EP4608660A1 - Verfahren zur regelung des sekundärkreislaufs einer wärmepumpe - Google Patents

Verfahren zur regelung des sekundärkreislaufs einer wärmepumpe

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Publication number
EP4608660A1
EP4608660A1 EP24700731.3A EP24700731A EP4608660A1 EP 4608660 A1 EP4608660 A1 EP 4608660A1 EP 24700731 A EP24700731 A EP 24700731A EP 4608660 A1 EP4608660 A1 EP 4608660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
temperature
heat exchanger
heat
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
EP24700731.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Stockhammer
Timo Sandro Schmidt
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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 Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4608660A1 publication Critical patent/EP4608660A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B60H1/00278—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit for the battery
    • 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
    • B60H1/00885—Controlling the flow of heating or cooling liquid, e.g. valves or pumps
    • 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
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B60H2001/00307—Component temperature regulation using a liquid flow

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the secondary circuit of a heat pump with a coolant circuit in which a coolant circulates, in which in a first step the coolant absorbs heat from the environment with the aid of an air-coolant heat exchanger through which the ambient air and the coolant flow, and the coolant is passed on to an electronic component or unit at the set temperature.
  • the temperature of the coolant can be measured after the air-coolant heat exchanger and, in another version, also after the refrigerant-coolant heat exchanger.
  • a second step heat from at least one component is absorbed by the coolant and the coolant is then passed on to the coolant-refrigerant heat exchanger
  • a third step heat is extracted from the coolant by the coolant-refrigerant heat exchanger and fed to a consumer, and the coolant cooled in the coolant-refrigerant heat exchanger is passed back to the air-coolant heat exchanger at the coolant temperature set by the control system.
  • the heat required to heat the vehicle cabin is obtained from various energy sources.
  • the air in the vehicle cabin can be heated using electrical energy from the battery, but this reduces the energy available for the drive and the range of movement.
  • the extraction of heat from thermal energy sources that have an unsuitable temperature level for heating the vehicle cabin requires heat pumps to adjust the temperature level. Heat pumps can, for example, extract heat from the ambient air and absorb the heat lost by components in the vehicle. and pass it on to the vehicle cabin.
  • WO 2010/001116 A2 relates to a Kontra II system for a heat exchanger with means for determining a dew point.
  • the heat exchanger is part of a room heating system.
  • the control system determines the dew point temperature of the room air and controls an air heat pump used for the climate in the room so that, depending on the respective climate conditions in the room, no condensation of the room air occurs.
  • One aspect of the invention relates to a method for controlling the secondary circuit of a heat pump in which a coolant circulates.
  • the coolant reaches the coolant-refrigerant heat exchanger at any flow temperature and is heated to the target temperature cooled, the heat from the coolant is conducted by the heat pump to consumers, e.g.: vehicle interior, battery, heat storage.
  • consumers e.g.: vehicle interior, battery, heat storage.
  • the temperature in front of the air-coolant heat exchanger is monitored by a control system and kept within the component limits by means of control interventions.
  • heat is transferred from the environment to the coolant via the air-coolant heat exchanger.
  • the air-coolant heat exchanger absorbs heat from the ambient air and transfers it to the coolant, thereby increasing the temperature of the coolant to the target temperature.
  • the air-coolant heat exchanger can have a device such as a fan that sucks in ambient air and directs it into or through the air-coolant heat exchanger.
  • An adjustable radiator cover can also influence the air flow.
  • the coolant is then directed to an electrical or electronic component or unit via a first line section.
  • the temperature of the coolant can be measured after the air-coolant heat exchanger before the component to be cooled. The measured temperature is transmitted to the computer or the control system. If several components are cooled one after the other by the coolant, the temperature of the coolant can be measured by a sensor before each of the components. In addition, the temperature of the coolant can be measured after the component or after the last component to be cooled.
  • heat is released from the electrical or electronic component or unit into the coolant.
  • the coolant is then conducted from the electrical or electronic component or unit to a coolant-refrigerant heat exchanger via a second line section of the coolant circuit.
  • a third process step heat is extracted from the coolant as it flows through the coolant-refrigerant heat exchanger and fed to a consumer via the heat pump, the temperature of the coolant is cooled to the target temperature.
  • the heat pump is a machine with a refrigerant circuit that absorbs thermal energy at a low temperature level at the coolant-refrigerant heat exchanger and feeds it to a consumer at a higher temperature level.
  • the heat exchange units mentioned are connected to each other via pipes.
  • the individual pipe sections can include a flexible hose or be made of a flexible hose that is adapted to the installation situation.
  • the surfaces of the line sections enable an energy exchange with the ambient air, in which heat from the ambient air is supplied to the coolant flowing in the respective line section, so that, as an example for a line section, the temperature of the coolant at the inlet to the air-coolant heat exchanger is higher than at the outlet of the coolant-refrigerant heat exchanger.
  • the extent of the energy transfer can be influenced by the choice of hose material, so that one can speak of a fourth process step.
  • a conveying device is integrated in the closed coolant circuit, which conveys the coolant through the coolant circuit.
  • the conveying device can be a conveying pump.
  • the conveying pump can be arranged in particular in the second line section, which connects the at least one electrical or electronic component or unit to the coolant-refrigerant heat exchanger.
  • the pump ensures a sufficient coolant mass flow in the coolant circuit.
  • the pump can be an adjustable conveying pump, so that the coolant mass flow or the flow rate of the coolant in the coolant circuit can be adjusted by, for example, the regulation or control.
  • the at least one electrical or electronic unit is a traction component of an electrically driven vehicle, such as an electric motor, a DC/DC converter, a DC/AC converter, a battery arrangement or a component of the battery arrangement for operating the electric drive motor for the vehicle.
  • an electrically driven vehicle such as an electric motor, a DC/DC converter, a DC/AC converter, a battery arrangement or a component of the battery arrangement for operating the electric drive motor for the vehicle.
  • the heat obtained in the third process step by the coolant-refrigerant heat exchanger is used in a design for tempering a passenger compartment of a battery-electric vehicle.
  • the heat extracted from the coolant by the coolant of the coolant-refrigerant heat exchanger can be used to heat the passenger compartment, whereby the heating temperature can be set by an occupant of the vehicle.
  • the heat can be used to temper the battery or to charge a heat storage device.
  • the temperature in the vicinity of the air-coolant heat exchanger is measured with a first sensor and the air humidity in the vicinity of the air-coolant heat exchanger is measured with a second sensor.
  • the measured values from the sensors are transmitted to the computer as signals.
  • the computer determines the target temperature on the basis of these values and the stored characteristics of the components.
  • the value of the target temperature is transmitted to the controller.
  • the temperature in the first line section is measured with a sensor and the temperature in the third line section is measured with a sensor and transmitted to a controller.
  • the first sensor and the second sensor can be combined in an intelligent sensor, which uses the air humidity and ambient temperature to directly determine the dew point temperature of the ambient temperature and transmits this to the computer.
  • the control system regulates the heat absorption in the first process step and/or the third process step by adjusting the heat pump, the coolant pump, the radiator cover and the fan in such a way that the heat absorption in the first process step and/or the third process step is maximized by specified target temperatures in the circuit.
  • the target temperature of the coolant can be set so that the temperature of the coolant does not fall below the dew point temperature of the ambient air.
  • the third line section is exposed to the ambient air, so that the third line section forms a further heat exchanger with the environment, in which the temperature of the coolant is changed by the ambient air.
  • One aspect relates to a heat pump, wherein the heat pump is used to extract heat from at least one electrical or electronic component or unit of an electrically powered vehicle and to control the temperature of a consumer of the vehicle.
  • the heat pump comprises a secondary coolant circuit, wherein the coolant circuit comprises an air-coolant heat exchanger with a device that draws in ambient air and through the heat exchanger and a device that controls the air flow through the air-coolant heat exchanger, a pump that controls the coolant mass flow and a coolant-refrigerant heat exchanger and connecting lines.
  • the coolant circuit also contains an electrical or electronic component or unit and temperature sensors.
  • first sensor that measures the ambient air temperature
  • second sensor that measures the humidity of the ambient air
  • computer uses the sensor data and the stored characteristics of the electrical or electronic components or units to determine the target temperatures. These target temperatures are sent to the control system and serve as a control variable so that the temperature of the coolant is subsequently regulated using the coolant-refrigerant heat exchanger and the heat pump so that the calculated target temperatures are at least largely maintained.
  • the electrical or electronic component or unit through which the coolant flows comprises a cooling structure through which the coolant flows.
  • the cooling structure can be a cooling plate to which, for example, batteries and/or components of a battery arrangement are connected, a cooling housing for, for example, a motor or motor parts, with channels through which the coolant flows.
  • the coolant can also be sprayed directly in a motor housing, for example onto the winding heads of an electric machine or the electrically driven motor.
  • the component can in particular be a traction component, such as the electric motor, a battery arrangement, a DC/DC converter or a DC/AC converter.
  • the coolant circuit further comprises a further temperature sensor that sends the temperature of the coolant in the coolant circuit upstream of the air-coolant heat exchanger to the controller.
  • the controller adjusts the performance of the Heat pump or the temperature of the refrigerant in the coolant-refrigerant heat exchanger when the temperature falls below or exceeds a specified target value.
  • the limit is determined by the electrical or electronic component or unit, with the most sensitive component in the chain defining the temperature limits.
  • the target temperatures are set to the same as the dew point temperature of the ambient air, this prevents the humidity in the ambient air from condensing on the components in the coolant circuit and the condensate from freezing at certain temperatures.
  • Both the condensate and the ice can damage or destroy components, for example by corroding them or causing mechanical damage when ice forms.
  • the line or line sections of the coolant circuit can be insulated at least in sections.
  • Individual, several or all line sections that connect the secondary circuit can be formed by a hose or can comprise a hose.
  • each of the line sections can consist of a flexible hose that can be easily adapted to the installation environment.
  • the hose can comprise a material that enables or facilitates heat transfer from the ambient air into the coolant via the surface of the hose. If ice forms on the outside at a water and/or ambient temperature below 0°C, the flexible hose can ensure, through its mobility, that the ice is at least partially blown off the surface while driving.
  • the performance of the heat pump depends on a large temperature difference between the temperature of the coolant flowing through the air-coolant heat exchanger and the temperature of the air flowing through the heat exchanger. This means that the greater the temperature difference, the more power or energy can be transferred from the environment into the interior.
  • One aspect relates to an electrically powered vehicle having a battery arrangement, wherein the battery arrangement provides the energy for the electric drive, wherein the vehicle comprises a heat pump with a secondary circuit as described in the preceding paragraphs.
  • the determined target temperature at the air-coolant heat exchanger can be adjusted using the control system via the heat removal at the coolant-refrigerant heat exchanger.
  • the computer determines the target temperature values T4, T5 of the coolant from the values of the sensors and the stored characteristics of the components 500.
  • the computer 230 transmits these target temperature values to a controller 240, which uses the received temperature value as a control variable in order to adjust the temperature of the coolant largely to the target temperatures by means of control interventions.
  • the coolant is now fed to a coolant-refrigerant heat exchanger 400 in which, in a third step III, the heat of the coolant is transferred to a refrigerant of the coolant-refrigerant heat exchanger 400 in a coolant-refrigerant heat exchanger 400, so that the coolant, when flowing out of the coolant-refrigerant heat exchanger, has a temperature T1 that is lower than the temperature at the inlet to the coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the heat obtained can be used to control the temperature of a consumer of the vehicle 100.
  • FIG. 2 shows an example of a heat pump WP with a secondary circuit SE with a target temperature control.
  • the secondary circuit SE comprises an air-coolant heat exchanger 200, a heat exchanger WÜ, a pipe system, in the exemplary embodiment with the pipe sections L1, L2 and L3, a conveying device 300 for conveying the coolant in the coolant circuit, and a coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the target temperatures T4, T5 are calculated by the computer 230 from the ambient temperature T3 and the air humidity F1 as well as from the stored characteristics of the components 500.
  • the target temperatures T4, T5 are transmitted to a controller 240.
  • the secondary circuit of the heat pump WP comprises a sensor 210 that measures a temperature of the ambient air 700 and a sensor 220 that measures the humidity of the ambient air 700.
  • the sensors 210, 220 transmit the measured values for the temperature and humidity of the ambient air 700 to a computer 230.
  • the computer 230 determines the target temperature T4 for T1 and the target temperature T5 for T2 from the stored characteristic data of the components 500 and transmits the result to a controller 240.
  • the controller 240 uses the target temperatures T4, T5 as a control variable in order to set the coolant temperature T1, T2 close to the target temperatures via control lines S1, S2, S3 and S4.
  • the coolant at the temperature T2, which at least largely corresponds to the target temperature T5, is conducted to a heat exchanger WÜ via the first line section L1.
  • a sensor 260 is arranged in the first line section L1, which measures the temperature of the coolant after the air-coolant heat exchanger 200 and sends the result to the controller 240 so that the controller 240 can determine whether the temperature in the first line section L1 at least substantially corresponds to the target temperature T5.
  • the heat exchanger WÜ comprises, for example, a cooling plate 530 for a component 500 or a cooling housing of a component 500.
  • the component 500 is, for example, an electrical or electronic component or unit 500 for driving an electric vehicle 100 ( Figure 3) that generates heat during operation.
  • the heat of the component 500 is used by this method by means of a heat exchanger 610 to control the temperature of a consumer 600, such as the passenger compartment.
  • the component 500 can be, for example, an electric motor 510, a battery arrangement 520, a DC/DC converter 550 or a DC/AC converter.
  • the coolant has a temperature when flowing through the heat exchanger WÜ that is within the temperature limits of the component 500, which at least essentially corresponds to the calculated target temperature T2, the component is protected from impermissible thermal stress.
  • the component 500 exposed to the ambient air 700 may experience no or maximum permissible condensation or icing, which protects the component 500 from damage and destruction by water or ice.
  • the coolant absorbs at least some of the heat from the component 500 and dissipates it.
  • the coolant is heated to a temperature greater than the inlet temperature T2.
  • the coolant with the temperature greater than T2 is conducted in the second line section L2 through a conveying device 300 to a coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the conveying device 300 is an electrically driven conveying pump.
  • the coolant can release energy into the ambient air 700. However, this energy loss can be minimized or completely avoided by thermally insulating the second line section L2 and the conveying device.
  • the coolant-refrigerant heat exchanger 400 is another heat exchanger in which energy from the coolant is transferred to a refrigerant circuit of the coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the heat pump WP absorbs heat from the coolant
  • the coolant is transferred to heat exchangers and released at a higher temperature level, for example into a passenger compartment of the electric vehicle 100 ( Figure 3) or another consumer 600.
  • the energy extracted from the coolant can be made available as heat to the passenger compartment or one or more other consumers 600 on request using known methods.
  • the third line section L3 can act as an additional heat exchanger in which energy from the ambient air 700 is transferred into the coolant. If this is the case, the coolant at the inlet to the air-coolant heat exchanger 200 has a temperature that is higher than the temperature at the outlet of the coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • FIG 3 shows a sketch of an electric vehicle 100 with a driven rear wheel HR and two front wheels VR and with an electric motor 510 and a battery arrangement 520 that provides the energy to drive the electric motor 510.
  • the battery arrangement is arranged on a cooling plate 530 in which cooling channels 540 are formed through which a coolant flows, which dissipates heat from the battery arrangement 520. The coolant can then be passed through the electric motor 510 to cool it.
  • the air-coolant heat exchanger 200 is a heat exchanger through which the coolant of the coolant circuit and the ambient air 700 ( Figure 2) flow.
  • a device 250 is arranged at the air inlet in the air-coolant heat exchanger 200, which sucks in the ambient air 700 and conveys it into the air-coolant heat exchanger 200 and an adjustable radiator cover 251 is arranged. The aim is to supply the coolant with the maximum possible heat without placing an unacceptable thermal load on the components.
  • the target temperature T4, T5 is calculated on the basis of the sensors 210 and 220 and the stored characteristics of the components 500 in the computer 230.
  • the computer 230 determines the target temperatures T4, T5 and forwards the result to a controller 240.
  • the controller 240 sets the target temperatures T4, T5 to T1 and T2 respectively via adjustments to the device 250, 251 and 300 and the heat pump WP, so that the heat absorption in process step III is maximum.
  • the coolant is conducted via the first line section L1 to the electrical or electronic component or unit 500 and/or the cooling plate 530 of the battery arrangement at the target temperature T5 calculated by the computer 230. Since the coolant has a temperature that at least essentially corresponds to the target temperature T5 when flowing through the cooling plate 530, no impermissible thermal stress can occur on the component 500. For example, no condensate formation or icing occurs on the battery arrangement 520 exposed to the ambient air 700, or only the maximum permissible amount.
  • the coolant absorbs at least some of the heat from the battery arrangement 520 and dissipates it.
  • the coolant is heated to a temperature greater than T2. From the battery arrangement 520, the coolant at this temperature is conducted in the line section L2 through a conveyor device 300 to a coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the coolant-refrigerant heat exchanger 400 is another heat exchanger in which
  • the coolant-refrigerant heat exchanger 400 is connected, for example, via the heat pump WP to a passenger compartment of the electric vehicle 100 (or another consumer).
  • the energy extracted from the coolant can be made available to the passenger compartment or other consumers 600 as heat on request using known methods.
  • the coolant flows out of the coolant-refrigerant heat exchanger 400 at a temperature T1 and is conducted to the air-refrigerant heat exchanger 200 via the third line section L3.
  • the third line section L3 can be a hose connection with a flexible hose.
  • the flexible hose allows the third line section L3 to be easily adapted to the installation situation in the electric vehicle 100.
  • the flexible hose also has the advantage that if ice forms on the hose surface due to low ambient temperature or low refrigerant temperature, movements of the hose while the electric vehicle 100 is driving cause the ice to flake off and thus counteract the build-up of a thick layer of ice.
  • the third line section L3 can act as an additional heat exchanger in which energy from the ambient air 700 is transferred into the coolant. If this is the case, the coolant at the inlet to the air-coolant heat exchanger 200 has a temperature T1 that is higher than the temperature at the outlet of the coolant-refrigerant heat exchanger 400.
  • the computer product according to claim 13 is based on the task of calculating the required target temperatures T4, T5 from the data of the sensors 210, 220, 260 and 270 and the characteristics of the electrical and electronic components and units 500. It includes all calculation and analysis methods, algorithms and procedures that are required to regulate the secondary circuit of a heat pump according to the above-mentioned claims in order to maximize the heat absorption of the coolant, regardless of whether the calculations are carried out by a computer 230 and/or a controller 240 in the vehicle, e.g. by a microprocessor in a control unit in which the required data, parameters and algorithms are stored, or whether the calculations are carried out in central locations to which the vehicle data is transmitted by means of communication systems.
  • Cooling plate Cooling structure

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Abstract

Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs einer Wärmepumpe, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt (I) Wärme von der Umgebung mithilfe wenigstens eines Luft-Kühlmittel Wärmeübertragers (200), der von dem Kühlmittel und von der Umgebungsluft durchströmt wird, in das Kühlmittel abgegeben wird, das Kühlmittel bei einer Temperatur (T2) wenigstens zu einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat (500) geleitet wird und in einem zweiten Verfahrensschritt (II) Wärme von dem Bauteil oder Aggregat (500) in das Kühlmittel abgegeben wird, das Kühlmittel anschließend bei einer Temperatur (T3) wenigstens zu einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) weitergeleitet und in einem dritten Verfahrensschritt (III) dem Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) Wärme entzogen und einem Verbraucher (600) zugeführt wird, und die Temperaturen T1 oder/und T2 so geregelt werden, dass die Wärmeaufnahme in Verfahrensschritt (III) maximal ist, und das im Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) abgekühlte Kühlmittel zurück zu dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager (200) geleitet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs einer Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreislauf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, bei dem in einem ersten Schritt mithilfe eines Luft-Kühlmittel Wärmeübertragers, der von der Umgebungsluft und vom Kühlmittel durchströmt wird, das Kühlmittel Wärme aus der Umgebung aufnimmt und das Kühlmittel mit der eingestellten Temperatur zu einem elektronischen Bauteil oder Aggregat weitergeleitet wird.
Mit einem Sensor kann nach dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager und in einer weiteren Ausführung auch nach dem Kältemittel-Kühlmittel Wärmeübertrager die Temperatur des Kühlmittels erfasst werden.
In einem zweiten Schritt wird Wärme von wenigstens einem Bauteil vom Kühlmittel aufgenommen und das Kühlmittel anschließend zum Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager weitergeleitet, und in einem dritten Schritt wird dem Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager Wärme entzogen und einem Verbraucher zugeführt, und das im Kühlmittel- Kältemittel Wärmeübertrager abgekühlte Kühlmittel wird mit der durch die Regelung eingestellten Kühlmitteltemperatur zurück zum Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager geleitet.
Die eingesetzte Regelung maximiert dabei die Wärmeaufnahme des Kühlmittels aus dem Luft- Kältemittel Wärmeübertrager und dem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat.
Die Erfindung betrifft weiterhin den Sekundärkreislauf einer Wärmepumpe und ein Fahrzeug mit Wärmepumpe mit Sekundärkreislauf.
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Fahrzeugen mit E-Motor, die die Antriebsenergie von im Fahrzeug mitgeführten Batterien erhalten, wird die Wärme, die zum Heizen der Fahrzeugkabine benötigt wird, aus verschiedenen Energiequellen gewonnen. Die Erwärmung der Luft in der Fahrzeugkabine kann mittels elektrischer Energie aus der Batterie erfolgen, was aber die zur Verfügung stehende Energie für den Antrieb senkt und den Bewegungsradius reduziert. Die Gewinnung von Wärme aus thermischen Energiequellen, die zum Heizen der Fahrzeugkabine ein ungeeignetes Temperaturniveau aufweisen, erfordert Wärmepumpen zur Anpassung des Temperaturniveaus. Wärmepumpen können zum Beispiel der Umgebungsluft Wärme entziehen und die Verlustwärme von Komponenten im Fahrzeug aufnehmen und in die Fahrzeugkabine weiterleiten. Weitere Aspekte bei der Entwicklung von Wärmepumpen in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb ist das Gewicht, das ebenfalls ein Faktor ist, der eine maximale Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit beeinflusst, sowie die Baugröße, da der Platz zum Einbau von Aggregaten meist begrenzt ist, um Gewicht zu sparen und/oder die Aerodynamik des Fahrzeugs zu optimieren.
Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, die das erkannte Problem angehen und entsprechend ausgelegte Luftwärmepumpen betreffen. So ist aus der KR10-2018-0078074 A eine Luftwärmepumpe für ein Fahrzeug bekannt, die einen ersten Kühlmittelkreislauf für ein erstes Kühlmittel und einen zweiten Kühlmittelkreislauf für ein zweites Kühlmittel umfasst. Der erste Kühlmittelkreislauf umfasst einen Kompressor, der das erste Kühlmittel komprimiert und durch den ersten Kühlmittelkreislauf fördert, einen internen Wärmetauscher, in dem Wärme der Luft im Inneren des Fahrzeugs entzogen wird, und einen externen Wärmetauscher, in dem Wärme der Umgebungsluft entzogen wird. Der interne Wärmetauscher und der externe Wärmetauscher sind über eine Leitung miteinander verbunden, in der Leitung ist ein Diffusor angeordnet. Der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf sind über einen weiteren Wärmetauscher miteinander verbunden, so dass das erste Kühlmittel Wärme an das zweite Kühlmittel abgeben kann. Der zweite Kühlmittelkreislauf temperiert den Fahrgastraum. Die WO 2010/001116 A2 betrifft ein Kontra II system für einen Wärmetauscher mit Mitteln, um einen Taupunkt zu ermitteln. Der Wärmetauscher ist Teil einer Raumheizung. Das Kontrollsystem ermittelt die Taupunkttemperatur der Raumluft und steuert eine für das Klima im Raum verwendete Luftwärmepumpe, so dass es in Abhängigkeit von den jeweiligen Klimabedingungen im Raum zu keiner Kondensation der Raumluft kommt.
Es besteht Bedarf an einem Verfahren zum Temperieren der Fahrgastzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und einer entsprechenden Vorrichtung, damit der Heizbetrieb der Fahrzeugkabine die Reichweite des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs möglichst wenig verringert.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 13 erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens bzw. des Gegenstands werden in abhängigen Ansprüchen behandelt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs einer Wärmepumpe, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Das Kühlmittel erreicht den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager mit einer beliebigen Vorlauftemperatur und wird bis zur Zieltemperatur abgekühlt, die Wärme aus dem Kühlmittel wird dabei mittels der Wärmepumpe zu Verbrauchern, z.B.: Fahrzeuginnenraum, Batterie, Wärmespeicher, geleitet. Von einer Regelung oder Steuerung wird die Temperatur vor dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager überwacht und mittels Stelleingriffen innerhalb der Bauteilgrenzen gehalten.
In einem ersten Verfahrensschritt wird Wärme von der Umgebung über den Luft-Kühlmittel- Wärmeübertrager an das Kühlmittel abgegeben. Der Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager nimmt dabei Wärme aus der Umgebungsluft auf und gibt diese an das Kühlmittel ab, die Temperatur des Kühlmittels wird damit auf die Zieltemperatur erhöht. Zusätzlich kann der Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager eine Vorrichtung, wie beispielsweise einen Ventilator der Umgebungsluft ansaugt und in bzw. durch den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager leitet. Eine einstellbare Kühlerblende kann den Luftstrom ebenfalls beeinflussen. Anschließend wird über einen ersten Leitungsabschnitt das Kühlmittel zu einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat geleitet.
Mittels eines Temperatursensors kann die Temperatur des Kühlmittels nach dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager vor dem zu kühlenden Bauteil erfasst werden. Die erfasste Temperatur wird an den Rechner bzw. die Steuerung übertragen. Bei mehreren Bauteilen, die nacheinander von dem Kühlmittel gekühlt werden, kann vor jedem der Bauteile die Temperatur des Kühlmittels durch einen Sensor erfasst werden. Zusätzlich kann die Temperatur des Kühlmittels nach dem bzw. nach dem letzten zu kühlenden Bauteil erfasst werden.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat in das Kühlmittel abgegeben. Anschließend wird über einen zweiten Leitungsabschnitt des Kühlmittelkreislaufs das Kühlmittel vom elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat zu einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager geleitet.
In einem dritten Verfahrensschritt wird dem Kühlmittel beim Durchfließen des Kühlmittel- Kältemittel Wärmeübertragers Wärme entzogen und über die Wärmepumpe einem Verbraucher zugeführt, die Temperatur des Kühlmittels wird dabei auf die Zieltemperatur abgekühlt. Bei der Wärmepumpe handelt es sich um eine Maschine mit einem Kältemittelkreislauf, die auf einem niedrigen Temperaturniveau am Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager thermische Energie aufnimmt und diese auf einem höheren Temperaturniveau einem Verbraucher zuführt. Die genannten Wärmeaustauschaggregate sind über Leitungen miteinander verbunden. Die einzelnen Leitungsabschnitte können einen flexiblen Schlauch umfassen oder aus einem flexiblen Schlauch gebildet sein, der an die Einbausituation angepasst ist.
Ist die Temperatur des Kühlmittels im jeweiligen Leitungsabschnitt unterhalb der Umgebungstemperatur, ermöglichen die Oberflächen der Leitungsabschnitte einen Energieaustausch mit der Umgebungsluft, bei dem Wärme von der Umgebungsluft dem im jeweiligen Leitungsabschnitt fließenden Kühlmittel zugeführt wird, so dass als Beispiel für einen Leitungsabschnitt die Temperatur des Kühlmittels beim Einlass in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager höher ist als am Ausgang des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertragers. Das Maß des Energieübergangs kann durch die Wahl des Schlauchmaterials beeinflusst werden, so dass man von einem vierten Verfahrensschritt sprechen kann.
Der erste Leitungsabschnitt, der zweite Leitungsabschnitt und der dritte Leitungsabschnitt bilden zusammen mit dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager, den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager und wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat den Kühlmittelkreislauf.
In einer Ausführung ist in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf eine Fördereinrichtung integriert, die das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf fördert. Bei der Fördereinrichtung kann es sich um eine Förderpumpe handeln. Die Förderpumpe kann insbesondere in dem zweiten Leitungsabschnitt, der das wenigstens eine elektrische oder elektronische Bauteil oder Aggregat mit dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager verbindet, angeordnet sein. Durch die Pumpe wird ein ausreichender Kühlmittelmassenstrom in dem Kühlmittelkreislauf sichergestellt. Bei der Pumpe kann es sich um eine verstellbare Förderpumpe handeln, so dass der Kühlmittelmassenstrom bzw. die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf durch beispielsweise die Regelung oder Steuerung eingestellt werden kann.
Bei dem wenigstens einen elektrischen oder elektronischen Aggregat handelt es sich in einer Ausführung um eine Traktionskomponente eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie einen E-Motor, einen DC/DC-Wandler, einen DC/AC-Wandler, eine Batterieanordnung oder eine Komponente der Batterieanordnung zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors für das Fahrzeug.
Die im dritten Verfahrensschritt durch den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager gewonnene Wärme wird in einer Ausführung zum Temperieren einer Fahrgastzelle eines batterieelektrischen Fahrzeugs genutzt. Insbesondere kann die durch das Kältemittel des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertragers dem Kühlmittel entzogene Wärme zum Heizen der Fahrgastzelle benutzt werden, wobei die Heiztemperatur von einem Insassen des Fahrzeugs eingestellt werden kann. In einer weiteren Ausführung kann die Wärme zum Temperieren der Batterie oder zum Laden eines Wärmespeichers verwendet werden.
In einer Ausführung werden die Temperatur in der Umgebung des Luft-Kühlmittel Wärmeübertragers mit einem ersten Sensor und eine Luftfeuchte der Umgebung des Luft- Kühlmittel Wärmeübertragers mit einem zweiten Sensor gemessen. Die Messwerte der Sensoren werden als Signale an den Rechner übermittelt. Auf Basis dieser Werte und aus den gespeicherten Kenndaten der Bauteile wird vom Rechner die Zieltemperatur ermittelt. Der Wert der Zieltemperatur wird an die Steuerung übermittelt. Zusätzlich werden mit einem Sensor die Temperatur im ersten Leitungsabschnitt und mit einem Sensor die Temperatur im dritten Leitungsabschnitt gemessen und an eine Steuerung übermittelt. Der erste Sensor und der zweite Sensor können in einem intelligenten Sensor kombiniert sein, mit dem aus Luftfeuchte und Umgebungstemperatur direkt die Taupunkttemperatur der Umgebungstemperatur ermittelt und an den Rechner übertragen wird.
Von der Steuerung wird mit Stelleingriffen an der Wärmepumpe, der Kühlmittelpumpe, der Kühlerblende und dem Gebläse die Wärmeaufnahme im ersten Verfahrensschritt oder/und dritten Verfahrensschritt so geregelt, dass die Wärmeaufnahme im ersten Verfahrensschritt oder/und dritten Verfahrensschritt durch festgelegte Zieltemperaturen im Kreislauf maximal ist.
Als Beispiel kann die Zieltemperatur des Kühlmittels so festgelegt werden, dass die Temperatur des Kühlmittels die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft nicht unterschreitet. Der dritte Leitungsabschnitt ist in einer Ausführung der Umgebungsluft ausgesetzt, so dass der dritte Leitungsabschnitt einen weiteren Wärmeübertrager mit der Umgebung bildet, bei dem die Temperatur des Kühlmittels durch die Umgebungsluft geändert wird.
Ein Aspekt betrifft eine Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe zur Gewinnung von Wärme aus wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und zum Temperieren eines Verbrauchers des Fahrzeugs verwendet wird.
Die Wärmepumpe umfasst einen sekundären Kühlmittelkreislauf, wobei der Kühlmittelkreislauf einen Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager mit einer Vorrichtung, die Umgebungsluft ansaugt und durch den Wärmeübertrager leitet und einer Vorrichtung, die den Luftstrom durch den Luft- Kühlmittel Wärmeübertrager steuert, einer Pumpe, die den Kühlmittelmassenstrom steuert und einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager und Verbindungsleitungen enthält. Im Kühlmittelkreislauf sind weiters ein elektrisches oder elektronisches Bauteil oder Aggregat und Temperatursensoren enthalten.
Ferner existiert für die Regelung des Kühlmittelkreislaufs ein erster Sensor, der die Umgebungslufttemperatur misst, ein zweiter Sensor, der eine Luftfeuchte der Umgebungsluft misst, ein Rechner und eine Steuerung. Der erste Sensor und der zweite Sensor senden Signale, die den gemessenen Werten entsprechen, an den Rechner. Der Rechner bestimmt mit den Sensordaten und den gespeicherten Kenndaten der elektrischen oder elektronischen Bauteile oder Aggregate die Zieltemperaturen. Diese Zieltemperaturen werden an die Steuerung gesandt und dienen als Regelgröße, damit im Folgenden die Temperatur des Kühlmittels mithilfe des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertragers und der Wärmepumpe so eingeregelt wird, dass die berechneten Zieltemperaturen zumindest weitgehend eingehalten werden.
Das Kühlmittel, das im Sekundärkreislauf der Wärmepumpe zirkuliert, ist in einer Ausführung Wasser, zum Beispiel destilliertes Wasser mit einem Gefrierpunkt von weniger als 0°C. Bevorzugt ist das Kühlmittel ein Gemisch aus Glykol und destilliertem Wasser. Wenn die Wicklungen des E-Motors direkt gekühlt werden und/oder wenn Batterien im Kreislauf vorhanden sind, werden bevorzugt Öle als Kühlmittel verwendet.
Das elektrische oder elektronische Bauteil oder Aggregat, das von dem Kühlmittel durchflossen wird, umfasst in einer Ausführung eine Kühlstruktur, die von dem Kühlmittel durchflossen wird. Bei der Kühlstruktur kann es sich um eine Kühlplatte handeln, mit der beispielsweise Batterien und/oder Komponenten einer Batterieanordnung verbunden sind, ein Kühlgehäuse für beispielweise einen Motor oder Motorteile, mit Kanälen durch die das Kühlmittel fließt. Das Kühlmittel kann in einem Motorgehäuse auch direkt zum Beispiel auf die Wickelköpfe einer E- Maschine bzw. des elektrisch angetriebenen Motors gespritzt werden. Das Bauteil kann insbesondere eine Traktionskomponente sein, wie der E-Motor, eine Batterieanordnung, ein DC/DC-Wandler oder ein DC/AC-Wandler
In einer Ausführung umfasst der Kühlmittelkreislauf ferner einen weiteren Temperatursensor, der die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf vor dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager an die Steuerung sendet. Die Steuerung passt die Leistung der Wärmepumpe bzw. die Temperatur des Kältemittels im Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertragers an, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Zielwert unter- oder überschreitet.
Der Grenzwert wird durch das elektrische oder elektronische Bauteil oder Aggregat bestimmt, wobei das empfindlichste Bauteil in der Kette die Temperaturgrenzen definiert.
Werden als Beispiel die Zieltemperaturen gleich der Taupunkttemperatur der Umgebungsluft gesetzt, wird vermieden, dass Luftfeuchte der Umgebungsluft an den Bauteilen, die im Kühlmittelkreislauf liegen, kondensiert und das Kondensat bei entsprechenden Temperaturen gefriert. Sowohl das Kondensat als auch das Eis können Bauteile schädigen oder zerstören, wie beispielsweise korrodieren oder bei Eisbildung mechanisch beschädigen.
Die Leitung oder Leitungsabschnitte des Kühlmittelkreislaufs können wenigstens streckenweise isoliert sein. Einzelne, mehrere oder sämtliche Leitungsabschnitte, die den Sekundärkreislauf verbinden, können durch einen Schlauch gebildet sein oder einen Schlauch umfassen. So kann jeder der Leitungsabschnitte beispielsweise aus einem flexiblen Schlauch besteht, der einfach der Einbauumgebung angepasst werden kann. Der Schlauch kann ein Material umfassen, das einen Wärmeübergang von der Umgebungsluft in das Kühlmittel über die Oberfläche der Verschlauchung ermöglicht oder erleichtert. Der flexible Schlauch kann bei einer Eisbildung auf der Außenseite bei einer Wasser- und/oder Umgebungstemperatur unter 0°C durch seine Beweglichkeit dafür sorgen, dass das Eis von der Oberfläche zumindest teilweise während der Fahrt abgesprengt wird.
Eine Leistung der Wärmepumpe ist abhängig von einer hohen Temperaturspreizung zwischen der Temperatur des Kühlmittels, das durch den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager fließt, und der Temperatur der Luft, die durch den Wärmeübertrager fließt. Das bedeutet, je größer die Temperaturspreizung ist, desto mehr Leistung bzw. Energie kann von der Umwelt in den Innenraum übertragen werden.
Ein Aspekt betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Batterieanordnung, wobei die Batterieanordnung die Energie für den elektrischen Antrieb zur Verfügung stellt, wobei das Fahrzeug eine Wärmepumpe mit einem Sekundärkreislauf umfasst, wie sie in den vorhergehenden Absätzen beschrieben wurde. Beispiel
Die Ausgangssituation: Die Umgebungstemperatur, in der sich ein mit einem E-Motor angetriebenes Fahrzeug, zum Beispiel ein batterieelektrisches Fahrzeug, mit einer vorbesprochenen Wärmepumpe mit Sekundärkreislauf bewegt, liegt unter 15°C, und der Fahrgastraum stellt eine Heizanforderung.
Als erstes erfolgt die sensorische Erfassung der aktuellen Temperaturen vor dem Luft- Kühlmittel Wärmeübertrager und vor dem Bauteil. Die durch den Rechner berechneten Zieltemperaturen ergeben sich aus den gespeicherten Kenndaten der Bauteile, der Umgebungstemperatur und der Feuchte der Umgebungsluft. Ist eine Kondensatbildung unzulässig, liegt abhängig von den Bauteilen oder Traktionskomponenten die Zieltemperatur im Bereich des ermittelten Taupunkts der Umgebungsluft. Dabei definiert bei mehreren Bauteilen das empfindlichste Bauteil in der Kette die Zieltemperatur.
Über die Wärmeabnahme am Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager lässt sich die ermittelte Zieltemperatur am Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager mittels der Steuerung einregeln.
Das heißt, die Regelung maximiert durch die Zieltemperatur die Wärmeaufnahme des Kühlmittels am Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager als auch durch die Zieltemperatur die Wärmeaufnahme am Bauteil bei gleichzeitigem Schutz der Bauteile. Es resultiert ein Energieeffizienzvorteil gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen.
Im Folgenden werden anhand von Figuren jeweils ein Ausführungsbeispiel für das beschriebene Verfahren, die beschriebene indirekte Luftwärmepumpe und das Fahrzeug mit der indirekten Luftwärmepumpe näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Figur 1: ein Verfahren zur Regelung einer indirekten Luftwärmepumpe;
Figur 2: eine indirekte Luftwärmepumpe für ein Fahrzeug mit einem E-Motor;
Figur 3: ein Fahrzeug mit E-Motor und der indirekten Luftwärmepumpe von Figur 2.
Die Figur 1 zeigt skizzenhaft ein Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs einer Wärmepumpe WP, wie sie beispielhaft in der Figur 2 gezeigt ist.
Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt I, bei dem Wärme von der Umgebung mithilfe wenigstens eines Luft-Kühlmittel Wärmeübertragers 200, der von dem Kühlmittel und von der Umgebungsluft 700 (Figur 2) durchströmt wird, in das Kühlmittel abgegeben wird. Durch Stelleingriffe an der Wärmepumpe WP und der Vorrichtung 250, 251, und 300 wird die Kühlmitteltemperatur T2 auf die Zieltemperatur T5 und die Kühlmitteltemperatur T1 auf die Zieltemperatur T4 eingestellt (Figur 2). Zum Ermitteln der Zieltemperaturen T4, T5 wird mit einem Sensor 210 die Lufttemperatur und mit einem Sensor 220 die Luftfeuchte der Umgebungsluft 700 gemessen. Die Sensoren 210, 220 übertragen die gemessenen Werte an einen Rechner 230. Im Rechner 230 ist eine Zieltemperaturberechnung integriert. Aus Werten der Sensoren und den gespeicherten Kenndaten der Bauteile 500 ermittelt der Rechner die Zieltemperaturwerte T4, T5 des Kühlmittels. Diese Zieltemperaturwerte übermittelt der Rechner 230 an eine Steuerung 240, die den empfangenen Temperaturwert als Steuergröße nutzt, um die Temperatur des Kühlmittels mittels Stelleingriffen weitgehend an die Zieltemperaturen anzugleichen.
Das Kühlmittel mit der Zieltemperatur T5 wird dann zu einem Bauteil 500 weitergeleitet. Bei dem Bauteil 500 handelt es sich um ein elektrisches oder elektronisches Bauteil 500, das im Betrieb Wärme erzeugt.
In einem zweiten Schritt II durchfließt das Kühlmittel das Bauteil 500 respektive zum Beispiel eine Kühlplatte 530 für das Bauteil 500 oder ein Kühlgehäuse des Bauteils 500. Dabei findet ein Wärmeaustausch statt, indem das Kühlmittel zumindest teilweise die Wärme des Bauteils 500 durch Konvektion aufnimmt und abtransportiert. Das Kühlmittel verlässt des Bauteil 500 mit einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur T2.
Das Kühlmittel wird jetzt einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 zugeführt, in dem in einem dritten Schritt III in einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 die Wärme des Kühlmittels in ein Kältemittel des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 übertragen wird, so dass das Kühlmittel beim Ausströmen aus dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager eine Temperatur T1 hat, die niedriger ist als die Temperatur am Einlass in den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400. Die gewonnene Wärme kann benutzt werden, um einen Verbraucher des Fahrzeugs 100 zu temperieren.
Vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 fließt das Kühlmittel zum Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200, in dem das Kühlmittel mit der Temperatur T1 in Schritt I wieder beispielsweise auf die berechnete Zieltemperatur T5 erwärmt wird. Die Verbindung vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 zum Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 kann eine flexible Schlauchverbindung sein. Je nach Länge dieser Verbindung kann ein Wärmeübertrag zwischen der Umgebungsluft 700 und dem Kühlmittel erfolgen, so dass beim Einfließen in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 höher sein kann als die Temperatur am Auslass aus dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400.
Die Figur 2 zeigt ein Beispiel einer Wärmepumpe WP mit Sekundärkreislauf SE mit einer Zieltemperaturregelung. Der Sekundärkreislauf SE umfasst einen Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200, einen Wärmeübertrager WÜ, ein Leitungssystem, im Ausführungsbeispiel mit den Leitungsabschnitten L1 , L2 und L3, eine Fördereinrichtung 300 zum Fördern des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf, sowie einen Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400.
Der Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 ist ein Wärmeübertrager WÜ, der von dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislauf und der Umgebungsluft 700 durchströmt wird. Um die Umgebungsluft 700 in und durch den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 zu leiten, ist am Lufteinlass in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 ein Gebläse 250 angeordnet, das Umgebungsluft 700 ansaugt und in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 fördert. Eine Vorrichtung 251 steuert zusätzlich den Luftstrom durch den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200. Die Aufgabe des Luft- Kühlmittel Wärmeübertrager 200 ist es, Wärme aus der Umgebungsluft 700 aufzunehmen und das Kühlmittel in das Kühlmittel abzugeben.
Aus der Umgebungstemperatur T3 und der Luftfeuchte F1 sowie aus den gespeicherten Kenndaten der Bauteile 500 werden vom Rechner 230 die Zieltemperaturen T4, T5 berechnet. Die Zieltemperaturen T4, T5 werden an eine Steuerung 240 übermittelt.
Zur Berechnung der Zieltemperaturen T4, T5 umfasst der Sekundärkreis der Wärmepumpe WP einen Sensor 210, der eine Temperatur der Umgebungsluft 700 misst, und einen Sensor 220, der die Luftfeuchte der Umgebungsluft 700 misst. Die Sensoren 210, 220 leiten die gemessenen Werte für Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft 700 an einen Rechner 230. Der Rechner 230 ermittelt aus den gespeicherten Kenndaten der Bauteile 500 die Zieltemperatur T4 für T1 und die Zieltemperatur T5 für T2 und leitet das Ergebnis an eine Steuerung 240 weiter. Die Steuerung 240 nutzt die Zieltemperaturen T4, T5 als Steuergröße, um über Steuerleitungen S1, S2, S3 und S4 Stellgrößen an der Fördereinrichtung 300, an der Wärmepumpe WP, der Vorrichtung 250 und der Vorrichtung 251 die Kühlmitteltemperatur T1, T2 in der Nähe der Zieltemperaturen einzustellen. Über den ersten Leitungsabschnitt L1 wird das Kühlmittel mit der Temperatur T2, die zumindest weitgehend der Zieltemperatur T5 entspricht, zu einem Wärmeübertrager WÜ geleitet. Im ersten Leitungsabschnitt L1 ist ein Sensor 260 angeordnet, der die Temperatur des Kühlmittels nach dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 misst, das Ergebnis an die Steuerung 240 sendet, so dass die Steuerung 240 feststellen kann, ob die Temperatur im ersten Leitungsabschnitt L1 der Zieltemperatur T5 zumindest im Wesentlichen entspricht.
Der Wärmeübertrager WÜ umfasst beispielsweise eine Kühlplatte 530 für ein Bauteil 500 oder ein Kühlgehäuse eines Bauteils 500. Bei dem Bauteil 500 handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches oder elektronisches Bauteil oder Aggregat 500 zum Antrieb eines E-Fahrzeugs 100 (Figur 3), das im Betrieb Wärme erzeugt. Die Wärme des Bauteils 500 wird durch dieses Verfahren mittels eines Wärmeüberträgers 610 zum Temperieren eines Verbrauchers 600, wie zum Beispiel der Fahrgastzelle, verwendet. Das Bauteil 500 kann beispielsweise ein E-Motor 510, eine Batterieanordnung 520, ein DC/DC-Wandler 550 oder DC/AC-Wandler sein. Dadurch, dass das Kühlmittel beim Durchströmen des Wärmeübertragers WÜ eine Temperatur hat, die innerhalb der Temperaturgrenzen des Bauteils 500 liegt, die der berechneten Zieltemperatur T2 zumindest im Wesentlichen entspricht, wird das Bauteil vor unzulässiger thermischer Belastung geschützt. Zum Beispiel kann es an dem der Umgebungsluft 700 ausgesetzten Bauteil 500 zu keiner oder einer maximal zulässigen Kondensierung oder Vereisung kommen, was das Bauteil 500 vor Beschädigung und Zerstörung durch Wasser oder Eis schützt.
Das Kühlmittel nimmt beim Durchfließen des Wärmeübertragers WÜ zumindest teilweise die Wärme des Bauteils 500 auf und führt diese ab. Dabei wird das Kühlmittel auf eine Temperatur größer der Eintrittstemperatur T2 erwärmt. Vom Wärmeübertrager WÜ wird das Kühlmittel mit der Temperatur größer T2 in dem zweiten Leitungsabschnitt L2 durch eine Fördereinrichtung 300 zu einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 geleitet. Bei der Fördereinrichtung 300 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine elektrisch angetriebene Förderpumpe. Im zweiten Leitungsabschnitt L2 und in der Fördereinrichtung 300 kann das Kühlmittel Energie an die Umgebungsluft 700 abgeben. Dieser Energieverlust kann aber durch thermische Isolation des zweiten Leitungsabschnitts L2 und der Fördereinrichtung minimiert oder vollständig vermieden werden.
Der Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 ist ein weiterer Wärmeübertrager, in dem Energie des Kühlmittels an einen Kältemittelkreislauf des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 abgegeben wird. Die Wärmepumpe WP nimmt Wärme am Kühlmittel- Kältemittel Wärmeübertrager auf und gibt diese auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise in einen Fahrgastraum des E-Fahrzeugs 100 (Figur 3) oder einem anderen Verbraucher 600 ab. Die dem Kühlmittel entnommene Energie kann mittels bekannter Verfahren dem Fahrgastraum oder einem oder mehreren anderen Verbrauchern 600 auf Anforderung als Wärme zur Verfügung gestellt werden.
Das Kühlmittel strömt bei einer Temperatur T1 aus dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 aus und wird über den dritten Leitungsabschnitt L3 zu dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 geleitet. Der dritte Leitungsabschnitt L3 kann eine Schlauchverbindung mit einem flexiblen Schlauch sein. Der flexible Schlauch erlaubt es, den dritten Leitungsabschnitt L3 einfach an die Einbausituation in dem E-Fahrzeug 100 (Figur 3) anzupassen. Der flexible Schlauch hat ferner den Vorteil, dass bei einer Eisbildung an der Schlauchoberfläche aufgrund von niedriger Umgebungstemperatur oder niederer Kältemitteltemperatur Bewegungen des Schlauchs während der Fahrt des E-Fahrzeugs 100 (Figur 3) das Eis abplatzen lassen und somit dem Aufbau einer dicken Eisschicht entgegenwirken.
Bei dem Transport des Kühlmittels vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 zum Luft- Kühlmittel Wärmeübertrager 200 kann der dritte Leitungsabschnitt L3 als zusätzlicher Wärmeübertrager wirken, in dem Energie aus der Umgebungsluft 700 in das Kühlmittel übertragen wird. Ist dies der Fall, so hat das Kühlmittel am Einlass in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 eine Temperatur, die höher ist als die Temperatur am Auslass des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400.
Die Figur 3 zeigt in einer Skizze ein E-Fahrzeug 100 mit einem angetriebenen Hinterrad HR und zwei Vorderrädern VR und mit einem elektrischen Motor 510 und einer Batterieanordnung 520, die die Energie zum Antrieb des E-Motors 510 bereitstellt. Die Batterieanordnung ist auf einer Kühlplatte 530 angeordnet, in der Kühlkanäle 540 gebildet sind, die von einem Kühlmittel durchflossen werden, welches Wärme von der Batterieanordnung 520 abführt. Das Kühlmittel kann anschließend durch den E-Motor 510 geleitet werden, um diesen zu kühlen.
Die Batterieanordnung 520 ist in den Sekundärkreislauf einer Wärmepumpe (Figur 2) eingebunden, dessen Regelung die Wärmeaufnahme des Kühlmittels aus dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 und einem Bauteil 500 maximiert. Der Sekundärkreislauf der Wärmepumpe WP (Figur 2) umfasst einen Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200, ein Leitungssystem, im Ausführungsbeispiel mit den Leitungsabschnitten L1 , L2 und L3, ein Förderelement 300 zum Fördern des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf, sowie einen Kühlmittel- Kältemittel Wärmeübertrager 400.
Der Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 ist ein Wärmeübertrager, der von dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislauf und der Umgebungsluft 700 (Figur 2) durchströmt wird. Um den Luftmassenstrom der Umgebungsluft 700 in und durch den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 steuern zu können, sind am Lufteinlass in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 eine Vorrichtung 250 angeordnet, die Umgebungsluft 700 ansaugt und in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 fördert und eine regelbare Kühlerblende 251 angeordnet. Ziel ist es, dem Kühlmittel die maximal mögliche Wärme zuzuführen, ohne die Bauteile thermisch unzulässig zu belasten.
Die Berechnung der Zieltemperatur T4, T5 erfolgt auf Basis der Sensoren 210 und 220 sowie den gespeicherten Kenndaten der Bauteile 500 im Rechner 230. Der Rechner 230 ermittelt die Zieltemperaturen T4, T5 und leitet das Ergebnis an eine Steuerung 240 weiter. Die Steuerung 240 stellt über Stelleingriffe an der Vorrichtung 250, 251 und 300 und der Wärmepumpe WP die Zieltemperaturen T4, T5 an T1 bzw. T2 ein, sodass die Wärmeaufnahme im Verfahrensschritt III maximal ist.
Über den ersten Leitungsabschnitt L1 wird das Kühlmittel mit der vom Rechner 230 berechneten Zieltemperatur T5 zu dem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat 500 und/oder der Kühlplatte 530 der Batterieanordnung geleitet. Da das Kühlmittel beim Durchströmen der Kühlplatte 530 eine Temperatur hat, die der Zieltemperatur T5 zumindest im Wesentlichen entspricht, kann zu keiner unzulässigen thermischen Beanspruchung des Bauteils 500 kommen. Zum Beispiel kommt es an der Umgebungsluft 700 ausgesetzten Batterieanordnung 520 zu keiner oder nur zu einer maximal zulässigen Kondensatbildung oder Vereisung.
Das Kühlmittel nimmt beim Durchfließen der Kühlplatte 530 zumindest teilweise die Wärme der Batterieanordnung 520 auf und führt diese ab. Dabei wird das Kühlmittel auf eine Temperatur größer T2 erwärmt. Von der Batterieanordnung 520 wird das Kühlmittel mit dieser Temperatur in dem Leitungsabschnitt L2 durch eine Fördereinrichtung 300 zu einem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 geleitet.
Der Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 ist ein weiterer Wärmeübertrager, in dem
Energie des Kühlmittels an einen Kältemittelkreislauf des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 abgegeben wird. Der Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 ist beispielsweise über die Wärmepumpe WP mit einem Fahrgastraum des E-Fahrzeugs 100 (oder einem anderen Verbraucher verbunden. Die dem Kühlmittel entnommene Energie kann mittels bekannter Verfahren dem Fahrgastraum oder anderer Verbraucher 600 auf Anforderung als Wärme zur Verfügung gestellt werden.
Das Kühlmittel strömt bei einer Temperatur T1 aus dem Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 aus und wird über den dritten Leitungsabschnitt L3 zu dem Luft-Kältemittel Wärmeübertrager 200 geleitet. Der dritte Leitungsabschnitt L3 kann eine Schlauchverbindung mit einem flexiblen Schlauch sein. Der flexible Schlauch erlaubt es, den dritten Leitungsabschnitt L3 einfach an die Einbausituation in dem E-Fahrzeug 100 anzupassen. Der flexible Schlauch hat ferner den Vorteil, dass bei einer Eisbildung an der Schlauchoberfläche aufgrund von niedriger Umgebungstemperatur oder niederer Kältemitteltemperatur Bewegungen des Schlauchs während der Fahrt des E-Fahrzeugs 100 das Eis abplatzen lassen und somit dem Aufbau einer dicken Eisschicht entgegenwirken.
Bei dem Transport des Kühlmittels vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400 zum Luft- Kühlmittel Wärmeübertrager 200 kann der dritte Leitungsabschnitt L3 als zusätzlicher Wärmeübertrager wirken, in dem Energie aus der Umgebungsluft 700 in das Kühlmittel übertragen wird. Ist dies der Fall, so hat das Kühlmittel am Einlass in den Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager 200 eine Temperatur T1, die höher ist als die Temperatur am Auslass des Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager 400.
Dem Computerprodukt nach Anspruch 13 liegt die Aufgabe zugrunde, aus den Daten der Sensoren 210, 220, 260 und 270 und den Kenndaten der elektrischen und elektronischen Bauteile und Aggregate 500 die erforderliche Zieltemperaturen T4, T5 zu berechnen. Es umfasst alle Berechnungs- und Analysemethoden, Algorithmen und Verfahren, die erforderlich sind, den Sekundärkreislauf einer Wärmepumpe nach den genannten Ansprüchen zur Maximierung der Wärmeaufnahme des Kältemittels zu regeln, unabhängig davon, ob die Berechnungen durch einen Rechner 230 und/oder eine Steuerung 240 im Fahrzeug, z.B. durch einen Mikroprozessor in einem Steuergerät, in dem die erforderlichen Daten, Parameter und Algorithmen gespeichert sind, erfolgen oder ob die Berechnungen in zentralen Stellen erfolgen, zu denen die Daten des Fahrzeuges mittels Kommunikationssysteme übermittelt werden. Bezugszeichenliste
I Verfahrensschritt
II Verfahrensschritt
III Verfahrensschritt
HR Hinterrad
WP Wärmepumpe
SE Sekundärkreislauf der Wärmepumpe
VR Vorderrad
WÜ Wärmeübertrager
L1 Leitungsabschnitt
L2 Leitungsabschnitt
L3 Leitungsabschnitt
51 Steuerleitung
52 Steuerleitung
53 Steuerleitung
54 Steuerleitung
T1 Temperatur
T2 Temperatur
T3 Temperatur Umgebungsluft
T4 Zieltemperatur für T1
T5 Zieltemperatur für T2
F1 Feuchte Umgebungsluft
100 Fahrzeug, E-Fahrzeug
200 Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager
210 Sensor
220 Sensor
225 intelligenter Sensor
230 Rechner
240 Steuerung
250 Gebläse
251 Vorrichtung regelbare Kühlerblende
260 Sensor
270 Sensor
300 Fördereinrichtung
400 Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager Bauteil
E-Motor, Antrieb
Batterieanordnung
Kühlplatte, Kühlstruktur
Kühlkanal
DC/DC- Wandler
Verbraucher
Wärmeübertrager zum Verbraucher
Umgebungsluft

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung des Sekundärkreislaufs einer Wärmepumpe, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, a. bei dem in einem ersten Verfahrensschritt (I) Wärme von der Umgebung mithilfe wenigstens eines Luft-Kühlmittel Wärmeübertragers (200), der von dem Kühlmittel und von der Umgebungsluft durchströmt wird, in das Kühlmittel abgegeben wird, b. das Kühlmittel bei einer Temperatur (T2) wenigstens zu einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat (500) geleitet wird und in einem zweiten Verfahrensschritt (II) Wärme von dem Bauteil oder Aggregat (500) in das Kühlmittel abgegeben wird, c. das Kühlmittel anschließend bei einer Temperatur (T3) wenigstens zu einem Kühlmittel- Kältemittel Wärmeübertrager (400) weitergeleitet und in einem dritten Verfahrensschritt (III) dem Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) Wärme entzogen und einem Verbraucher (600) zugeführt wird, und d. die Temperaturen T2 oder/und T3 so geregelt werden, dass die Wärmeaufnahme in Verfahrensschritt (III) maximal ist, und e. das im Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) abgekühlte Kühlmittel zurück zu dem Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager (200) geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Kühlmittelkreislauf eine Fördereinrichtung (300) integriert ist, die das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf fördert.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmitteltemperatur (T2) vor einem Verfahrensschritt (II) mit einem Temperatursensor (260) gemessen und an eine Steuerung (240) übermittelt wird, und die Steuerung (240) mittels Stelleingriffen a) an der Wärmepumpe (WP) in Verfahrensschritt (III) die Wärmeübertragung vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager beeinflusst, b) und/oder an einer Vorrichtung (250) in Verfahrensschritt (I) die Wärmeübertragung vom Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager beeinflusst, c) und/oder an einer Vorrichtung (251) in Verfahrensschritt (I) die Wärmeübertragung vom Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager beeinflusst, d) und/oder an der Vorrichtung (300) die Zirkulation des Kühlmittels im Kreislauf beeinflusst, sodass die Kühlmitteltemperatur (T2) vor Verfahrensschritt (II) innerhalb der Tempergrenzen des Bauteils oder Aggregats (500) liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mehreren Bauteilen oder Aggregaten (500) das empfindlichste Bauteil in der Kette eine Temperaturgrenze von (T2) definiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmitteltemperatur (T1) vor einem Verfahrensschritt (I) mit einem Temperatursensor (270) gemessen und an eine Steuerung (240) übermittelt wird, der Steuerung (240) mittels Stelleingriffen a) an der Wärmepumpe (WP) in Verfahrensschritt (III) die Wärmeübertragung vom Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager beeinflusst, b) und/oder an einer Vorrichtung (250) in Verfahrensschritt (I) die Wärmeübertragung vom Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager beeinflusst, c) und/oder an einer Vorrichtung (251) in Verfahrensschritt (I) die Wärmeübertragung vom Luft-Kühlmittel Wärmeübertrager beeinflusst, d) und/oder an der Vorrichtung (300) die Zirkulation des Kühlmittels im Kreislauf beeinflusst, sodass die Kühlmitteltemperatur (T2) vor Verfahrensschritt (II) innerhalb der Tempergrenzen des Bauteils oder Aggregats (500) liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem wenigstens einen elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Aggregat (500) um eine Komponente eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (100), wie einen E-Motor (510), einen DC/DC-Wandler, einen DC/AC-Wandler, eine Batterieanordnung (520) oder eine Komponente einer Batterieanordnung (520) zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (510) für das Fahrzeug (100) handelt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die im dritten Verfahrensschritt (III) durch den Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager (400) gewonnene Wärme a) zum Temperieren einer Fahrgastzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (100), b) und/oder zum Temperieren einer Batterieanordnung (520), c) und/oder zum Temperieren eines Wärmespeichers, d) und/oder zum Temperieren beliebiger Verbraucher (600) genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) die Temperatur (T3) der Umgebungsluft oder/und die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft mittels eines intelligenten Sensors (225) direkt an den Rechner (230) übermittelt werden und auf Basis dieser Werte Temperaturgrenzen (T4) oder/und (T5) für wenigstens die Temperatur (T2) an die Steuerung (240) übermittelt werden, oder b) die Temperatur (T3) der Umgebungsluft mittels eines ersten Sensors (210) und die Luftfeuchtigkeit (F1) der Umgebungsluft mittels eines zweiten Sensors (220) an einen Rechner (230) übermittelt und die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft vom Rechner (230) bestimmt und auf Basis dieser Werte Temperaturgrenzen (T4) oder/und (T5) für wenigstens die Temperatur (T2) an die Steuerung (240) übermittelt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (500) eine Kühlstruktur (530) umfasst, die von dem Kühlmittel durchflossen wird.
10. Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
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