EP4313639A1 - Fahrzeug zur personenbeförderung mit elektrischer, gekühlter antriebsvorrichtung - Google Patents

Fahrzeug zur personenbeförderung mit elektrischer, gekühlter antriebsvorrichtung

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Publication number
EP4313639A1
EP4313639A1 EP22720401.3A EP22720401A EP4313639A1 EP 4313639 A1 EP4313639 A1 EP 4313639A1 EP 22720401 A EP22720401 A EP 22720401A EP 4313639 A1 EP4313639 A1 EP 4313639A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
vehicle
drive device
air conditioner
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22720401.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Irfan KASAP
Markus Schmitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP4313639A1 publication Critical patent/EP4313639A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00357—Air-conditioning arrangements specially adapted for particular vehicles
    • B60H1/00371—Air-conditioning arrangements specially adapted for particular vehicles for vehicles carrying large numbers of passengers, e.g. buses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H1/00899—Controlling the flow of liquid in a heat pump system
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/02—Heating, cooling or ventilating devices the heat being derived from the propulsion plant
    • B60H1/14—Heating, cooling or ventilating devices the heat being derived from the propulsion plant other than from cooling liquid of the plant
    • B60H1/143—Heating, cooling or ventilating devices the heat being derived from the propulsion plant other than from cooling liquid of the plant the heat being derived from cooling an electric component, e.g. electric motors, electric circuits, fuel cells or batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H2001/00961—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices comprising means for defrosting outside heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to a passenger transport vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the air conditioner has an external heat exchanger, by means of which heat is removed from the surroundings of the vehicle when the air conditioner is in heat pump operation, in that ambient air is guided past the external heat exchanger by a fan assigned to the external heat exchanger, and
  • the electric drive device is cooled by means of a cooling circuit whose cooling medium is temperature-controlled by means of the cooler.
  • Such vehicles are suitable for ensuring that the vehicle is propelled without an overhead line or contact wire having to be available.
  • diesel-powered vehicles were used for such areas of application.
  • these vehicles will be equipped with a battery or hydrogen drive provided on the vehicle itself.
  • such drives are characterized in ferry operation of the vehicle by a significant development of heat, so that they have to be cooled with the aid of a cooler ("chiller"). It is also necessary when the vehicles are parked in winter to switch off the relevant electrical drive devices Since the available range in vehicles powered in this way is a key factor importance, it is all the more important to use efficient systems that have the lowest possible power consumption.
  • a compressor in the cooler in particular draws a lot of energy from the battery in order to be able to provide sufficient cooling/heating capacity (heat pump operation). This in turn shortens an available range of the vehicle.
  • a heat pump is operated at the same time in the air conditioning unit for the passenger compartment to increase efficiency, the energy requirement during defrosting processes can increase and thus the range of the vehicle can be reduced.
  • the defrosting process for the external heat exchanger is then triggered when low evaporation temperatures of below 0°C occur due to heat pump operation and the external heat exchanger freezes as it cools down further.
  • the defrosting process is carried out by reversing the process in the refrigeration cycle of the air conditioning unit and the "heat pump process" is reversed into a "refrigeration process”.
  • the outer heat exchanger is heated (ambient air is heated) and the inner heat exchanger is cooled (supply air is cooled).
  • the order of flow through the evaporator and condenser is reversed on the refrigerant side.
  • the supply air which is actually supposed to be heated in winter, is now cooled down and "counterheated” again by means of an electrical heating coil in the air conditioning unit. This results in considerable energy consumption for the compressor and the heating coil of the air conditioning unit for the duration of the defrosting process , which significantly reduces the energy use of the heat pump on average.
  • the invention is based on the object of further developing a vehicle of the type mentioned at the outset in such a way that the energy requirement is reduced and the range of the vehicle is increased.
  • this object is achieved by the features of claim 1.
  • the vehicle described above is characterized in that, based on the ambient air flow generated by the fan, the external heat exchanger of the air conditioning unit is preceded by a waste heat heat exchanger, which is acted upon by the cooling medium flowing back from the electric drive device to the radiator.
  • cooling medium flowing back from the electric drive device for example a battery or fuel cell, to the radiator is used to preheat the ambient air flow, so that icing of the external waste heat exchanger of the air conditioning unit is either effectively prevented or a emerging icing solution of this heat exchanger is reduced in its severity.
  • the cooling medium flowing back has an increased temperature when the cooler is in cooling mode.
  • the cooling medium tempered in this way is used with the help of the upstream waste heat heat exchanger through which this cooling medium flows, in order to preheat the ambient air flow immediately before the outer heat exchanger of the air conditioning unit.
  • the cooling of the battery can preferably take place without a compressor of the cooling circuit for the electrical drive device but with outside air, which is applied to the waste heat exchanger.
  • the waste heat from battery cooling can be used to increase efficiency by preheating the condenser air, both for the efficiency of the heat pump and for the defrosting process in heat pump operation.
  • the defrosting process is shifted to lower outside temperatures compared to the conventional procedure.
  • the icing of the external heat exchanger is effectively reduced in the heat pump process. Rather, it is possible that during de-icing of the external heat exchanger using the waste heat from the electric drive device, the compressor of the cooler may not have to be used as much or at all and therefore requires less electrical power when the vehicle is in operation.
  • An input side of the upstream waste heat heat exchanger is preferably fluidically connected to an input side of an evaporator of the cooler and an output side of the upstream waste heat heat exchanger to an output side of the evaporator of the cooler. This ensures that heated cooling medium flowing back from the electric drive unit reaches the upstream waste heat heat exchanger and there causes the ambient air flow to be preheated, after which it is returned to the cooler.
  • the electrical drive device can preferably be formed by a battery (arrangement) or a fuel cell (arrangement).
  • the vehicle can preferably be a track-guided vehicle, in particular a rail vehicle, such as a locomotive, a multiple unit, etc.
  • the external heat exchanger of the air conditioner can be equipped with a temperature sensor for detecting possible icing of the external heat exchanger, particularly in heat pump operation.
  • a control device of the air conditioning unit it is possible for a control device of the air conditioning unit to deactivate a circuit of the air conditioning unit, in particular its compressor, when it detects icing of the external waste heat heat exchanger.
  • the upstream waste heat heat exchanger can then be used to de-ice the external waste heat heat exchanger of the air conditioner when the circuit of the air conditioner is shut down. After defrosting the external heat exchangerour, it is possible to resume operation of the air conditioner.
  • the cooling circuit for the electric drive device can preferably be separated from the air conditioning unit by means of valves. This is advantageous for cooling operation of the air conditioner in summer, since the external heat exchanger is not additionally subjected to waste heat from the cooling circuit for the electric drive device.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the figure, with the temperature data contained only being meant as an example and can depend on the type of electric drive device used.
  • the only figure shows a schematic block diagram representation of an air conditioner in combination with a cooler in a battery-operated rail vehicle.
  • the figure is divided into an upper part, the one for egg NEN winter operation z.
  • B a vehicle in heat pump mode located air conditioner 1 for a passenger compartment of a rail vehicle and a lower part, which is located in cooling mode ("chiller") 2 for a drive battery of the rail vehicle shows.
  • a fuel cell drive can also be provided, for which the following descriptions also apply.
  • the air conditioner 1 includes an air treatment part 3, which is used to condition the supply air 4 (e.g. 35 to 45° C. when leaving the air treatment part 3) for a passenger compartment of the rail vehicle.
  • the air treatment part 3 has a ventilator 5 for sucking in fresh air/recirculated air, an air filter 6 and a condenser 7 through which a cooling medium of the air conditioner 1 flows and interacts thermally with the fresh air/recirculated air sucked in.
  • the air conditioner 1 outside of the air treatment part 3 has a compressor 8 , an external heat exchanger (evaporator) 9 and an expansion valve 10 .
  • the air conditioner 1 can be used both in a heating and in a cooling mode. If the air conditioner 1 is used for heating purposes, it works, as shown in the figure, as a heat pump, with thermal energy being extracted from the external heat exchanger 9 of the surrounding air, which is guided past the external heat exchanger 9 by means of a fan 11 to heat the cooling medium of the air conditioner 1.
  • the temperatures of the ambient air entering the fan 11 are -20 to 10 °C and the external heat exchanger 9 -5 to -10 °C.
  • the cooling medium has a temperature of -15 to 0°C.
  • the heated coolant reaches the condenser 7 of the air conditioning unit 1 via the compressor 8. When it enters the condenser 7, the temperature of the coolant is 65 to 55 °C.
  • the external heat exchanger 9 may ice up, depending on the ambient air temperature.
  • the outer heat exchanger 9 is preceded by a waste heat heat exchanger 13, which is arranged between the fan 11 and the outer heat exchanger 9, in relation to a flow direction of the ambient air flow 12.
  • the temperature of the ambient air at the waste heat heat exchanger 13 is 10 to 18 °C.
  • a cooling medium, here water, of a battery cooling circuit 14 flows through the provided waste heat heat exchanger 13 .
  • a flow temperature of the cooling medium of the battery cooling circuit is determined by the cooler 2 .
  • the cooler 2 comprises a compressor 15, a condenser 16 together with the associated condenser fan 17, an expansion valve 18 and an evaporator 19.
  • a thermal interaction of a cooling medium of the cooler circuit with the refrigerant of the battery cooling circuit 14 takes place significant amount of electrical power. This applies equally to ferry operation of the rail vehicle when the battery arrangement has to be cooled and when the vehicle is parked and the battery arrangement has to be heated in winter, for example, in order to maintain its specified operating temperatures.
  • the cooler 2 is in its cooling mode, with a flow temperature in a supply line 20 of the battery cooling circuit 14 being significantly lower (e.g. 15-20 °C) than a return temperature (e.g. 18-25 °C). ) in a return line 21.
  • the evaporator 19 Before reaching the evaporator 19 is from the return line 21 of the battery cooling circuit 14 by the cooling process of Batte rieanssen heated cooling water fed to the waste heat heat exchanger 13, which is the outer heat exchanger 9 of the Klimage rätes 1 upstream.
  • the ambient air is preheated by the thermal interaction of the heated cooling water with the ambient air at the heat exchanger 13 .
  • the preheated ambient air has the effect that either icing of the external heat exchanger 9 of the air conditioning unit 1 is counteracted or even icing of the external heat exchanger 9 is completely avoided.
  • the cooling water that has been cooled off at the waste heat heat exchanger 13 is fed back to the supply line 20 of the battery cooling circuit 14 .
  • an input side of the upstream waste heat heat exchanger 13 is thus connected to an input side of the evaporator 19 of the cooler 2 and an output side of the upstream waste heat heat exchanger 13 an output side of the evaporator 19 of the cooler in each case flow-connected.
  • the compressor 15 can be operated with less electrical power, since it does not convey all the heated water via the return line 21 to the evaporator 19 incoming cooling water must cool down to a suitable temperature.
  • operation of a compressor 15 can possibly be completely dispensed with, which entails a considerable saving in electrical power.
  • the external waste heat exchanger 9 of the air conditioning unit 1 is equipped with a temperature sensor 26 arranged on the external heat exchanger 9 for detecting icing of the external waste heat
  • Heat exchanger 9 is equipped.
  • measured values provided by a suction gas temperature sensor 27 , a suction pressure sensor 28 and possibly also by a high-pressure sensor 29 are included in the assessment of whether a defrosting process is required or not.
  • the sensors 26, 27, 28, 29 are all signal-connected to a control device 30 of the air conditioner 1 and upon detection of icing of the external waste heat heat exchanger 9, which requires a defrosting process, the circuit of the air conditioner tes 1 by the Controller disabled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug zur Personenbeförderung, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die im Betrieb des Fahrzeuges mittels eines Kühlers (2) dauerhaft gekühlt ist, und mit einem Klimagerät (1) zur Klimatisierung eines Fahrgastinnenraums des Fahrzeugs, wobei das Klimagerät (1) einen äußeren Wärmeübertrager (9) aufweist, mittels dem in einem Wärmepumpenbetrieb des Klimagerätes (1) einer Umgebung des Fahrzeugs Wärme dadurch entnommen wird, dass Umgebungsluft durch einen dem äußeren Wärmeübertrager (9) zugeordneten Lüfter (11) an dem äußeren Wärmeübertrager (9) vorbei geführt wird, und die elektrische Antriebsvorrichtung mittels eines Kühlkreislaufs (14) gekühlt ist, dessen Kühlmedium mittels des Kühlers (2) temperiert ist, wobei bezogen auf den von dem Lüfter (11) erzeugten Umgebungsluftstrom, dem äußeren Wärmeübertrager (9) des Klimagerätes (1) ein Abwärme-Wärmeübertrager (13) vorgeschaltet ist, der mit von der elektrischen Antriebsvorrichtung zu dem Kühler (2) zurückströmenden Kühlmedium beaufschlagt ist.

Description

Beschreibung
Fahrzeug zur Personenbeförderung mit elektrischer, gekühlter AntriebsVorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug zur Personenbe förderung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Danach ist ein Fahrzeug zur Personenbeförderung bekannt,
- mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die im Betrieb des Fahrzeuges mittels eines Kühlers dauerhaft gekühlt ist, und
- mit einem Klimagerät zur Klimatisierung eines Fahrgastin nenraums des Fahrzeugs, wobei
- das Klimagerät einen äußeren Wärmeübertrager aufweist, mit tels dem in einem Wärmepumpenbetrieb des Klimagerätes einer Umgebung des Fahrzeugs Wärme dadurch entnommen wird, dass Um gebungsluft durch einen dem äußeren Wärmeübertrager zugeord neten Lüfter an dem äußeren Wärmeübertrager vorbei geführt wird, und
- die elektrische Antriebsvorrichtung mittels eines Kühl kreislaufs gekühlt ist, dessen Kühlmedium mittels des Kühlers temperiert ist.
Solche Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, sind dazu geeignet, für einen Vortrieb des Fahrzeugs zu sorgen, ohne dass eine Oberleitung oder ein Fahrdraht verfügbar sein müs sen. Für solche Anwendungsbereiche wurde in der Vergangenheit auf Diesel-angetriebene Fahrzeuge gesetzt. Zukünftig ist er wartbar, dass diese Fahrzeuge mittels eines auf dem Fahrzeug selbst vorgesehenen Batterie- bzw. Wasserstoffantriebs ausge stattet sein werden. Solche Antriebe zeichnen sich jedoch im Fährbetrieb des Fahrzeugs durch eine erhebliche Wärmeentwick lung aus, so dass sie mit Hilfe eines Kühlers („Chiller") ge kühlt werden müssen. Auch ist es bei einer Abstellung der Fahrzeuge im Winter erforderlich, die betreffenden elektri schen Antriebsvorrichtungen zu heizen. Da die verfügbare Reichweite bei derart angetriebenen Fahrzeugen eine zentrale Bedeutung hat, ist es umso wichtiger, effiziente Systeme ein zusetzen, die möglichst eine geringe Leistungsaufnahme auf weisen.
Insbesondere ein Verdichter des Kühlers entzieht der Batterie hierbei besonders viel Energie, um eine ausreichende Kühl leistung/Heizleistung (Wärmepumpenbetrieb) bereitstellen zu können. Dies verkürzt wiederum eine verfügbare Reichweite des Fahrzeugs. Insbesondere dann, wenn zur Effizienzsteigerung gleichzeitig im Klimagerät für die Fahrgastinnenraum Klimati sierung eine Wärmepumpe betrieben wird, kann es bei Abtau ungsprozessen zur Erhöhung des Energiebedarfs kommen und so mit zur Verminderung der Reichweite des Fahrzeugs.
Dabei wird der Abtauungsprozess für den äußeren Wärmeübertra ger dann ausgelöst, wenn durch den Wärmepumpenbetrieb niedri ge Verdampfungstemperaturen von unter 0°C auftreten und bei weiterem Abkühlen der äußere Wärmeübertrager einfriert.
Der Abtauungsprozess wird durch eine Prozessumkehr im Kälte kreis des Klimagerätes durchgeführt und der „Wärmepumpenpro zess" in einen „Kälteprozess" umgekehrt. Dadurch wird der äu ßere Wärmeübertrager aufgeheizt (Umgebungsluft wird geheizt) und der innere Wärmeübertrager gekühlt (Zuluft wird gekühlt). Grundsätzlich wird die Reihenfolge der Durchströmung von Ver dampfer und Kondensator kältemittelseitig vertauscht. Die Zu luft, die im Winter eigentlich geheizt werden soll, wird nun abgekühlt und mittels eines elektrischen Heizregisters im Klimagerät erneut „gegengeheizt". Es ergibt sich daher für die Dauer des Abtauprozesses ein erheblicher Energieverbrauch für den Kompressor/Verdichter und das Heizregister des Klima gerätes, was energetisch den Nutzen der Wärmepumpe im Mittel deutlich mindert.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzuentwi ckeln, dass ein Energiebedarf vermindert und eine Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Fahrzeug gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Danach zeichnet sich das oben beschriebene Fahrzeug dadurch aus, dass bezogen auf den von dem Lüfter erzeugten Umgebungs luftstrom, dem äußeren Wärmeübertrager des Klimagerätes ein Abwärme-Wärmeübertrager vorgeschaltet ist, der mit von der elektrischen Antriebsvorrichtung zu dem Kühler zurückströmen den Kühlmedium beaufschlagt ist.
Es ist daher vorgesehen, dass von der elektrischen Antriebs vorrichtung, beispielsweise einer Batterie oder Brennstoff zelle, zu dem Kühler zurückströmendes Kühlmedium dafür ge nutzt wird, den Umgebungsluftstrom vorzuerwärmen, so dass ein Vereisen des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers des Klimagerä tes entweder wirksam verhindert oder eine aufkommende Verei sung dieses Wärmeübertragers in ihrer Ausprägung reduziert wird.
Durch die thermische Wechselwirkung des Kühlmediums des bei spielsweise Batteriekühlkreises mit der Batterie zu deren Kühlung liegt bei dem zurückströmenden Kühlmedium eine erhöh te Temperatur vor, wenn sich der Kühler im Kühlmodus befin det. Das derart temperierte Kühlmedium wird mit Hilfe des von diesem Kühlmedium durchströmten, vorgeschalteten Abwärme- Wärmeübertragers genutzt, um eine Vorerwärmung des Umgebungs luftstroms unmittelbar vor dem äußeren Wärmeübertrager des Klimagerätes zu bewerkstelligen. Im niedrigen Außentempera turbereich kann die Kühlung der Batterie vorzugsweise ohne einen Verdichter des Kühlkreislaufs für die elektrische An triebsvorrichtung sondern mit Außenluft erfolgen, mit der der Abwärme-Wärmeübertrager beaufschlagt ist. Sowohl für den Wir kungsgrad der Wärmepumpe als auch für den Abtauprozess im Wärmepumpenbetrieb kann die Abwärme der Batteriekühlung zur Effizienzsteigerung durch eine Kondensatorluftvorerwärmung genutzt werden. Im Ergebnis wird der Abtauprozess gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise zu tieferen Außentemperaturen verschoben. Die Vereisung des äußeren Wärmeübertragers wird im Wärmepumpen prozess wirksam vermindert. Vielmehr ist es möglich, dass während einer Enteisung des äußeren Wärmeübertragers mit Hil fe der Abwärme der elektrischen Antriebsvorrichtung der Ver dichter des Kühlers weniger oder nicht beansprucht werden muss und somit im Betrieb des Fahrzeugs weniger elektrische Leistung benötigt.
Bevorzugt ist eine Eingangsseite des vorgeschalteten Abwärme- Wärmeübertragers mit einer Eingangsseite eines Verdampfers des Kühlers und eine Ausgangsseite des vorgeschalteten Abwär me-Wärmeübertragers mit einer Ausgangsseite des Verdampfers des Kühlers jeweils strömungstechnisch verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass von der elektrischen Antriebsein richtung zurückströmendes, erwärmtes Kühlmedium zu dem vorge schalteten Abwärme-Wärmeübertrager gelangt und dort eine Vor erwärmung des Umgebungsluftstroms herbeiführt, wonach es zum Kühler zurückgeführt wird.
Die elektrische Antriebsvorrichtung kann bevorzugt von einer Batterie (anordnung) oder einer Brennstoffzelle(nanordnung) gebildet sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich bevorzugt um ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, wie eine Lokomotive, einen Triebzug usw., handeln.
Der äußere Wärmeübertrager des Klimagerätes kann mit einem Temperatursensor zum Feststellen einer insbesondere im Wärme pumpenbetrieb möglichen Vereisung des äußeren Wärmeübertra gers ausgestattet sein. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Steuereinrichtung des Klimagerätes bei Feststellen einer Vereisung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers einen Kreis lauf des Klimagerätes, insbesondere dessen Verdichter, deak tiviert. Alsdann kann der vorgeschaltete Abwärme- Wärmeübertrager bei stillgelegtem Kreislauf des Klimagerätes zur Enteisung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers des Klima gerätes verwendet werden. Nach Abtauen des äußeren Wärmeüber- tragers ist eine Wiederaufnahme des Betriebs des Klimagerätes möglich .
Bevorzugt ist der Kühlkreislauf für die elektrische Antriebs vorrichtung von dem Klimagerät mittels Ventilen abtrennbar. Dies ist für einen Kühlbetrieb des Klimagerätes im Sommer vorteilhaft, da der äußere Wärmetauscher nicht zusätzlich mit Abwärme aus dem Kühlkreislauf für die elektrische Antriebs vorrichtung beaufschlagt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur noch näher erläutert, wobei auch enthaltene Tempe raturangaben nur beispielhaft gemeint sind und von der Art der eingesetzten elektrischen Antriebsvorrichtung abhängen können. Die einzige Figur zeigt eine schematische Blockdia grammdarstellung eines Klimagerätes in Kombination mit einem Kühler bei einem batteriebetriebenen Schienenfahrzeug.
Die Figur gliedert sich in einen oberen Teil, der ein für ei nen Winterbetrieb z. B. eines Fahrzeugs im Wärmepumpenmodus befindliches Klimagerät 1 für einen Fahrgastinnenraum eines Schienenfahrzeugs veranschaulicht und einen unteren Teil, der einen im Kühlmodus befindlichen Kühler („Chiller") 2 für eine Antriebsbatterie des Schienenfahrzeugs zeigt. Statt eines Batterieantriebs kann gleichermaßen ein Brennstoffzellenan trieb vorgesehen sein, für den die nachstehenden Beschreibun gen genauso gelten.
Das Klimagerät 1 umfasst einen Luftbehandlerteil 3, der zum Konditionieren von Zuluft 4 (z. B. 35 bis 45 °C bei Verlassen des Luftbehandlerteils 3) für einen Fahrgastinnenraum des Schienenfahrzeugs dient. Dazu weist der Luftbehandlerteil 3 einen Zulüfter 5 zum Ansaugen von Frischluft/Umluft, ein Luftfilter 6 und einen Kondensator 7 auf, der von einem Käl temittel des Klimageräts 1 durchströmt ist und thermisch mit der angesaugten Frischluft/Umluft wechselwirkt. Des Weiteren weist das Klimagerät 1 außerhalb des Luftbehand lerteils 3 einen Verdichter 8, einen äußeren Wärmeübertrager (Verdampfer) 9 und ein Expansionsventil 10 auf.
Das Klimagerät 1 kann sowohl in einem Heiz- als auch in einem Kühlbetrieb verwendet werden. Wird das Klimagerät 1 für Heiz zwecke verwendet, arbeitet es, wie in der Figur dargestellt, als Wärmepumpe, wobei am äußeren Wärmeübertrager 9 der Umge bungsluft, die mittels eines Lüfters 11 an dem äußeren Wärme übertrager 9 vorbeigeführt wird, thermische Energie entzogen wird, um das Kühlmedium des Klimagerätes 1 aufzuheizen. Bei spielhaft betragen die Temperaturen der in den Lüfter 11 ein tretenden Umgebungsluft -20 bis 10 °C und am äußeren Wärme übertrager 9 -5 bis -10 °C. Nach Wärmeaustausch zwischen dem äußeren Wärmeübertrager 9 und dem Kühlmedium des Klimagerätes 1 hat das Kühlmedium eine Temperatur von -15 bis 0°C. Nach Verlassen des äußeren Wärmeübertragers 9 gelangt das erwärmte Kühlmedium über den Verdichter 8 zu dem Kondensator 7 des Klimagerätes 1. Bei Eintritt in den Kondensator 7 liegt die Temperatur des Kühlmediums bei 65 bis 55 °C.
Beim Betrieb des Klimagerätes 1 als Wärmepumpe kann es je nach vorliegender Umgebungslufttemperatur zu einer Vereisung des äußeren Wärmeübertragers 9 kommen.
Um einer Vereisung des äußeren Wärmeübertragers 9 vorzubeugen bzw. dieser entgegenzuwirken, ist dem äußeren Wärmeübertrager 9, bezogen auf eine Strömungsrichtung des Umgebungsluftstroms 12 ein Abwärme-Wärmeübertrager 13 vorgeschaltet, der zwischen dem Lüfter 11 und dem äußeren Wärmeübertrager 9 angeordnet ist. Die Temperatur der Umgebungsluft am Abwärme- Wärmeübertrager 13 beträgt 10 bis 18 °C.
Der vorgesehene Abwärme-Wärmeübertrager 13 wird von einem Kühlmedium, hier Wasser, eines Batteriekühlkreises 14 durch strömt. Eine Vorlauftemperatur des Kühlmediums des Batteriekühlkrei- seswird von dem Kühler 2 bestimmt. Der Kühler 2 umfasst einen Verdichter 15, einen Kondensator 16 nebst zugehörigem Konden sator-Lüfter 17, ein Expansionsventil 18 und einen Verdampfer 19.
Am Verdampfer 19 des Kühlers 2 erfolgt eine thermische Wech selwirkung eines Kühlmediums des Kühler-Kreislaufs mit dem Kältemittel des Batteriekühlkreises 14. Insbesondere der Ver dichter 15, der wie das gesamte Schienenfahrzeug über die Batterieanordnung mit elektrischer Leistung versorgt ist, be nötigt für seinen Betrieb in erheblichem Maße elektrische Leistung. Dies gilt gleichermaßen in einem Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs, wenn die Batterieanordnung zu kühlen ist wie auch in dem Fall, wenn das Fahrzeug abgestellt ist und beispielsweise im Winter die Batterieanordnung zur Einhaltung ihrer vorgegebenen Betriebstemperaturen erwärmt werden muss. Im Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs befindet sich der Kühler 2 in seinem Kühlmodus, wobei eine Vorlauftemperatur in einer Zuleitung 20 des Batteriekühlkreises 14 deutlich niedriger (z. B. 15-20 °C) ist als eine Rücklauftemperatur (z. B. 18-25 °C) in einer Rückleitung 21.
Vor Erreichen des Verdampfers 19 wird aus der Rückleitung 21 des Batteriekühlkreises 14 durch den Kühlvorgang der Batte rieanordnung erwärmtes Kühlwasser dem Abwärme-Wärmeübertrager 13 zugeleitet, der dem äußeren Wärmeübertrager 9 des Klimage rätes 1 vorgeschaltet ist. Durch die thermische Wechselwir kung des erwärmten Kühlwassers mit der Umgebungsluft am Ab wärme-Wärmeübertrager 13 wird die Umgebungsluft vorerwärmt. Die vorerwärmte Umgebungsluft bewirkt, dass entweder einer Vereisung das äußeren Wärmeübertragers 9 des Klimagerätes 1 entgegen gewirkt oder sogar eine Vereisung des äußeren Wärme übertragers 9 vollständig vermieden wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass ein Abtauen des äußeren Wärmeübertragers 9 im dann vorliegenden „Kälteprozess" des Klimagerätes ohne Ein satz eines Heizregisters 23 zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastinnenraum herbeigeführt werden kann oder das Heizre- gister mit geringerer elektrischer Leistung betrieben werden kann.
Gleichzeitig wird das am Abwärme-Wärmeübertrager 13 entwärmte Kühlwasser zur Zuleitung 20 des Batteriekühlkreises 14 zu rückgeführt. Bezogen auf eine von einer Pumpe 22 in der Rück leitung 21 bestimmte Strömungrichtung des Kühlwassers des Batteriekühlkreises 14 ist somit eine Eingangsseite des vor geschalteten Abwärme-Wärmeübertragers 13 mit einer Eingangs seite des Verdampfers 19 des Kühlers 2 und eine Ausgangsseite des vorgeschalteten Abwärme-Wärmeübertragers 13 mit einer Ausgangsseite des Verdampfers 19 des Kühlers jeweils strö mungstechnisch verbunden.
Da somit ein Teil des über die Rückleitung 21 zum Kühler 2 zurückströmenden Kühlwassers durch den Vorerwärmungsprozess am Abwärme-Wärmeübertrager 13 vollzogen wird, kann der Ver dichter 15 mit geringerer elektrischer Leistung betrieben werden, da er nicht sämtliches erwärmtes, über die Rücklei tung 21 zum Verdampfer 19 gelangendes Kühlwasser auf eine ge eignete Temperatur herunterkühlen muss. Abhängig davon, in welchem Umfang das Kühlwasser bereits an dem Abwärme- Wärmeübertrager 13 entwärmt worden ist, kann ggf. auf einen Betrieb eines Verdichters 15 vollständig verzichtet werden, was eine erhebliche Einsparung elektrischer Leistung mit sich bringt.
Im Ergebnis ist festzustellen, dass durch die Vorerwärmung der Umgebungsluft am Abwärme-Wärmeübertrager 13 für Abtau ungsprozesse des äußeren Wärmeübertragers 9 elektrische Leis tung für ein vorgesehenes Heizregister eingespart werden kann. Zudem wird auch durch einen energiesparenderen Betrieb des Verdichters 15 elektrische Leistung eingespart. Insofern bewirken die vorgenommenen Maßnahmen einen geringeren Ver brauch elektrischer Leistung für das Gesamtsystem aus Klima gerät 1, Kühler 2 und Batteriekühlkreis 14. Insbesondere für einen Sommerbetrieb ist vorgesehen, dass mittels Ventilen 24,25 der Kühlkreislauf für die elektrische Antriebsvorrichtung von dem Klimagerät 1 abtrennbar ist. In diesem Fall wechselwirkt das erwärmte Kühlwasser ausschließ- lieh mit dem Verdampfer 19 des Kühlers 2.
Zudem ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der äußere Abwärme-Wärmeübertrager 9 des Klimagerätes 1 mit einem am äußeren Wärmeübertrager 9 angeordneten Temperatursensor 26 zum Feststellen einer Vereisung des äußeren Abwärme-
Wärmeübertragers 9 ausgestattet ist. Außerdem gehen in die Bewertung, ob ein Abtauvorgang erforderlich ist oder nicht, noch Messwerte ein, die von einem Sauggastemperatursensor 27, einem Saugdrucksensor 28 und ggf. auch von einem Hochdruck- sensor 29 bereit gestellt werden. Die Sensoren 26, 27, 28, 29 sind sämtlich mit einer Steuereinrichtung 30 des Klimagerätes 1 signaltechnisch verbunden und bei Feststellen einer Verei sung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers 9, die einen Abtau vorgang erforderlich macht, wird der Kreislauf des Klimagerä- tes 1 durch die Steuereinrichtung deaktiviert.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug zur Personenbeförderung,
- mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die im Betrieb des Fahrzeuges mittels eines Kühlers (2) dauerhaft gekühlt ist, und
- mit einem Klimagerät (1) zur Klimatisierung eines Fahrgas tinnenraums des Fahrzeugs, wobei
- das Klimagerät (1) einen äußeren Wärmeübertrager (9) auf weist, mittels dem in einem Wärmepumpenbetrieb des Klimagerä tes (1) einer Umgebung des Fahrzeugs Wärme dadurch entnommen wird, dass Umgebungsluft durch einen dem äußeren Wärmeüber trager (9) zugeordneten Lüfter (11) an dem äußeren Wärmeüber trager (9) vorbeigeführt wird, und
- die elektrische Antriebsvorrichtung mittels eines Kühl kreislaufs (14) gekühlt ist, dessen Kühlmedium mittels des Kühlers (2) temperiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf den von dem Lüfter (11) erzeugten Umgebungsluft strom, dem äußeren Wärmeübertrager (9) des Klimagerätes (1) ein Abwärme-Wärmeübertrager (13) vorgeschaltet ist, der mit von der elektrischen Antriebsvorrichtung zu dem Kühler (2) zurückströmenden Kühlmedium beaufschlagt ist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsseite des vorgeschalteten Abwärme- Wärmeübertragers (13) mit einer Eingangsseite eines Verdamp fers (19) des Kühlers (2) und eine Ausgangsseite des vorge schalteten Abwärme-Wärmeübertragers (13) mit einer Ausgangs seite des Verdampfers (19) des Kühlers jeweils strömungstech- nisch verbunden ist.
3. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsvorrichtung von einer Batterie oder einer Brennstoffzelle gebildet ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug spurgeführt ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Wärmeübertrager (9) des Klimagerätes mit einem Temperatursensor (26) zum Feststellen einer Vereisung des äu ßeren Wärmeübertragers (9) ausgestattet ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (30) des Klimagerätes (1) mit dem Tem peratursensor (26) signaltechnisch verbunden ist und bei Feststellen einer Vereisung des äußeren Wärmeübertragers (9) einen Kreislauf des Klimagerätes (1) deaktiviert.
7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf für die elektrische Antriebsvorrichtung von dem Klimagerät 1 mittels Ventilen (24, 25) strömungstechnisch abtrennbar ist.
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