. 2 ist eine Darstellung analog zu jener von Fig. 1, jedoch im Kühlmodus.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Systemes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt im Heizmodus.
Fig. 4 ist eine schematische Systemansicht von Fig. 3 im Kühlmodus.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Systemes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt im Heizmodus.
In den Zeichnungen ist gestrichelt der Innenraum H eines Fahrzeuges mit Elektromotor oder Hybridantrieb gezeigt, dessen Temperatur durch das Steuersystem 1 gesteuert bzw. geregelt wird.
Das System umfaßt einen Kältemittelkreis mit einem Primärkreis 2, einem Sekundärkreis 3 und einer Kommutations- bzw. Umschaltschleuse 4, des Types mit vier Wegen, welche die zwei Kreise 2 und 3 untereinander verbindet, sowie einen Kühlkreis 5 der Leistungsschaltung des Elektromotors, mit dem das Fahrzeug ausgestattet ist. Diese Leistungsschaltung umfaßt insbesondere sogenannte Hochtemperaturbatterien, wobei der Kühlkreis bzw. Kühlmittelkreis beispielhaft eine Glycol-Wasser-Mischung enthält.
Der Haupt- bzw. Primärkreis 2 umfaßt eine Leitung 6, die die Schleuse bzw. den Schütz bzw. Schieber bzw. das Ventil 4 mit einem internen Wärmetauscher 7 verbindet, sowie eine Leitung 8, die den internen Wärmetauscher 7 über den externen Wärmetauscher 9 mit der Schleuse 4 verbindet. An der Leitung 8 sind zwischen dem internen Wärmetauscher 7 und dem externen Wärmetauscher 9 in Folge ein Reservoir 10 und eine Entspanneinrichtung bzw. einen Druckminderer 11 angeordnet.
Der Sekundärkreis 3 umfaßt eine Leitung 12, die die Schleuse 4 mit einem Kompressor 13 verbindet, sowie eine Leitung 14, die den Kompressor 13 mit der Schleuse 4 verbindet.
Die Schleuse 4 kann zwei Positionen einnehmen: eine Heizposition, dargestellt in den Fig. 1, 3 und 5, in welcher das von dem Kompressor 13 komprimierte bzw. verdichtete Kältemittel bzw. Kältefluid in der Leitung 6 von der Schleuse 4 hin zu dem internen Wärmetauscher 7 zirkuliert, um anschließend über den externen Wärmetauscher 9 zu der Schleuse 4 zurück­ zukehren; und eine Kühlposition, dargestellt in den Fig. 2 und 4, in welcher das Kältefluid bzw. Kältemittel in dem Hauptkreis bzw. Primärkreis 2 in umgekehrter Richtung zirkuliert. In dem Sekundärkreis 3 zirkuliert jedoch das Kältemittel immer in derselben Richtung, unab­ hängig von dem Funktions- bzw. Betriebsmodus des Systemes 1.
Der interne Wärmetauscher 7 ist in einer Luftleitung 20 angeordnet, die eine Luftzufuhr 21 außerhalb des Innenraumes aufweist und einen Luftaustritt 22 im Inneren des Innenraumes H sowie eine Umluftzufuhr 23, die unmittelbar in dem Innenraum H mündet. Ein Lüfter 24 ist u. a. in der Luftleitung 20 untergebracht, um die Außenluft bzw. die Umluft hin zu dem Innen­ raum H und durch den internen Wärmetauscher 7 zu befördern.
Der externe Wärmetauscher 9 ist in einer Luftleitung 30 angeordnet, die eine erste Luftzufuhr 31 aufweist für Luft von dem Äußeren des Innenraumes H, sowie einen Luftauslaß 32, der im Äußeren mündet, und eine zweite Luftzufuhr 33, die in dem Innenraum mündet. Die Luft­ zufuhr 31 wird über eine Klappe 34 gesteuert. Ein Ventilator bzw. Lüfter 35 ist nahe dem Luftaustritt bzw. Luftauslaß 32 angeordnet und ermöglicht es einem Luftfluß; der von dem Inneren des Innenraumes herkommt, anzusaugen, wie auch andernfalls einen Luftfluß bzw. Luftflux, der vom Äußeren des Innenraumes H kommt, und zwar entsprechend der Position der Klappe 34. Dieser Luftfluß tritt durch den externen Wärmetauscher 9.
In der Heizposition der Schleuse 4 dient der interne Wärmetauscher 7 als Kondensator und erwärmt den Luftfluß, der ihn durchquert, während der externe Wärmetauscher 9 die Funktion eines Verdampfers erfüllt und den durchquerenden Luftfluß abkühlt.
In der Kühlposition der Schleuse 4 dient der interne Wärmetauscher 7 als Verdampfer und kühlt den Luftfluß ab, der ihn durchquert, während der externe Wärmetauscher 9 die Funktion eines Kondensators erfüllt bzw. übernimmt und den ihn durchquerenden Luftfluß erwärmt.
Das Bezugszeichen 40 stellt die Leistungsschaltung und das elektrische Antriebssystem des Fahrzeuges dar, deren Elemente durch die Flüssigkeit gekühlt werden, welche in dem Kühl­ kreis bzw. Kühlmittelkreis 5 zirkuliert und mittels der Pumpe 41 angetrieben wird. Diese Flüssigkeit ist typischerweise eine Mischung aus Wasser und Glycol. Der Kreis umfaßt eine Warmwasserleitung 42 zwischen der Pumpe 41 und einem externen Heizkörper bzw. Radiator bzw. Kühler 43, angeordnet in der Luftleitung 30, sowie eine Rückführleitung 44, die den Radiator 43 mit der Pumpe 41 verbindet.
Ein Abzweigkreis 50 ist zwischen einer Schleuse mit drei Wegen 51 vorgesehen, die an der Warmwasserleitung 42 montiert ist und einem Punkt 52 der Leitung, flußabwärtsliegend der Schleuse 51. Diese Abzweigschaltung bzw. dieser Abzweigkreis umfaßt eine Leitung 53, die die Schleuse 51 mit einem Wärmetauscher 54 vom Typ Flüssigkeit/Luft verbindet, angeordnet in der Luftleitung 20, sowie eine Rückführleitung 55, die den Wärmetauscher 54 mit dem Punkt 52 verbindet.
In dem Heizmodus, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, richtet die Schleuse 51 Warmwasser des Kühlkreises hin zu dem Wärmetauscher 54. Der interne Wärmetauscher 7, der die Funktion eines Kondensators erfüllt, erhöht die Temperatur der Luft, die durch den Lüfter 24 beauf­ schlagt ist, auf eine mittlere Temperatur. Anschließend wird die Luft, die den internen Wärmetauscher 7 verläßt, ausgehend von dieser mittleren Temperatur, auf eine Soll-Tempe­ ratur in dem Wärmetauscher 54 erwärmt, welcher von Wasser durchströmt wird, welches die Batterien kühlt und zu einer Temperatur von etwa 80°C führt. Die Schleuse bzw. der Schütz bzw. Schieber bzw. das Ventil mit drei Wegen bzw. die Drei-Wege-Schleuse bzw. der Drei-Wege-Schütz 51 ermöglicht es dem Wasserdurchsatz, abhängig von dem Heizbedarf bzw. Erwärmungsbedarf und abhängig von der Verfügbarkeit von Abwärme, zu steuern bzw. zu regeln.
Die so vom Kühlkreis 5 entnommene Wärme ermöglicht eine zusätzliche Erwärmung. Diese wird verwendet, wenn die Wärmepumpe es nicht alleine schafft, die gewünschte Heizleistung bereitzustellen, insbesondere während anfanglicher Heizphasen und wenn die Außentempera­ turen sehr niedrig sind.
Im Kühlmodus liefert die Drei-Wege-Schleuse 51 keine Flüssigkeit zu dem Abzweigkreis 50.
Der Wärmetauscher vom Typ Flüssigkeit/Luft 54 kann in dem Pfad des Luftflusses angeordnet sein, der zu dem Innenraum H geführt wird, und zwar flußabwärts des internen Wärme­ tauschers 7, wie es in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, kann jedoch ebenfalls auch fluß­ aufwärts des internen Wärmetauschers 7 angeordnet sein, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
Vorteilhafterweise umfaßt die Rückkehr- bzw. Rückführleitung 55 des Abzweigkreises 50 einen zweiten Wärmetauscher 56, der zwischen dem Wärmetauscher 54 vom Typ Flüssig­ keit/Luft und dem Punkt 52 angeordnet ist. Dieser zweite Wärmetauscher 56 vom Typ Flüs­ sigkeit/Kältemittel bzw. Kältefluid ist mit der Leitung 12 des Sekundärkreises 3 flußaufwärts­ liegend des Kompressors 13 verbunden. Diese Ausführungsform ist in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Gemäß einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Rückführleitung 55 mit der Leitung 42 flußaufwärts des Punktes 52 verbunden sein, wobei die Leitung 42 am Eingang des zweiten Wärmetauschers 56 über eine zweite Drei-Wege-Schleuse verbunden ist.
Diese Ausführungsform ermöglicht es, Wärme in dem Abzweigkreis 50 im Heizmodus bei zwei Temperaturniveaus zu entnehmen bzw. von diesem abzuführen. Eine erste Entnahme findet in dem Wärmetauscher 54 vom Typ Flüssigkeit/Luft statt, angeordnet entweder flußabwärts (Fig. 3), oder flußaufwärts (Fig. 5) des internen Wärmetauschers 7, und zwar in derselben Weise wie in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform. Das Kühlmittel bzw. die Kühlflüssigkeit verfügt über eine Temperatur von etwa 80°C und kühlt sich in dem Wärmetauscher 54 auf eine mittlere Temperatur ab und erwärmt den Luftfluß, der in der Luftleitung 20 zirkuliert. Anschließend durchtritt das Kühlmittel bzw. die Kühlflüssigkeit den Wärmetauscher 56 vom Typ Flüssigkeit/Kältemittel, wo es zur Verdampfung des Kältefluides bzw. des Kältemittels beiträgt. Die Drei-Wege-Schleuse 51 sichert die Steuerung bzw. Regelung des Flüssigkeitsdurchsatzes, welches in dem Wärmetauscher 54 vom Typ Flüssigkeit/Luft und in dem Wärmetauscher 56 vom Typ Flüssigkeit/Kältemittel zirkuliert.
Heizwiderstände 60 vom Typ PTC (Positiv-Temperatur-Koeffizient) erfüllen die Funktion einer optionalen Zusatzheizung und können in dem Pfad des Luftflusses, der in den Innenraum gerichtet wird, flußabwärtsliegend des internen Wärmetauschers 7 und des Wärmetauschers 54 vom Typ Flüssigkeit/Luft angeordnet werden.

Claims (8)

1. System zur Temperatursteuerung des Innenraumes (H) eines Kraftfahrzeuges mit Elektromotor oder Hybridantrieb, umfassend, einen Kältemittelkreis, welcher einen Primärkreis (2) mit einem internen Wärmetauscher (7), der zum Wärmeaustausch mit einem ersten Luftfluß vorgesehen ist, welcher in den Innenraum (H) gerichtet wird, einem externen Wärmetauscher (9), der vorgesehen ist, um Wärme mit einem zweiten Luftfluß zu tauschen und mit einem Druckminderer (11), zwischengelagert zwischen dem internen Wärmetauscher (7) und dem externen Wärmetauscher (9), einen Sekundärkreis (3) mit einem Kompressor (13) und eine Umschalteinrichtung (4) zwischen dem Primärkreis (2) und dem Sekundärkreis (3) umfaßt, um das Kältemittel in dem Primärkreis (2) in einem gewählten Umlaufsinn zu zirkulieren, so daß der interne Wärmetauscher (7) und der externe Wärmetauscher (9) jeweils als Verdampfer und als Kondensator in einem Kühlmodus und jeweils als Kondensator und als Verdampfer in einem Heizmodus dienen, wobei das Fahrzeug mit sogenannten Hochtemperaturbatterien betrieben wird, die über eine Flüssigkeit gekühlt werden, die in einem Kühlkreis (5) zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis (5) einen Abzweigkreis (50) umfaßt, welcher einen Wärmetauscher (54) vom Typ Flüssigkeit/Luft umfaßt, angeordnet in dem Pfad des ersten Luftflusses, sowie eine Schleuse (51), die geeignet ist, die Kühlflüssigkeit in dem Abzweigkreis (50) im Heizmodus zu zirkulieren.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (54) vom Typ Flüssigkeit/Luft flußabwärts des Wärmetauschers (7) in dem Pfad des ersten Luftflusses angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (54) vom Typ Flüssigkeit/Luft flußaufwärts des internen Wärmetauschers (7) in dem Pfad des ersten Luftflusses angeordnet ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigschaltung (50) ferner einen Wärmetauscher (56) vom Typ Flüssig/Fluid umfaßt, geeignet, um dem Kältemittel des Sekundärkreises (3) flußaufwärts des Kompressors (13) Energie zuzuführen.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis (5) einen Heizkörper (53) in dem Pfad des zweiten Luftflusses umfaßt.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Heizwiderstände (60) in dem Pfad des ersten Luftflusses angeordnet sind.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (60) vom positiven Temperaturkoeffiziententyp sind.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleuse (51) eine Drei-Wege-Schleuse ist.
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