WO2011076198A1 - Wärmetauscheranordnung - Google Patents

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WO2011076198A1
WO2011076198A1 PCT/DE2010/075144 DE2010075144W WO2011076198A1 WO 2011076198 A1 WO2011076198 A1 WO 2011076198A1 DE 2010075144 W DE2010075144 W DE 2010075144W WO 2011076198 A1 WO2011076198 A1 WO 2011076198A1
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vehicle
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heated
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Markus Renner
Theresia Koppe
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Webasto Ag
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger arrangement for heating a region of a vehicle to be heated.
  • a region of a vehicle to be heated such as e.g. to heat the interior of a motor vehicle via a heat exchanger assembly which is exposed to air (i.e., air flowing or flowing around it) to be heated, which is supplied to the area to be heated.
  • air i.e., air flowing or flowing around it
  • the waste heat of the internal combustion engine is used for heating by the warm engine coolant is passed through a heat exchanger assembly in which the heat is transferred to the air to be heated.
  • the heat released is often no longer sufficient to sufficiently heat the passenger compartment, so that partial auxiliary vehicle heating systems are used.
  • the additional vehicle heating devices can be designed such that they are integrated in the engine coolant circuit and heat the engine coolant.
  • Such auxiliary vehicle heating devices can be realized as auxiliary heaters, which only provide heating heat when the drive motor is running, or as auxiliary heaters, which can provide heating heat both when the drive motor is running and when the drive motor is running.
  • DE 199 54 327 A1 describes a method and a device for transporting heat energy generated in a motor vehicle, in which the waste heat of an electrical component is used to heat other vehicle parts, such as the internal combustion engine or the passenger compartment. It is described to couple and decouple two cooling circuits to control the heat flow. It is the object of the present invention to provide a heat exchanger arrangement and a vehicle heating circuit, which enable improved heating of a region of a vehicle to be heated. The object is achieved by a heat exchanger assembly according to claim 1. Advantageous developments are specified in the subclaims.
  • the heat exchanger assembly for heating a region of a vehicle to be heated comprises a first heat exchange element for transferring waste heat from at least one electrical component of the vehicle to be cooled to air and a second heat exchange element for transferring heat from at least one vehicle heater to air.
  • the first heat exchanger element and the second heat exchanger element are arranged such that they are successively acted upon by air to be heated.
  • a vehicle is understood to mean land, water or air vehicles.
  • These may in particular be motor vehicles which have a drive motor.
  • the drive motor can be formed for example by an internal combustion engine, by an electric motor or by a so-called hybrid drive.
  • the present invention is particularly advantageous in the use of electric motors and hybrid drives in which a battery, an electric motor and associated power electronics release heat that must be dissipated.
  • the area to be heated of the vehicle may be formed by a closed space, such as the interior of a road vehicle, or by an open or partially open space, such as is often found in yachts, for example.
  • the term "electrical component to be cooled” is understood to mean an electrical component from which heat has to be dissipated, so that it does not overheat.
  • the electrical component to be cooled does not mean an electrical component which is supplied with electrical power for the purpose
  • a "vehicle heating device” is understood to mean a device which is provided in a vehicle for the purpose of providing heating power, such as a fuel-operated one Vehicle heater or an electrical resistance heater, which may be formed for example by a PTC element.
  • the air to be heated can be heated efficiently by both the waste heat of the electrical components to be cooled and by the vehicle heater. Since two different heat exchanger elements are thus available for the waste heat of the electrical components and the waste heat of the vehicle heating device, a high-temperature circuit and a low-temperature circuit can be realized, wherein the low-temperature circuit via the first heat exchanger element, the loss of heat electrical components, such as a battery, an electric motor and associated power electronics, can efficiently provide for the heating of the area to be heated.
  • simultaneous operation of the vehicle heater may be at a higher temperature level to provide additional heat via the second heat exchanger element. Since the heating air can already be preheated with the waste heat of the electrical components, the vehicle heating device only has to provide a smaller amount of heat in order to provide sufficient heating power for the area to be heated. As a result, the vehicle heater can be operated at a lower power level, thereby lowering the power consumption of the vehicle heater. In a fuel-powered vehicle heater this reduces the fuel consumption, in an electric heating element, the electrical power consumption. If only one lower
  • Heating power requirement for the area to be heated can be heated only with the waste heat of the electrical components.
  • the vehicle heater need only be operated if it requires a high heating power requirement.
  • the first heat exchanger element and the second heat exchanger element can be very easily integrated into a heating, ventilation and air conditioning system (HVAC module, heating venting air conditioning) provided by a vehicle manufacturer. Due to the provision of the second heat exchanger element, no electrical high-voltage PTC heater in the air flow of the air to be heated must be provided for sufficient heating of the area to be heated, so that no high-voltage components need to be provided in an interior of the vehicle. This leads to a significant gain in security.
  • HVAC module heating, ventilation and air conditioning
  • Cooling fluid circuit of the vehicle which also has the electrical components, in a heating operation in which a lot of heating power is to be introduced into the area to be heated, a separation of the electrical components of the part of the cooling liquid circuit carried out in which the heat exchanger for heating air is arranged.
  • the waste heat of the electrical components to be cooled would then have to be dissipated via a cooler to the environment and would no longer be available for heating the area to be heated.
  • a reduction of range with an electric vehicle drive is avoided with the proposed implementation, which are up to 50% with only electric heating can.
  • the provided heat exchanger arrangement thus enables an increased range. Furthermore, during operation, only a smaller battery discharge takes place, which leads to a reduced recharging time of the vehicle battery and to a significantly lower battery load. As a result, a higher battery life is achieved.
  • the first heat exchanger element and the second heat exchanger element are arranged such that first the first heat exchanger element is acted upon by the air to be heated and then the second heat exchanger element.
  • the generally lower temperature level of the first heat exchanger element is used for preheating the air to be heated, and the higher temperature level of the second heat exchanger for further heating.
  • the different temperature levels are used efficiently.
  • first heat exchanger element and the second heat exchanger element are each designed as liquid-air heat exchangers
  • the heat can be transferred to the first heat exchanger.
  • shear element and the second heat exchanger element are respectively supplied via fluid circuits.
  • the vehicle heater has an electric resistance heater, it can be avoided to provide high voltage components in direct contact with an interior of the vehicle.
  • the respective fluid circuits can advantageously also be used to heat the electrical components as needed by the vehicle heater.
  • a liquid-air heat exchanger is understood to mean a heat exchanger in which the heat is transferred from a liquid (as the heat transfer medium) to air.
  • the liquid can be formed for example by a conventional cooling liquid, such as a water-glycol mixture or the like.
  • the first heat exchanger element and the second heat exchanger element are thermally decoupled from each other. Under thermally decoupled is understood that the first heat exchanger element and the second heat exchanger element are formed such that the temperature level of the first heat exchanger element is not directly influenced by the temperature level of the second heat exchanger element and vice versa. In this case, the first heat exchanger element can be reliably operated at a lower temperature level appropriate for heat dissipation from the electrical components, and the second heat exchanger element at a higher temperature level to introduce sufficient heating power into the area to be heated.
  • the first heat exchanger element and the second heat exchanger element are arranged in a common housing.
  • the heat exchanger assembly is provided particularly compact and can be easily integrated into a heating, ventilation and air conditioning module (HVAC module) of a vehicle.
  • HVAC module heating, ventilation and air conditioning module
  • the at least one electrical component to be cooled has a vehicle battery and / or an electric vehicle drive motor and / or at least one electronic component of the drive train of the vehicle.
  • a heat exchanger arrangement is provided with which, particularly in the case of an electric or hybrid vehicle, the waste heat from electrical components can be used efficiently for heating a region to be heated, such as a passenger compartment.
  • Elektronikkom- Components of the drive train can in particular be formed by the power electronics required for an electric drive.
  • the at least one vehicle heating device has a fuel-powered vehicle heating device.
  • heat can be efficiently provided for the area to be heated by the conversion of fuel and combustion air without burdening the power supply of the vehicle, in particular a rechargeable battery.
  • the fuel-powered vehicle heater can also be used in addition to heat as needed. for the battery or the electric motor. It can be in this way e.g. a stand heating can be realized, which does not burden a starter battery or required for the drive battery.
  • the at least one vehicle heating device has an electrical resistance heater.
  • the electrical resistance heating can be provided in particular in addition to a fuel-operated heater.
  • the electrical resistance heating can be realized in particular by known PTC heating elements. With the electrical resistance heating, e.g. then effectively heated when sufficient electrical power is available, e.g. when the battery is fully charged or when charging the battery at a stationary charging station (for example, in the case of an electric car). Further, with the electric resistance heating, heating power for the area to be heated can be provided without releasing exhaust gases as in the operation of a fuel-operated heater. In this way, e.g. achieve efficient heating in areas where the operation of a fuel-operated heater is not permitted, such. in parking garages or Zero Emission Zones.
  • the vehicle heating device is set up such that, when an electrical supply voltage is available, only the electrical resistance heating provides heat. In this case, if there is an availability of an electrical supply voltage (eg when charging the vehicle battery) consumes no fuel for a fuel-fired heater, since this is not operated.
  • the heat provided by the electrical resistance heating can be used for heating a vehicle interior and / or heating the electrical components.
  • the vehicle heating circuit has a previously described heat exchanger arrangement. With the vehicle heating circuit, the respective advantages described above are achieved.
  • the first heat exchanger element is integrated into a first fluid circuit in which the at least one electrical component to be cooled is arranged.
  • the heat transfer from the electrical component to be cooled to the first heat exchanger element can take place via the liquid circulating in the liquid circuit.
  • the first heat exchanger element can be arranged spatially removed from the components to be cooled, so that a high degree of variability is given.
  • several electrical components to be cooled such as e.g. a battery, an electric motor and associated power electronics are integrated in a simple manner in the first fluid circuit.
  • the first heat exchanger is preferably flowed around or through the liquid of the first liquid circulation.
  • the second heat exchanger element is integrated into a second fluid circuit in which the vehicle heating device is arranged.
  • the heat transfer from the vehicle heater to the second heat exchanger element may be via the liquid circulating in the second liquid circuit.
  • the vehicle heating device can also be integrated in a simple manner in such a way that an active heating of the electrical components is made possible, if this is necessary (eg in the case of low outside temperatures).
  • the vehicle heater is an electrical resistance heater, this implementation has the advantage that there are no high voltage components (the electrical resistance heater) in or in direct contact with the vehicle interior must be arranged, which leads to a significant gain in security.
  • the second heat exchanger is preferably flowed around or through the liquid of the second liquid circuit.
  • the first fluid circuit and the second fluid circuit can be connected to one another such that the electrical components can be heated by the vehicle heating device.
  • the vehicle heating device can perform a dual function, namely, on the one hand, heating of the area to be heated and, on the other hand, heating of the electrical components, if necessary.
  • the embodiment is such that the first fluid circuit and the second fluid circuit can be connected to one another via a controller and separated from each other again, so that a simple switching between different operating states is made possible.
  • FIG. 1 shows a vehicle heating circuit with a heat exchanger arrangement according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a vehicle heating circuit 1 according to an embodiment.
  • the vehicle heating circuit 1 is realized in an electric vehicle which is driven by an electric motor 2.
  • Power electronics 3 are provided which form an electronic component of the drive train.
  • a battery 4 is also provided.
  • the battery 4, the power electronics 3 and the electric motor 2 form to be cooled electrical components of a vehicle. Heat must be dissipated from these components to be cooled during operation (at least in some operating conditions of the vehicle) in order to ensure continuity of operation or to prevent damage to the components.
  • the components to be cooled ie in the case of the battery 4 shown in FIG.
  • the first fluid circuit 10 further includes a first heat exchanger element 5, a pump 6 for circulating the fluid in the first fluid circuit, and an air cooler 7.
  • a bypass line 11 is provided in the first liquid circuit 10, with which the liquid can be optionally circulated bypassing the air cooler 7.
  • a valve 9 is arranged, with which it can be adjusted, which portion of the circulated liquid is passed through the air cooler 7 and which portion is circulated through the bypass line 11.
  • the valve 9 is connected to a control 100 shown schematically and can be controlled via this.
  • the valve 9 may be formed, for example, as a solenoid valve.
  • the air cooler 7 is designed so that it can be acted upon by an air flow, with the heat can be dissipated to an environment of the vehicle to the outside, as shown schematically by an arrow P.
  • the first heat exchanger element 5 forms part of a heat exchanger arrangement 30, which is designed to be exposed to an air flow of air to be heated, as shown schematically by an arrow L.
  • the air to be heated is supplied in the vehicle to a region to be heated, e.g. may be formed by the passenger compartment of the vehicle.
  • the heat exchanger assembly 30 may be e.g. be arranged in the flow path of a heating, ventilation and air conditioning (HVAC) module of the vehicle in which an air flow is provided by a blower.
  • HVAC heating, ventilation and air conditioning
  • the heat exchanger arrangement 30 is arranged in such a way that it flows around or flows through the air flow.
  • the first heat exchanger element 5 is designed as a liquid-air heat exchanger, in which heat is transferred from the liquid circulated in the first liquid circuit 10 to the air to be heated.
  • a second liquid circuit 20 is provided, in which also a liquid can be circulated.
  • a pump 21, a vehicle heater 22 and a second heat exchanger element 23 are arranged in the second liquid circuit 20.
  • the pump 21 is configured to circulate the liquid in the second fluid circuit 20.
  • the vehicle heating device 22 points in the illustrated embodiment
  • the invention relates to a fuel-operated heater 22a, which provides heat by the conversion of fuel with combustion air.
  • the fuel-operated heater is designed as a liquid heater, in which the heat provided is transferred to the circulating in the second fluid circuit 20 liquid.
  • the vehicle heater 22 may also include an electrical resistance heater 22b, which is also configured to transfer released heat to the fluid circulated in the second fluid circuit 20.
  • the second heat exchanger element 23 also forms part of the heat exchanger assembly 30.
  • the second heat exchanger element 23 is formed as a liquid-gas heat exchanger and arranged to transfer heat from the liquid circulated in the second liquid circuit 20 to the air to be heated.
  • the first fluid circuit 10 and the second fluid circuit 20 are connected to each other via connecting lines 12 and 13.
  • valves 14 and 15 are provided, with which the first liquid circuit 10 and the second liquid circuit 20 can be interconnected and separated from each other, as will be described in more detail below.
  • the valves 14 and 15 are connected to the controller 100 and can be controlled via this.
  • the valves 14 and 15 may e.g. be formed by solenoid valves.
  • the first heat exchanger element 5 and the second heat exchanger element 23 are arranged in the illustrated embodiment in a common housing 24, as shown schematically in Fig. 1 by a dashed box.
  • the common housing 24 is designed to be arranged in the air flow path of a heating, ventilation and air conditioning system (HVAC module) of a vehicle.
  • HVAC module heating, ventilation and air conditioning system
  • the first heat exchanger element 5 and the second heat exchanger element 23 are arranged thermally decoupled from each other, so that their temperatures do not affect each other significantly.
  • the first heat exchanger element 5 and the second heat exchanger element 23 are arranged such that the air to be heated first acts on the first heat exchanger element 5 and then the second heat exchanger element 23.
  • an operation of the vehicle heating circuit 1 will be described.
  • the control of the individual components takes place in each case via the controller 100, without this being mentioned in individual cases in the following.
  • the vehicle heating circuit 1 can be operated in various states, as will become apparent from the following description.
  • a first operating state no heat should be supplied to the area to be heated, and heat should be dissipated by the electrical components to be cooled.
  • the valves 9, 14 and 15 are controlled such that the first liquid circuit 10 and the second liquid circuit 20 are connected to each other such that the liquid through the electrical components to be cooled (battery 4, power electronics 3 and electric motor 2), over the pump 21 (ie the upper branch of the vehicle heating circuit 1 in FIG. 1) is circulated through the air cooler 7 and the pump 6. With this connection, heat is removed from the circulated liquid in the air cooler 7.
  • the valves 9, 14 and 15 are controlled such that the first fluid circuit 10 is separated from the second fluid circuit 20.
  • liquid is circulated via the electrical components to be cooled (rechargeable battery 4, power electronics 3 and electric motor 2) and the first heat exchanger element 5 by means of the pump 6.
  • the air to be heated is heated by the waste heat from the electrical components.
  • the valve 9 is controlled so that the liquid flows through the air cooler 7 or the bypass line 11. In this case, the waste heat of the electrical components is thus used efficiently to heat the area to be heated.
  • a third operating state heat is to be supplied to the area to be heated and the waste heat of the electrical components is not sufficient for this purpose.
  • the valves 9, 14 and 15 are driven as in the second operating state.
  • the first liquid circuit 10 and the second liquid circuit 20 are thus separated from each other.
  • the liquid becomes as in the second operating state circulated.
  • the liquid is circulated by the pump 21 through the vehicle heater 22 and the second heat exchanger element 23.
  • the vehicle heater 22 is thereby put into operation to provide additional heat.
  • either the fuel-operated heater 22a or the electrical resistance heater 22b or both can be put into operation.
  • the air to be heated is thus first preheated in the first heat exchanger element 5 by the waste heat of the electrical components to be cooled. Subsequently, the air to be heated in the second heat exchanger element 23 is further heated to the required temperature by the heat provided by the vehicle heating device 22. Due to the decoupling of the first fluid circuit 10 and the second fluid circuit 20 and the thermal decoupling of the first heat exchanger element 5 and the second heat exchanger element 23, the second fluid circuit 20 may be at a significantly higher temperature level than the first fluid circuit 10.
  • the area to be heated is to be supplied with heat and also the electrical components (rechargeable battery 4, power electronics 3 and electric motor 2) are to be heated.
  • Such an operating state can occur, for example, in an electric or hybrid vehicle in cold outside temperatures.
  • the valves 9, 14 and 15 are controlled such that the first liquid circuit 10 and the second liquid circuit 20 are connected to each other such that the liquid by means of the pump 6 through the vehicle heater 22, the second heat exchanger element 23 and the electrical components ( Electric motor 2, power electronics 3 and battery 4) is circulated.
  • the vehicle heater 22 is operated again to provide heat. About the circulated, heated by the vehicle heater 22 liquid on the one hand (via the second heat exchanger element 23) heats the air to be heated and on the other hand, the electrical components.
  • heat is provided by the vehicle heating device 22 exclusively via the operation of the electrical resistance heater 22b when an external supply voltage is available.
  • This situation occurs in particular when charging the battery 4 by AC power.
  • the fuel-powered vehicle heater 22a is not put into operation to save fuel.
  • the heat from the electrical resistance heater 22b can be used again via a corresponding control of the valves 9, 14 and 15 either only for heating a vehicle interior or for heating the electrical components. In this way, an exclusively electric state conditioning of the interior and / or the electrical components is provided.
  • the arrangement can be integrated with slight adjustments in an existing heating, ventilation and air conditioning module of a vehicle.
  • a heating of the electrical components is possible in a simple and compact way, if necessary.
  • the vehicle heating device 22 can be used both for the heating of the area to be heated and for the heating of the electrical components.

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Abstract

Es wird eine Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs bereitgestellt, mit einem ersten Wärmetauscherelement (5) zum Übertragen von Abwärme von zumindest einer zu kühlenden elektrischen Komponente (2, 3, 4) des Fahrzeugs auf Luft und einem zweiten Wärmetauscherelement (23) zum Übertragen von Wärme von zumindest einer Fahrzeugheizvorrichtung (22) auf Luft. Das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) sind derart angeordnet, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft (L) beaufschlagt werden.

Description

Wärmetauscheranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs.
Es ist bekannt, einen zu beheizenden Bereich eines Fahrzeugs, wie z.B. den Innenraum eines Kraftfahrzeugs, über eine Wärmetauscheranordnung zu Beheizen, die mit zu erwärmender Luft beaufschlagt (d.h. von zu erwärmender Luft umströmt oder durchströmt) wird, die dem zu beheizenden Bereich zugeführt wird. Bei herkömmlichen Straßenfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor wird üblicherweise die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Beheizen genutzt, indem die warme Motorkühlflüssigkeit durch eine Wärmetauscheranordnung geleitet wird, in der die Wärme auf zu beheizende Luft übertragen wird. Bei modernen effizienten Verbrennungsmotoren reicht oftmals die freigesetzte Wärme nicht mehr aus, um den Fahrgastraum ausreichend zu beheizen, sodass teilweise Fahrzeugzusatzheizvomchtungen zum Einsatz kommen. Die Fahrzeugzusatzheizvomchtungen können dabei derart ausgebildet sein, dass sie in den Motorkühlflüssigkeitskreislauf eingebunden sind und die Motorkühlflüssigkeit beheizen. Derartige Fahrzeugzusatzheizvomchtungen können als Zuheizer realisiert sein, die nur bei laufendem Antriebsmotor Heizwärme bereitstellen, oder als Standheizungen, die sowohl bei laufendem als auch bei ruhendem Antriebsmotor Heizwärme bereitstellen können.
Bei sogenannten Hybrid-Fahrzeugen, die über einen elektrischen Antriebsmotor und einen Verbrennungs-Antriebsmotor verfügen, und bei Elektrofahrzeugen, die ausschließlich über einen elektrischen Antriebsmotor verfügen, tritt die Problematik, dass nicht in allen Betriebs- zuständen genügend Abwärme aus dem Fahrzeugantrieb für das Beheizen eines zu beheizenden Bereichs zur Verfügung steht, in verstärkter Form auf.
DE 199 54 327 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport von in einem Kraftfahrzeug entstehender Wärmeenergie, bei dem die Abwärme einer elektrischen Komponente zur Beheizung anderer Fahrzeugteile, wie z.B. des Verbrennungsmotors oder des Fahrgastinnenraums genutzt wird. Es wird beschrieben, zwei Kühlkreisläufe miteinander zu koppeln und zu entkoppeln, um den Wärmefluss zu steuern. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheranordnung und einen Fahrzeugheizkreislauf bereitzustellen, die eine verbesserte Beheizung eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs ermöglichen. Die Aufgabe wird durch eine Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs weist auf: ein erstes Wärmetauscherelement zum Übertragen von Abwärme von zumindest einer zu kühlenden elektrischen Komponente des Fahrzeugs auf Luft und ein zweites Wärmetauscherelement zum Übertragen von Wärme von zumindest einer Fahrzeugheizvorrichtung auf Luft. Das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement sind derart angeordnet, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft beaufschlagt werden. Unter einem Fahrzeug werden vorliegend Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge verstanden. Dabei kann es sich insbesondere um Kraftfahrzeuge handeln, die einen Antriebsmotor aufweisen. Der Antriebsmotor kann dabei z.B. durch eine Brennkraftmaschine, durch einen Elektromotor oder durch einen sogenannten Hybrid- Antrieb gebildet sein. Die vorliegend Erfindung ist insbesondere bei der Verwendung von Elektromotoren und Hybridantrieben von Vorteil, bei denen ein Akku, ein Elektromotor und zugehörige Leistungselektronik Wärme freisetzen, die abgeführt werden muss. Der zu beheizende Bereich des Fahrzeugs kann durch einen geschlossener Raum, wie z.B. den Innenraum eines Straßenfahrzeugs, oder durch einen offenen oder teiloffenen Raum, wie er z.B. bei Yachten häufig zu finden ist, gebildet sein. Unter„zu kühlender elektrischer Komponente" wird vorliegend eine elektrische Komponente verstanden, von der Wärme abgeführt werden muss, damit diese nicht überhitzt. Insbesondere wird unter zu kühlender elektrischer Komponente nicht eine elektrische Komponente verstanden, die zu dem Zweck mit elektrischer Leistung versorgt wird, um Wärme bereitzustellen, wie es z.B. bei einem Widerstandsheizer, z.B. einem PTC-Element, der Fall ist. Unter einer „Fahrzeugheizvorrichtung" wird in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung verstanden, die in einem Fahrzeug zu dem Zweck vorgesehen ist, Heizleistung bereitzustellen, wie z.B. ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät oder ein elektrischer Widerstandsheizer, der z.B. durch ein PTC-Element gebildet sein kann. Da das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement derart angeordnet sind, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft beaufschlagt werden, kann die zu erwärmende Luft effizient sowohl durch die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten als auch durch die Fahrzeugheizvorrichtung erwärmt werden. Da somit für die Ab- wärme der elektrischen Komponenten und die Abwärme der Fahrzeugheizvorrichtung zwei verschiedene Wärmetauscherelemente zur Verfügung stehen, können ein Hochtemperaturkreislauf und ein Niedrigtemperaturkreislauf realisiert werden, wobei der Niedrigtemperaturkreislauf über das erste Wärmetauscherelement die Verlustwärme elektrischen Komponenten, wie z.B. eines Akkus, eines Elektromotors und zugehöriger Leistungselektronik, effizient für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs bereitstellen kann. Falls für den zu beheizenden Bereich eine große Wärmemenge erforderlich ist, kann neben der Nutzung der Abwärme der elektrischen Komponenten ein gleichzeitiger Betrieb der Fahrzeugheizvorrichtung auf einem höheren Temperaturniveau erfolgen, um zusätzlich Wärme über das zweite Wärmetauscherelement bereitzustellen. Da mit der Abwärme der elektrischen Komponenten die Heizluft be- reits vorgewärmt werden kann, muss die Fahrzeugheizvorrichtung nur eine geringere Wärmemenge bereitstellen, um eine ausreichende Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitzustellen. Folglich kann die Fahrzeugheizvorrichtung in einer niedrigeren Leistungsstufe betrieben werden, wodurch der Energiebedarf der Fahrzeugheizvorrichtung gesenkt wird. Bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät senkt dies den Brennstoffverbrauch, bei einem elektrischen Heizelement die elektrische Leistungsaufnahme. Falls nur ein niedriger
Heizleistungsbedarf für den zu beheizenden Bereich besteht, kann allein mit der Abwärme der elektrischen Komponenten geheizt werden. Somit braucht die Fahrzeugheizvorrichtung nur dann betrieben zu werden, wenn es ein hoher Heizleistungsbedarf erforderlich macht. Das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement lassen sich sehr einfach in ein von einem Fahrzeughersteller vorgesehenes Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem (HVAC-Modul, heating venting air conditioning) integrieren. Aufgrund des Vorsehens des zweiten Wärmetauscherelements muss für eine ausreichende Beheizung des zu beheizenden Bereichs kein elektrischer Hochvolt-PTC-Zuheizer in dem Luftstrom der zu erwärmenden Luft vorgesehen werden, sodass keine Hochspannungskomponenten in einem Innenraum des Fahrzeugs vorgesehen zu werden brauchen. Dies führt zu einem deutlichen Sicherheitsgewinn. Verglichen mit einem Fall, bei dem eine Fahrzeugheizvorrichtung, insbesondere ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, in den Kühlflüssigkeitskreislaufs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs derart eingebunden ist, dass die bereitgestellte Wärme nur über einen in dem allgemeinen Kühlflüssigkeitskreislauf angeordneten Wärmetauscher auf zu erwärmende Luft übertra- gen wird, weist die bereitgestellte Wärmetauscheranordnung deutliche Vorteile auf. Da die zu kühlenden elektrischen Komponenten ein relativ niedriges zulässiges Temperaturniveau aufweisen, müsste bei der Einbindung der Fahrzeugheizvorrichtung in den allgemeinen
Kühlflüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs, der auch die elektrischen Komponenten aufweist, bei einem Heizbetrieb, bei dem viel Heizleistung in den zu beheizenden Bereich eingebracht wer- den soll, eine Abtrennung der elektrischen Komponenten von dem Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs erfolgen, in dem der Wärmetauscher zum Erwärmen von Luft angeordnet ist. Die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten müsste dann über einen Kühler an die Umgebung abgeführt werden und würde nicht mehr für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs zur Verfügung stehen. Verglichen mit einem Fall, bei dem nur über eine elektrische Widerstandsheizung zugeheizt wird, ohne gleichzeitig die Abwärme der elektrischen Komponenten zu nutzen, wird mit der vorgeschlagenen Realisierung eine Verringerung der Reichweite mit einem elektrischen Fahrzeugantrieb vermieden, die bei ausschließlich elektrischer Beheizung bis zu 50 % betragen kann. Die bereitgestellte Wärmetauscheranordnung ermöglicht somit eine erhöhte Reichweite. Ferner erfolgt bei einem Betrieb während der Fahrt nur eine geringere Batterieentladung, was zu einer reduzierten Wiederladezeit der Fahrzeugbatterie und zu einer deutlich geringeren Batteriebelastung führt. Als Resultat wird auch eine höhere Batterielebensdauer erreicht.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetau- scherelement derart angeordnet, dass zuerst das erste Wärmetauscherelement von der zu erwärmenden Luft beaufschlagt wird und danach das zweite Wärmetauscherelement. In diesem Fall wird das im Allgemeinen niedrigere Temperaturniveau des ersten Wärmetauscherelements zum Vorwärmen der zu erwärmenden Luft genutzt und das höhere Temperaturniveau des zweiten Wärmetauschers für das weitere Aufwärmen. Somit werden die unterschiedlichen Temperaturniveaus effizient ausgenutzt.
Wenn das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement jeweils als Flüssigkeit- Luft- Wärmetauscher ausgebildet sind, kann die Wärme dem ersten Wärmetau- scherelement und dem zweiten Wärmetauscherelement jeweils über Flüssigkeitskreisläufe zugeführt werden. Insbesondere wenn die Fahrzeugheizvorrichtung einen elektrischen Widerstandsheizer aufweist, kann dadurch vermieden werden, Hochspannungskomponenten in direktem Kontakt mit einem Innenraum des Fahrzeugs vorzusehen. Die jeweiligen Flüssigkeits- kreisläufe können vorteilhaft auch dazu genutzt werden, die elektrischen Komponenten bei Bedarf auch durch die Fahrzeugheizvorrichtung zu erwärmen. Unter einem Flüssigkeit- Luft- Wärmetauscher wird in diesem Zusammenhang ein Wärmetauscher verstanden, bei dem die Wärme von einer Flüssigkeit (als Wärmeträgermedium) auf Luft übertragen wird. Die Flüssigkeit kann dabei z.B. durch eine übliche Kühlflüssigkeit gebildet sein, wie z.B. ein Wasser- Glykol-Gemisch oder Ähnliches.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement voneinander thermisch entkoppelt. Unter thermisch entkoppelt wird dabei verstanden, dass das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement derart ausgebildet sind, dass das Temperaturniveau des ersten Wärmetauscherelements nicht unmittelbar durch das Temperaturniveau des zweiten Wärmetauscherelements beeinflusst wird und umgekehrt. In diesem Fall kann das erste Wärmetauscherelement zuverlässig auf einem niedrigeren Temperaturniveau, das für die Wärmeabfuhr von den elektrischen Komponenten angemessen ist, betrieben werden und das zweite Wärmetauscherelement auf einem höheren Temperaturniveau, um ausreichend Heizleistung in den zu beheizenden Bereich einzubringen.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. In diesem Fall ist die Wärmetauscheranordnung besonders kompakt bereitgestellt und lässt sich ohne großen Aufwand in ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsmodul (HVAC-Modul) eines Fahrzeugs integrieren.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente eine Fahrzeugbatterie und/oder einen elektrischen Fahrzeugantriebsmotor und/oder zumindest eine Elektronikkomponente des Antriebs Strangs des Fahrzeugs auf. In diesem Fall ist eine Wärmetauscheranordnung bereitgestellt, mit der insbesondere bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug die Abwärme von elektrischen Komponenten effizient zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs, wie z.B. eines Fahrgastraums, genutzt werden kann. Elektronikkom- ponenten des Antriebs Strangs können insbesondere durch die für einen Elektroantrieb erforderliche Leistungselektronik gebildet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung ein brenn- stoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät auf. In diesem Fall kann effizient durch die Umsetzung von Brennstoff und Brennluft Wärme für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden, ohne die Stromversorgung des Fahrzeugs, insbesondere einen Akku, zu belasten. Insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät zusätzlich auch dazu genutzt werden, bei Bedarf Wärme z.B. für den Akku oder den Elektromo- tor bereitzustellen. Es kann in dieser Weise z.B. ein Standheizbetrieb realisiert werden, der nicht eine Starterbatterie oder einen für den Antrieb erforderlichen Akku belastet.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung eine elektrische Widerstandsheizung auf. Die elektrische Widerstandsheizung kann dabei insbesondere auch zusätzlich zu einem brennstoffbetriebenen Heizgerät vorgesehen sein. Die elektrische Widerstandsheizung kann insbesondere durch bekannte PTC-Heizelemente realisiert werden. Mit der elektrischen Widerstandsheizung kann z.B. dann effektiv geheizt werden, wenn ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung steht, z.B. bei vollem Akku oder bei einem Laden des Akkus an einer stationären Ladestation (z.B. im Fall eines Elektroautos). Ferner kann mit der elektrischen Widerstandsheizung Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden, ohne dass Abgase freigesetzt werden, wie bei dem Betrieb eines brennstoffbetriebenen Heizgeräts. In dieser Weise kann z.B. eine effiziente Heizung in Bereichen erzielt werden, in denen der Betrieb eines brennstoffbetriebenen Heizgeräts nicht zulässig ist, wie z.B. in Parkgaragen oder schadstofffreien Zonen (Zero-Emission-Zones). Bei einer Kombina- tion von sowohl einem brennstoffbetriebenen Heizgerät als auch einer elektrischen Widerstandsheizung werden die jeweiligen Vorteile der beiden Arten zu Heizen realisiert. Ferner kann zum Beispiel auch durch gleichzeitiges Betreiben des brennstoffbetriebenen Heizgeräts und der elektrischen Widerstandsheizung bei Bedarf besonders viel Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Fahrzeugheizvorrichtung derart eingerichtet, dass bei Verfügbarkeit einer elektrischen Versorgungsspannung nur die elektrische Widerstandsheizung Wärme bereitstellt. In diesem Fall wird bei einer Verfügbarkeit von einer elektrischen Ver- sorgungsspannung (z.B. bei einem Laden der Fahrzeugbatterie) kein Brennstoff für ein brennstoffbetriebenes Heizgerät verbraucht, da dieses nicht betrieben wird. Die von der elektrischen Widerstandsheizung bereitgestellte Wärme kann zum Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums und/oder Erwärmen der elektrischen Komponenten genutzt werden.
Die Aufgabe wird auch durch einen Fahrzeugheizkreislauf nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Fahrzeugheizkreislauf weist eine zuvor beschriebene Wärmetauscheranordnung auf. Mit dem Fahrzeugheizkreislauf werden die jeweiligen zuvor beschriebenen Vorteile erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste Wärmetauscherelement in einen ersten Flüssigkeitskreislauf eingebunden, in dem die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente angeordnet ist. In diesem Fall kann der Wärmetransport von der zu kühlenden elektrischen Kom- ponente zu dem ersten Wärmetauscherelement über die in dem Flüssigkeitskreislauf zirkulierende Flüssigkeit erfolgen. Insbesondere kann das erste Wärmetauscherelement dabei räumlich von den zu kühlenden Komponenten entfernt angeordnet werden, sodass ein hohes Maß an Variabilität gegeben ist. Es können insbesondere mehrere zu kühlende elektrische Komponenten, wie z.B. ein Akku, ein Elektromotor und zugehörige Leistungselektronik, in einfacher Weise in den ersten Flüssigkeitskreislauf eingebunden werden. Der erste Wärmetauscher wird dabei bevorzugt von der Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitskreislaufs um- bzw. durchströmt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Wärmetauscherelement in einen zweiten Flüssigkeitskreislauf eingebunden, in dem die Fahrzeugheizvorrichtung angeordnet ist. In diesem Fall kann der Wärmetransport von der Fahrzeugheizvorrichtung zu dem zweiten Wärmetauscherelement über die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf zirkulierende Flüssigkeit erfolgen. Damit ist eine räumlich beabstandete Anordnung des zweiten Wärmetauscherelements von der Fahrzeugheizvorrichtung ermöglicht. Ferner kann in diesem Fall die Fahrzeugheizvorrichtung auch in einfacher Weise derart eingebunden werden, dass auch eine aktive Beheizung der elektrischen Komponenten ermöglicht ist, wenn dies erforderlich ist (z.B. bei tiefen Außentemperaturen). Wenn die Fahrzeugheizvorrichtung eine elektrische Widerstandsheizung ist, hat diese Realisierung ferner den Vorteil, dass keine Hochspannungskomponenten (die elektrische Widerstandsheizung) im Fahrzeuginnenraum oder in direktem Kontakt mit diesem angeordnet werden müssen, was zu einem deutlichen Sicherheitsgewinn führt. Der zweite Wärmetauscher wird dabei bevorzugt von der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitskreislaufs um- bzw. durchströmt. Gemäß einer Ausgestaltung sind der erste Flüssigkeitskreislauf und der zweite Flüssigkeitskreislauf derart miteinander verbindbar, dass die elektrischen Komponenten mit der Fahrzeugheizvorrichtung beheizbar sind. In diesem Fall kann die Fahrzeugheizvorrichtung eine Doppelfunktion wahrnehmen, nämlich einerseits ein Beheizen des zu beheizenden Bereichs und andererseits ein Beheizen der elektrischen Komponenten, wenn dies erforderlich ist. Be- vorzugt ist die Ausgestaltung dabei derart, dass der erste Flüssigkeitskreislauf und der zweite Flüssigkeitskreislauf über eine Steuerung miteinander verbunden und wieder voneinander getrennt werden können, sodass eine einfache Umschaltung zwischen verschiedenen Be- triebszuständen ermöglicht ist. Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung.
Fig. 1 zeigt einen Fahrzeugheizkreislauf mit einer Wärmetauscheranordnung gemäß einer Ausführungsform.
Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Fahrzeugheizkreislauf 1 gemäß einer Ausführungsform. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fahrzeugheizkreislauf 1 in einem Elektrofahrzeug realisiert, das über einen Elektromotor 2 angetrieben wird. Es ist eine Leistungselektronik 3 vorgesehen, die eine Elekt- ronikkomponente des Antriebs Strangs bildet. Zum Versorgen der Leistungselektronik 3 und des Elektromotors 2 mit elektrischer Energie ist ferner ein Akku 4 vorgesehen. Der Akku 4, die Leistungselektronik 3 und der Elektromotor 2 bilden zu kühlende elektrische Komponenten eines Fahrzeugs. Von diesen zu kühlenden Komponenten muss während eines Betriebs (zumindest in einigen Betriebszuständen des Fahrzeugs) Wärme abgeführt werden, um eine Aufrechterhaltung des Betriebs sicherzustellen bzw. Beschädigungen der Komponenten zu verhindern. Die zu kühlenden Komponenten, also in dem in Fig. 1 dargestellten Fall der Akku 4, die Leistung selektronik 3 und der Elektromotor 2, sind in einen ersten Flüssigkeitskreislauf 10 eingebunden, in dem eine Flüssigkeit zirkuliert wird, mit der die abzuführende Wärme von den zu kühlenden Komponenten abgeführt wird. Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 weist ferner ein erstes Wärmetauscherelement 5, eine Pumpe 6 zum Zirkulieren der Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitskreislauf und einen Luftkühler 7 auf. Im Bereich des Luftkühlers 7 ist in dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 eine Umgehungsleitung 11 vorgesehen, mit der die Flüssigkeit wahlweise unter Umgehung des Luftkühlers 7 zirkuliert werden kann. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 ist ein Ventil 9 angeordnet, mit dem eingestellt werden kann, welcher Anteil der zirkulierten Flüssigkeit durch den Luftkühler 7 geleitet wird und welcher Anteil durch die Umgehungsleitung 11 zirkuliert wird. Das Ventil 9 ist mit einer schematisch dargestellten Steuerung 100 verbunden und kann über diese angesteuert werden. Das Ventil 9 kann z.B. als Magnetventil ausgebildet sein. Der Luftkühler 7 ist derart ausgebildet, dass er mit einer Luftströmung beaufschlagt werden kann, mit der Wärme zu einer Umgebung des Fahrzeugs nach außen abgeführt werden kann, wie schematisch durch einen Pfeil P dargestellt ist.
Das erste Wärmetauscherelement 5 bildet einen Teil einer Wärmetauscheranordnung 30, die dazu ausgebildet ist, mit einer Luftströmung von zu erwärmender Luft beaufschlagt zu werden, wie schematisch durch einen Pfeil L dargestellt ist. Die zu erwärmende Luft wird in dem Fahrzeug einem zu beheizenden Bereich zugeführt, der z.B. durch den Fahrgastraum des Fahrzeugs gebildet sein kann. Die Wärmetauscheranordnung 30 kann z.B. in dem Strömungsweg eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystems (HVAC-Moduls) des Fahrzeugs angeordnet sein, in dem durch ein Gebläse ein Luftstrom bereitgestellt wird. Die Wärmetauscheranordnung 30 ist dabei derart angeordnet, dass sie von dem Luftstrom um- strömt oder durchströmt wird. Das erste Wärmetauscherelement 5 ist als ein Flüssigkeit-Luft- Wärmetauscher ausgebildet, bei dem Wärme von der in dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 zirkulierten Flüssigkeit auf die zu erwärmende Luft übertragen wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein zweiter Flüssigkeitskreislauf 20 vorgesehen, in dem eben- falls eine Flüssigkeit zirkuliert werden kann. In dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 sind eine Pumpe 21, eine Fahrzeugheizvorrichtung 22 und ein zweites Wärmetauscherelement 23 angeordnet. Die Pumpe 21 ist dazu ausgebildet, die Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zu zirkulieren. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 weist bei der dargestellten Aus- führungsform ein brennstoffbetriebenes Heizgerät 22a auf, das durch die Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft Wärme bereitstellt. Das brennstoffbetriebene Heizgerät ist als Flüssigkeitsheizgerät ausgebildet, bei dem die bereitgestellte Wärme auf die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierte Flüssigkeit übertragen wird. Wie in Fig. 1 gestrichelt dar- gestellt ist, kann die Fahrzeugheizvorrichtung 22 auch ein elektrisches Widerstandsheizelement 22b aufweisen, das ebenfalls dazu ausgebildet ist, freigesetzte Wärme auf die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierte Flüssigkeit zu übertragen.
Das zweite Wärmetauscherelement 23 bildet auch einen Teil der Wärmetauscheranordnung 30. Das zweite Wärmetauscherelement 23 ist als Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher ausgebildet und angeordnet, um Wärme von der in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierten Flüssigkeit auf die zu erwärmende Luft zu übertragen.
Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 sind über Verbindungsleitungen 12 und 13 miteinander verbunden. Es sind Ventile 14 und 15 vorgesehen, mit denen der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 miteinander verbunden und voneinander getrennt werden können, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird. Die Ventile 14 und 15 sind mit der Steuerung 100 verbunden und können über diese angesteuert werden. Die Ventile 14 und 15 können z.B. durch Magnetventile gebildet sein.
Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind bei der dargestellten Ausführungsform in einem gemeinsamen Gehäuse 24 angeordnet, wie in Fig. 1 schematisch durch einen gestrichelten Kasten dargestellt ist. Das gemeinsame Gehäuse 24 ist dabei dazu ausgebildet, in dem Luftströmungsweg eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Systems (HVAC-Moduls) eines Fahrzeug angeordnet zu werden. Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind dabei voneinander thermisch entkoppelt angeordnet, sodass sich deren Temperaturen nicht wesentlich gegenseitig beeinflussen. Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind derart angeordnet, dass die zu erwärmende Luft zuerst das erste Wärmetauscherelement 5 beaufschlagt und danach das zweite Wärmetauscherelement 23. Im Folgenden wird ein Betrieb des Fahrzeugheizkreislaufs 1 beschrieben. Die Ansteuerung der einzelnen Komponenten erfolgt dabei jeweils über die Steuerung 100, ohne dass dies im Einzelfall im Folgenden erwähnt wird. Der Fahrzeugheizkreislauf 1 kann in verschiedenen Zuständen betrieben werden, wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird.
In einem ersten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich keine Wärme zugeführt werden und von den zu kühlenden elektrischen Komponenten soll Wärme abgeführt werden. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 derart miteinander verbunden werden, dass die Flüssigkeit durch die zu kühlenden elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2), über die Pumpe 21 (d.h. den in Fig. 1 oberen Ast des Fahrzeugheizkreislaufs 1), durch den Luftkühler 7 und die Pumpe 6 zirkuliert wird. Bei dieser Verschaltung wird in dem Luftkühler 7 Wärme von der zirkulierten Flüssigkeit abgeführt.
In einem zweiten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten ist für diesen Zweck ausreichend. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 von dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 getrennt ist. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 wird mittels der Pumpe 6 Flüssigkeit über die zu kühlenden elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2) und das erste Wärmetauscherelement 5 zirkuliert. In dem ersten Wärmetauscherelement 5 wird die zu erwärmende Luft über die Abwärme von den elektrischen Komponenten erwärmt. Je nachdem, ob in dem ersten Wärmetauscherelement 5 genug Wärme abgeführt wird, um die elektrischen Komponenten zu kühlen, oder nicht, wird das Ventil 9 so angesteuert, dass die Flüssigkeit durch den Luftkühler 7 oder die Umgehungsleitung 11 strömt. In diesem Fall wird die Abwärme der elektrischen Komponenten somit effizient dazu genutzt, den zu beheizenden Bereich zu beheizen.
In einem dritten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und die Abwärme der elektrischen Komponenten reicht dazu nicht aus. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 wie bei dem zweiten Betriebszustand angesteuert. Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 sind somit voneinander getrennt. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 wird die Flüssigkeit wie bei dem zweiten Betriebszustand zirkuliert. In dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 wird die Flüssigkeit mittels der Pumpe 21 durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22 und das zweite Wärmetauscherelement 23 zirkuliert. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 wird dabei in Betrieb genommen, um zusätzliche Wärme bereitzustellen. Je nach Wärmebedarf und evtl. nach weiteren Rahmenbedingungen können entweder das brennstoffbetriebene Heizgerät 22a oder die elektrische Widerstandsheizung 22b oder beide in Betrieb genommen werden. In diesem dritten Betriebszustand wird die zu erwärmende Luft somit zunächst in dem ersten Wärmetauscherelement 5 durch die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten vorgewärmt. Anschließend wird die zu erwärmende Luft in dem zweiten Wärmetauscherelement 23 durch die von der Fahrzeugheizvor- richtung 22 bereitgestellte Wärme weiter auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Aufgrund der Entkopplung des ersten Flüssigkeitskreislaufs 10 und des zweiten Flüssigkeitskreislaufs 20 sowie der thermischen Entkopplung des ersten Wärmetauscherelements 5 und des zweiten Wärmetauscherelements 23 kann sich dabei der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 auf einem deutlich höheren Temperaturniveau befinden als der erste Flüssigkeitskreislauf 10. In dieser Weise ist sichergestellt, dass ausreichend Wärme für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden kann, die zu kühlenden elektrischen Komponenten nicht in unerwünschter Weise durch einen zusätzlichen Wärmeeintrag von der Fahrzeugheizvorrichtung 22 überhitzen und trotzdem die Abwärme der elektrischen Komponenten für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs genutzt wird. Somit kann die Verlustwärme der elektrischen Komponenten optimal genutzt werden und die Fahrzeugheizvorrichtung 22 muss immer nur mit einer Heizleistung betrieben werden, die die Differenz zwischen der benötigten Wärme für den zu beheizenden Bereich und der Abwärme der elektrischen Komponenten ausgleicht.
In einem vierten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und auch die elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2) sollen erwärmt werden. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug bei kalten Außentemperaturen auftreten. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 miteinander derart verbunden werden, dass die Flüssigkeit mittels der Pumpe 6 durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22, das zweite Wärmetauscherelement 23 und die elektrischen Komponenten (Elektromotor 2, Leistungselektronik 3 und Akku 4) zirkuliert wird. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 wird dabei wieder betrieben, um Wärme bereitzustellen. Über die zirkulierte, durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22 erhitzte Flüssigkeit werden einerseits (über das zweite Wärmetauscherelement 23) die zu erwärmende Luft und andererseits die elektrischen Komponenten erwärmt.
In einem weiteren Betriebszustand erfolgt eine Bereitstellung von Wärme durch die Fahr- zeugheizvorrichtung 22 ausschließlich über den Betrieb der elektrischen Widerstandsheizung 22b, wenn eine externe Versorgungsspannung vorfügbar ist. Diese Situation tritt insbesondere bei einem Laden des Akkus 4 durch Netzstrom auf. In diesem Fall wird das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät 22a nicht in Betrieb genommen, um Brennstoff zu sparen. Die Wärme von der elektrischen Widerstandsheizung 22b kann dabei wieder über eine entsprechende Ansteuerung der Ventile 9, 14 und 15 entweder nur zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums oder auch zum Erwärmen der elektrischen Komponenten genutzt werden. In dieser Weise wird eine ausschließlich elektrische Standkonditionierung des Innenraums und/oder der elektrischen Komponenten bereitgestellt. Es sind somit eine Wärmetauscheranordnung 30 und ein Fahrzeugheizkreislauf 1 bereitgestellt, mit denen die Abwärme zu kühlender elektrischer Komponenten effizient zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs genutzt werden kann und die Fahrzeugheizvorrichtung 22 nur die zusätzlich erforderliche Wärme bereitstellen muss, soweit dies erforderlich ist. In dieser Weise wird eine Energieersparnis bei der Fahrzeugheizvorrichtung 22 erreicht. Ferner lässt sich die Anordnung mit geringen Anpassungen in ein vorhandenes Heizungs-, Lüftungsund Klimatisierungsmodul eines Fahrzeugs integrieren. Außerdem ist in einfacher und kompakter Weise auch eine Erwärmung der elektrischen Komponenten ermöglicht, wenn dies erforderlich ist. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 kann dabei sowohl für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs als auch für die Erwärmung der elektrischen Komponenten genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs, mit:
einem ersten Wärmetauscherelement (5) zum Übertragen von Abwärme von zumindest einer zu kühlenden elektrischen Komponente (2, 3, 4) des Fahrzeugs auf Luft, und einem zweiten Wärmetauscherelement (23) zum Übertragen von Wärme von zumindest einer Fahrzeugheizvorrichtung (22) auf Luft,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) derart angeordnet sind, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft (L) beaufschlagt werden.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) derart angeordnet sind, dass zuerst das erste Wärmetauscherelement (5) mit der zu erwärmenden Luft (L) beaufschlagt wird und danach das zweite Wärmetauscherelement (23).
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) jeweils als Flüssigkeit-Luft- Wärmetauscher ausgebildet sind.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) voneinander thermisch entkoppelt sind.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) und das zweite Wärmetauscherelement (23) in einem gemeinsamen Gehäuse (24) angeordnet sind.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente (2, 3, 4) eine Fahrzeugbatterie und/oder einen elektrischen Fahrzeugantriebsmotor und/oder zumindest eine Elektronikkomponente des Antriebsstrangs des Fahrzeugs aufweist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung (22) ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät (22a) aufweist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung (22) eine elektrische Widerstandsheizung (22b) aufweist.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugheizvorrichtung derart eingerichtet ist, dass bei Verfügbarkeit einer elektrischen Versorgungsspannung nur die elektrische Widerstandsheizung (22b) Wärme bereitstellt.
Fahrzeugheizkreislauf (1) mit einer Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Fahrzeugheizkreislauf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (5) in einen ersten Flüssigkeitskreislauf (10) eingebunden ist, in dem die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente (2, 3, 4) angeordnet ist.
12. Fahrzeugheizkreislauf nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmetauscherelement (23) in einen zweiten Flüssigkeitskreislauf (20) eingebunden ist, in dem die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung (22) angeordnet ist.
13. Fahrzeugheizkreislauf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeitskreislauf (10) und der zweite Flüssigkeitskreislauf (20) derart miteinander verbindbar sind, dass die elektrischen Komponenten (2, 3, 4) mit der Fahrzeugheizvorrichtung (22) beheizbar sind.
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