WO2017121605A1 - Wärmesystem, elektro- oder hybridfahrzeug mit einem solchen und verfahren zum betrieb eines wärmesystems - Google Patents

Wärmesystem, elektro- oder hybridfahrzeug mit einem solchen und verfahren zum betrieb eines wärmesystems Download PDF

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Nicolas Flahaut
Oliver Horn
Marion Mack
Markus Moser
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a heating system for an electric or hybrid vehicle, to which a high-voltage accumulator is connected and which has a first refrigerant circuit and a coolant circuit, with a heating circuit to which a heating heat exchanger is connected, for interior air conditioning, and with a cooling circuit to which a Cooler and a heat source are connected, wherein the first refrigerant circuit has a climatic evaporator, for indoor air conditioning, and a first capacitor, by means of which the first refrigerant circuit is thermally coupled to the coolant circuit, for heat removal from the first refrigerant circuit. Furthermore, the invention relates to an electric or hybrid vehicle with such a heating system and a method for operating the heating system.
  • a heating system serves primarily the air conditioning of various components of a vehicle, for example an interior, also referred to as a passenger compartment, a Verbrennu ngsm motor, an electric drive train, power electronics and / or high-voltage storage, to power the drive train with energy.
  • the respective component is then, if necessary, heated, cooled or both in operation by means of the heating system.
  • the heating system typically has a refrigeration circuit, with a compressor, a condenser, an expansion element and an evaporator. In certain cases, ie at certain operating conditions of the vehicle, however, the air conditioning capacity that can be generated by means of the cooling circuit is not sufficient to ensure adequate cooling.
  • the heating system should be constructed as inexpensively as possible and in particular from components which are available and are suitable for the automotive industry, in particular with regard to weight and installation space.
  • the operation of the heating system should be as efficient as possible and acoustically inconspicuous both under partial load and under full load conditions.
  • the heating system is used for the air conditioning of various components of an electric or hybrid vehicle, which in the context of this application is also referred to simply as a vehicle.
  • a high-voltage storage is connected, which primarily serves the power supply of an electric drive train of the vehicle.
  • the high-voltage storage is thermally connected by means of a suitable heat exchanger to the heating system, for heat exchange with this.
  • the heating system has a first refrigerant circuit in which, in particular, a refrigerant is compressed and conveyed by means of a compressor.
  • the heating system comprises a coolant circuit, with a heating circuit to which a heating heat exchanger is connected, for interior air conditioning, and with a cooling circuit, to which a radiator and a heat source are connected, the first cooling circuit comprising a climate evaporator, for interior air conditioning, and a first capacitor, by means of which the first refrigerant circuit is thermally coupled to the coolant circuit, for heat removal from the first refrigerant circuit.
  • the condenser is coolant cooled and, for example, a water cooled condenser or, alternatively, a gas cooler if the refrigerant is e.g. R744 is.
  • the heating system is thus designed to use the air-conditioner evaporator and the heat exchanger heat the interior of the vehicle, more specifically air, which is supplied to the interior, to cool, and in particular to dehumidify.
  • the heating heat exchanger and the air-conditioning evaporator are thus in particular parts of a Air conditioner.
  • the air is extracted from the air by means of the climate evaporator heat and enters the first circuit.
  • heat is transferred from the first refrigeration circuit into the coolant circuit by means of the condenser, thereby heating coolant, which is then supplied to the heating heat exchanger.
  • a second refrigeration circuit separate from the first refrigeration circuit is arranged, i. the heating system has a second cooling circuit.
  • This is hydraulically separated from the first refrigeration circuit, i. There is no refrigerant exchange between the two refrigerant circuits.
  • the second refrigerant circuit has a second capacitor and is thermally coupled by means of this with the coolant circuit, for heat removal from the second refrigerant circuit.
  • At least one of the cooling circuits on a chiller for heat dissipation from the coolant circuit.
  • the chiller also represents a thermal connection of the corresponding refrigerant circuit with the coolant circuit, but here the heat is transported in the opposite direction compared to the condenser, namely from the coolant circuit to the refrigerant circuit.
  • heat which is generated by a component, in particular the heat source, in the coolant circuit is dissipated via the chiller and in this way the component is cooled.
  • the heat absorbed in the cooling circuit is then fed back into the coolant circulation at a different location, in particular in a heat pump operation via the condenser, expediently to the heating circuit for the purpose of heating the interior space.
  • the refrigeration circuit with chiller and condenser is thus in particular a heat pump.
  • heat is removed via the cooler. Due to the separate configuration of the refrigerant circuits, the capacitors and the chiller are each associated with only one refrigerant circuit, but all connected to the coolant circuit.
  • the invention is based in particular on the consideration that a simple scaling of a single refrigeration circuit with respect to the air conditioning power has certain disadvantages and above all a larger and more powerful compressor due, which leads to increased component diversity in the construction of different vehicles with different requirements for maximum air conditioning performance.
  • Other disadvantages of a Larger compressor are in particular high development costs, a larger space required, the need for a timing in part-load operation, ie at low cooling power requirement, which is critical in terms of acoustics and oil return, for example, a scroll compressor due to a minimum speed, and the need for adjustment of refrigerant pipes and connection technology, in particular due to the higher refrigerant mass flows.
  • An essential basic idea of the invention thus consists in particular in using a plurality of cooling circuits in a heating system in order to increase the performance of the heating system.
  • a particular advantage of such a heating system is then in particular that the various refrigeration circuits can perform different air conditioning tasks by the refrigerant circuits are thermally connected at different points of the coolant circuit with this.
  • An air conditioning task is, for example, the cooling of a specific component and / or the heat dissipation via a specific component of the heating system.
  • a large number of interconnections of the refrigerant circuits with the coolant circuit is conceivable, of which some preferred embodiments are described below. With a simple scaling of a single cooling circuit, such a flexible interconnection is not possible.
  • each cooling circuit when using a plurality of cooling circuits, it is expedient for each cooling circuit to be individually assigned a number of air conditioning tasks.
  • a respective cooling circuit is switched off or switched on, ie activated or deactivated. Due to the separate and in particular separately switchable refrigerant circuits, the heating system is thus particularly efficient during operation.
  • the heating system then expediently has a control unit, also referred to as a controller, or is connected to a control unit of the vehicle.
  • the control unit serves alternatively or additionally also for switching the heating system between various operating modes.
  • the coolant circuit is designed in particular as an integrated coolant circuit, in which several circuits, namely at least the cooling circuit and the Hetznik basically via a number of lines hydraulically, ie fluidly connected to each other, so that depending on the operating mode of the heat system, an exchange of coolant between different of the circles or prevented.
  • the circles are in particular separable from each other.
  • the respective circuit is merely shut off, in particular by means of a suitable valve, so that no exchange of coolant between the separate circuit and the other circles takes place.
  • the circles are formed separately from each other and not fluidly connected to each other. This is conceivable and expedient, for example, in a hybrid vehicle having a high-temperature cooling circuit and a low-temperature cooling circuit which is permanently separated therefrom.
  • the heat system is described in the aforementioned German application 102015220623.8 and described in more detail in connection with the local Fig. 1 coolant circuit. With regard to the operation and the operating modes of such a heating system, reference is also made to this application.
  • the invention is, however, in principle also advantageously applicable to other heating systems and Verschaitonne.
  • the coolant circuit has a heating circuit lead, which connects the cooling circuit to the heating circuit.
  • the heating circuit is then also connected to the cooling circuit via a heating circuit return.
  • the heating circuit is also connected in parallel to the heat source, i. The coolant coming from the radiator is split between the heating circuit and the heat source.
  • the heat source is in particular an electric drive train of the vehicle, a charging electronics for the high-voltage storage, power electronics or, in the case of a hybrid vehicle, e.g. an internal combustion engine.
  • a heater is also arranged in the heating circuit, for example, an electric water heater is heated if necessary, if the heat introduced by the capacitors in the heating is insufficient to adequately use a corresponding air conditioning requirement, in particular a Schuanssen respect interior.
  • a number of the cooling circuits, preferably each cooling circuit advantageously has an internal heat exchanger.
  • the capacitors are arranged in the heating circuit and one or both of the capacitors serve to supply heat to the heating heat exchanger.
  • the capacitor or both capacitors are arranged in the heating circuit upstream of the heating heat exchanger. If no interior heating is necessary and / or if more heat is present in the heating circuit than is needed for heating, it is advantageously fed to the cooling circuit via the heating circuit return and finally, for example discharged via the radiator to the environment.
  • the chiller is located downstream of the heat source and upstream of the radiator in the cooling circuit to efficiently absorb heat from the heat source before it is supplied to the radiator.
  • the chiller is also located upstream of the heating circuit return, i. arranged parallel to the heating circuit, so that when dividing the coolant flow to the heating circuit and the heat source and the chiller is only flowed through by a portion of the coolant, namely that part which is not performed to the heating circuit.
  • the two capacitors are expediently arranged in spatial proximity to each other in order to make the heating circuit as compact as possible.
  • the capacitors are connected in parallel to one another and connected to the heating circuit upstream of the heating heat exchanger.
  • the heating circuit is split downstream of the heating circuit flow in two capacitor branches, which are combined again downstream of the capacitors and still upstream of the heating heat exchanger. This is also referred to below as true parallel connection, since in this case both capacitors are used virtually equally and the heating heat exchanger is supplied with the possibly heated coolant from both capacitors.
  • one of the capacitors is connected to the heating circuit upstream of the heater core, and the other capacitor is connected in a HWT bypass, ie heater core bypass, for bypassing the heater core.
  • a HWT bypass ie heater core bypass
  • the capacitors are not used the same way, but the heated coolant of a condenser is first passed to the heater core first.
  • the heating circuit downstream of the heating circuit flow is first split into two capacitor branches, which, however, are not brought together again upstream of the heating heat exchanger, but only downstream of it.
  • the heating heat exchanger is therefore arranged together with one of the capacitors in one of the capacitor branches, the other capacitor is arranged in the HWT bypass, ie in particular also parallel to the heating heat exchanger. This is particularly useful if the two capacitors do not transfer heat at the same time, eg in an operating mode in which only one of the cooling circuits is active and only one of the capacitors transfers heat. A part of the coolant then flows through the HWT bypass and is not heated, so it is cold coolant, which is advantageously passed past the heater core, whereby a temperature reduction at the heater core is advantageously avoided.
  • the capacitors are connected in series and connected to the heating circuit upstream of the heater core, i. arranged serially to each other. This is particularly useful if the two capacitors do not transfer heat at the same time, e.g. in an operating mode in which only one of the refrigerant circuits is active and only one of the capacitors transfers heat.
  • the performance of the downstream capacitor may be reduced by the fact that the first flowed through capacitor, if it is active, the coolant already heated and thereby increases the coolant inlet temperature of the downstream capacitor, resulting in performance and efficiency disadvantages of the corresponding refrigerant circuit.
  • the heating system is switched by means of suitable valves as needed between a series and a parallel circuit of the capacitors.
  • the chilli is connected in a first suitable embodiment to the first refrigerant circuit and to the second refrigerant circuit HVS evaporator is connected, for cooling the high-voltage storage.
  • the high-voltage storage is therefore not coolant-cooled but refrigerant-cooled.
  • the HVS evaporator is not a chillier.
  • the cooling circuits in this embodiment thus fulfill different air conditioning tasks.
  • the first circuit is therefore used in a heat pump operation of the heat system as a heat pump for the transmission of waste heat of the heat source to the heater core by means of the chiliers and the first capacitor and thus for interior heating.
  • the climate evaporator Since the climate evaporator is connected to the first circuit, this also serves the interior cooling and thus the total interior climate as air conditioning task.
  • the second cooling circuit serves primarily to cool the high-voltage storage, ie the HVS cooling, in particular in a HVS cooling operation of the heating system.
  • the second condenser in the case of the refrigerant-cooled high-voltage accumulator is expediently arranged in the context of a false parallel connection in the HWT bypass.
  • a permanent interior heating via the heat pump is possible and expediently realized in a heat pump operation, without a reduction in the flow temperature of the heating heat exchanger on the inactive HVS cooling operation according to inactive capacitor.
  • an additional HVS Verdam fer is arranged for improved cooling, which is connected to the first refrigerant circuit, so that the high-voltage storage is connected to both refrigerant circuits.
  • the air conditioning task of HVS cooling is then perceived by both cooling circuits, which, however, need not necessarily be active at the same time, but rather are combined as needed within the framework of demand-adapted air conditioning.
  • the first cooling circuit with the chiller is advantageously arranged upstream of the heating heat exchanger, since this takes over the interior heating primarily.
  • the chillier is connected to the second refrigeration circuit and the coolant circuit has an HVS circuit to which the high-voltage accumulator and the chilli are connected, the chillier being downstream of the chiller High-voltage memory is arranged.
  • the high-voltage accumulator in this second embodiment is now coolant-cooled and thermally connected to the cooling medium circuit by means of a suitable heat exchanger.
  • the chiller then serves to dissipate waste heat from the high-voltage accumulator into the second refrigeration circuit and is expediently arranged in the HVS circuit.
  • the HVS circuit is preferably integrated into the cooling circuit together with the cooling circuit and the heating circuit.
  • the HVS circuit is operable separately, in particular in a HVS cooling operation, in which then circulates coolant in the HVS circuit, but is not exchanged with the other circuits. Heat is then dissipated from the HVS circuit via the chiller, e.g. if necessary used for interior heating.
  • the HVS circuit is also suitably connected in parallel to the heating circuit and also parallel to the heat source, i. the coolant flow downstream of the radiator can be divided into three parts, namely a part in the direction of the heating circuit, a part in the HVS circuit direction, and a part in the direction of the heat source.
  • the HVS circuit is connected to the cooling circuit via an HVS supply and an HVS return.
  • the chilli is now both downstream of the high-voltage storage and downstream of the heat source arranged to dissipate, if necessary, waste heat of the high-voltage accumulator and / or the heat source via the second cooling circuit.
  • the latter and the cooling circuit are expediently connected via an additional cross connection, by which a diversion of coolant from both the high-voltage accumulator and the heat source and bypassing the chiller is realized.
  • a chiller is connected to each of the refrigeration circuits, namely a first chiller to the first refrigerant circuit and a second chilier to the second refrigerant circuit, and the Kühistoffnikiauf has a HVS circuit to which the high-voltage storage and the two chilier are connected, wherein the two chilier are each arranged downstream of the high-voltage memory.
  • the chillers are expediently arranged in spatial proximity to one another and preferably both are arranged in the HVS circuit.
  • the two chiliers are thus connected in series, ie connected in series.
  • the two chilli are connected in parallel with each other.
  • the chillers have the same Voriauftemperatur coolant side and thus also have a better heat transfer.
  • the aforementioned parallel circuit is in particular a true parallel circuit in which the HVS circuit is split downstream of the high-voltage storage in two chiller branches, which are merged again downstream of the chilier and in particular still upstream of the HVS return.
  • a false parallel connection is realized, in which one of the chilli, in particular the first chilli, both downstream of the high-voltage storage and downstream of the heat source is disposed and the other chilier, in particular the second Chiiler, downstream of the high-voltage storage and parallel to Heat source is arranged.
  • shut-off device preferably a check valve, which is arranged in the HVS circuit downstream of the high-voltage accumulator.
  • the shut-off device is only positioned on one of the two chiller branches, so that the other chiller branch is a bypass for the check valve and only one of the chillers is flowed through by the coolant of the heat source, whose waste heat is then transferred into the associated cooling circuit.
  • the other chillier can then no longer be flowed through by coolant flowing from the heat source and in particular via the cross-connection to the HVS circuit, the cross-connection being connected downstream of the shut-off device and upstream of the first chillier to the HVS circuit thus only for heat dissipation from the high-voltage storage.
  • the second chilli is arranged parallel to the shut-off device and the first chiller downstream thereof.
  • the cooling of the high-voltage accumulator is then an air conditioning task of both refrigeration circuits, the cooling of the heat source, however, is only an air conditioning task of the first refrigeration circuit. If no or only a small cooling of the high-voltage accumulator is required, the second cooling circuit is deactivated in an expedient embodiment and only the first cooling circuit is used, which in particular performs all air conditioning tasks. If the cooling demand in the HVS circuit is increased, the second cooling circuit is connected.
  • the heat system described is particularly suitable for an electric or hybrid vehicle, with a high-voltage storage, for the power supply of an electric drive train of the vehicle.
  • the heating system is then advantageously designed both for êtraumkiimatmaschine and for air conditioning of the high-voltage accumulator and has at least two refrigerant circuits, which are hydraulically separated from each other, and a common coolant circuit, which is thermally coupled to the refrigerant circuits, for heat exchange with these refrigeration circuits.
  • the vehicle has a plurality of operating states, namely at least one normal operating state and one special operating state, the latter having a higher air conditioning requirement, e.g. a higher cooling requirement with regard to the high-voltage memory.
  • a special operation state the vehicle has a high-speed running operation or a quick-charging operation for quickly charging the high-voltage storage.
  • each of the refrigeration circuits is assigned a number of air conditioning tasks, each with an air conditioning request, and the refrigeration circuits are activated or deactivated independently of one another, in particular by means of a control unit, in order to serve the respective air conditioning request.
  • an air conditioning task consists in heating and / or cooling a component which is connected to the heat exchange system for heat exchange. Examples of air conditioning tasks are interior heating, interior cooling, HVS cooling, if necessary HVS heating, or cooling of the heat source.
  • An air conditioning request is then the concrete request for a specific service to fulfill the corresponding air conditioning task.
  • the air conditioning request is determined and predetermined in particular by the control unit, which is also referred to as controller.
  • the control unit is, for example, a part of the heating system or, alternatively, part of an on-board computer of the vehicle.
  • a respective one of the cooling circuits of the heating system is activated as required, if an air conditioning request is present, which belongs to the air conditioning task of the respective cooling circuit.
  • a specific cooling circuit is either assigned only an air conditioning task or this several air conditioning tasks are assigned, so that its air conditioning performance is also used zeitgteich for the operation of several air conditioning requirements in particular.
  • a specific air conditioning task is served either by only one of the refrigeration circuits or by several refrigeration circuits.
  • the preferred assignment in a specific case depends in particular on the actual interconnection of the heating system, its operating modes and / or the possible operating states of the vehicle.
  • the other refrigerant circuit is only used, for example, for cooling the high-voltage memory and only then additionally activated, if the air conditioning power required for cooling not only from which can be applied to a refrigerant circuit.
  • the other refrigerant circuit is used here as an auxiliary unit, so to speak.
  • each of the kay circle is assigned at least one air conditioning task that is not associated with any other of the refrigeration circuits.
  • the high-voltage storage is cooled, for example, only by the other refrigerant circuit and not both.
  • FIGS. 1 and 2 each schematically show: a coolant circuit of a respective variant of a heating system, a first or second cooling circuit for a heating system according to FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 3 a first or second refrigerant circuit for a heating system according to FIG. 3, and a first or second refrigerant circuit for a heating system according to FIGS. 4 to 7.
  • FIGS. 8a, 8b show two cooling circuits 6a, 6b for the heating systems 2 according to FIGS. 1 and 2
  • FIGS. 9a, 9b show two cooling circuits 6a, 6b for the heating system 2 according to FIG. 3 and FIG. 10a 10b, two cooling circuits 6a, 6b for the heating systems 2 according to FIGS. 4 to 7.
  • heating system 2 are used for air conditioning of various components of the vehicle, which are thermally connected to the heat system 2 via suitable heat exchangers to give or absorb heat.
  • the vehicle is an electric or hybrid vehicle, with a high-voltage accumulator 8, which for the purpose of air conditioning in Figs. 1 and 2 by means of a respective HVS evaporator 8a, 8b in each case one of the refrigeration circuits 6a, 6b is connected, that is to say cooled by refrigerant.
  • the high-voltage accumulator 8 is connected to the coolant circuit 4, ie coolant-cooled, and initially connected to an HVS circuit 10, which is then part of the coolant circuit 4 and not present in the embodiment according to FIG is.
  • an HVS circuit pump 12 is additionally arranged in this.
  • a heating circuit 14 is integrated into the coolant circuit 4 in all variants, which has a heating heat exchanger 16 for heating the interior.
  • a heating circuit pump 18 is arranged and an additional heater 20, which is for example an electric water heater.
  • the heating system 2 also has a cooling circuit 22, in which a cooler 24 and a heat source 26 are arranged.
  • the heat source 26 is, for example, an electric drive train or a charging or power electronics of the vehicle.
  • a cooling circuit pump 28 is arranged in the cooling circuit 22.
  • FIGS. 1 to 3 only one chill 30 is connected to the coolant circuit 4 and a first capacitor 32a and a second capacitor 32b.
  • a first chiller 30a and a second chill 30b are arranged.
  • a respective chiller 30, 30a, 30b acts in the refrigeration circuit 6 as an evaporator and serves overall for the transmission of heat from the coolant circuit 4 in the respective refrigerant circuit 6a, 6b, to which the chiller 30, 30a, 30b is connected.
  • a respective one of the capacitors 32a, 32b then serves to transfer heat from the corresponding refrigerant circuit 6a, 6b into the coolant circuit 4.
  • the chillier 30, 30a, 30b is basically downstream of the high-voltage accumulator 8 in the HVS circuit 10 connected, in Figs. 1 to 3, the chilli 30 is connected downstream of the heat source 26.
  • the capacitors 32a, 32b are connected in the heating circuit 14.
  • the first cooling circuit 6a also has an air-conditioning evaporator 34, which serves for interior cooling.
  • the heating heat exchanger 16 and the air-conditioning evaporator 34 are then each a part of an unspecified air conditioner for interior air conditioning.
  • the climate evaporator 34 and a respective chiller 30, 30a, 30b is preceded by a respective unspecified expansion element.
  • each cooling circuit 6a, 6b has a respective compressor 36a, 36b for compressing the refrigerant before it enters the respective condenser 32a, 32b.
  • an inner heat exchanger 38a, 38b is additionally integrated into the cooling circuits 6a, 6b for increasing the efficiency and increasing the output.
  • the various circuits 10, 14, 22 of the coolant circuit 4 are hydraulically coupled to each other in the variants shown and shut off by means of unspecified valves and then operated separately, depending on the operating mode.
  • a particular aspect of the interconnection shown is in FIGS. 4 to 7 the cross-connection 40 between the HVS circuit 10 and the cooling circuit 22.
  • a shut-off device 42 in the form of a check valve is arranged in FIGS. 4 to 7 downstream of the high-voltage accumulator 8, to prevent backflow of coolant flowing from the heat source 26 toward the chiller 30 or the chillers 30a, 30b in the HVS circuit 10.
  • a key idea of all the variants shown is, in particular, to use a plurality of cooling circuits 6a, 6b in order to achieve a higher air-conditioning capacity compared with a single cooling circuit without having to use a larger compressor.
  • the two refrigerant circuits 6a, 6b are separated from each other and independently operable.
  • the two refrigerant circuits 6a, 6b can therefore perform different air conditioning tasks and / or jointly serve an air conditioning task with a correspondingly high power requirement.
  • the arrangement of the capacitors 32a, 32b and the chiller 30, 30a, 30b in the coolant circuit in particular the arrangement of the capacitors 32a, 32b relative to each other and the arrangement of the chilli 30a, 30b relative to each other.
  • 1 to 7 show various preferred variants whose essential features and differences from each other are described below. Further preferred variants also result from the combination of these variants.
  • FIGS. 1 and 2 differ only in the arrangement of the two capacitors 32a, 32b relative to each other.
  • Fig. 1 shows a series circuit in which the capacitors 32a, 32b are connected in series. This is particularly useful if the two capacitors 32a, 32b do not transfer heat at the same time, e.g. in an operating mode in which only one of the refrigeration circuits 6a, 6b is active and only one of the condensers 32a, 32b transfers heat and thus eliminates the mutual adverse effect on thedem ittelvorlauftem temperature.
  • the capacitors 32a, 32b are connected in parallel to one another, wherein one of the capacitors 32a, 32b, here the second capacitor 32b, is arranged on a HWT bypass 44, which supplies the coolant again only downstream of the heating heat exchanger 16. Due to this bypassing of the heating heat exchanger 16, the parallel circuit shown in Fig. 2 is also referred to as a false parallel connection, since the introduced via the second capacitor 32 b in the heating circuit 14 heat is not directly available for indoor heating available.
  • An advantage of a parallel connection is in general that during simultaneous operation of the refrigeration circuits 6a, 6b both capacitors 32a, 32b have the same, the lowest possible, flow temperature and are operated as efficiently and powerful as possible.
  • An advantage of the artificial parallel connection shown here is that even with an inactive second cooling circuit 6b, optimum interior heating is still ensured since the unheated coolant downstream of the second condenser 32b is not already mixed upstream of the heating heat exchanger 16.
  • FIG. 3 likewise shows a variant with only one chill 30, but with coolant-cooled high-voltage accumulator 8, which is integrated into the coolant circuit 4 via an HVS circuit 10.
  • the chiller 30 is arranged in the HVS circuit 10 and can be used in the particular interconnection shown here both for heat dissipation from the high-voltage storage 8 and from the heat source 26. This also applies in principle to the other variants of FIGS. 4 to 7 and there at least for the first chiller 30 a.
  • the first refrigerant circuit 6a becomes used only for interior cooling, wherein, if necessary, heat can be returned via the first capacitor 32a again, for example in the context of a dehumidifying operation.
  • the second refrigerant circuit 6b is used for cooling the high-voltage accumulator 8 and or the heat source 26 and allows in a heat pump operation a transfer of waste heat of these components via the chiller 30 in the heating circuit 22, for the purpose of interior heating.
  • the capacitors 32a, 32b are shown in series connection. However, a false parallel connection according to FIG. 2 is also suitable, but then, contrary to the representation in FIG. 2, the first capacitor 32a is expediently arranged on the HWT bypass 44 and not, as in FIG. 2, the second capacitor 32b.
  • FIGS. 10a and 10b respectively show variants of the heating system 2, in which two chillers 30a, 30b are present, namely a first chiller 30a, which is connected to the first refrigerant circuit 6a and a second chiller 30b, which to the second refrigerant circuit 6b connected.
  • Suitable refrigeration circuits 6a, 6b for these variants are shown in FIGS. 10a and 10b, respectively.
  • a different distribution of the air conditioning tasks results in the same refrigeration circuits 6a, 6b exclusively due to the arrangement of the capacitors 32a, 32b and the chillers 30a, 30b in the coolant circuit 4.
  • the air conditioner evaporator 34 is connected to the first refrigerant circuit 6a, which Corresponds to the interior cooling.
  • FIG. 4 shows a simple power scaling in which the capacitors 32a, 32b and the chillers 30a, 30b are each connected in series.
  • the active first cooling circuit 6a an increase in performance is then realized by adding the second cooling circuit 6b.
  • Fig. 5 shows the capacitors 32a, 32b and the chillers 30a, 30b each in a true parallel connection.
  • a false parallel connection of the capacitors 32a, 32b is not necessary here, since the two chillers 30a, 30b in Fig. 5 are used equivalently, i. the coolant flow coming from the heat source 26 reaches both chillers 30a, 30b, in contrast to the variants of FIGS. 6 and 7.
  • the series and parallel circuits of FIGS. 4 and 5 are combined and the chillers 30a, 30b connected in series and the capacitors 32a, 32b in parallel or vice versa.
  • FIGS. 6 and 7 differ with regard to the positioning of the second chiller 30 b, with corresponding consequences for the second capacitor 32 b.
  • Essential here is the positioning relative to the shut-off device 42, which leads to a non-equivalent use of the two chilli 30a, 30b.
  • the capacitors 32a, 32b and the chillers 30a, 30b are connected in series, respectively.
  • the second chill 30b is arranged upstream and not downstream of the shut-off device 42, so that the second chiller 30b is not used to dissipate heat from the heat source 26, but only to cool the high-voltage accumulator 8.
  • the capacitors 32a and 32b are arranged in an uneven, parallel manner, analogously to FIG.
  • the capacitors 32a and 32b are arranged in series, analogous to FIG.
  • the variants shown are further developed by adding one or more cooling circuits.
  • a further capacitor is then expediently likewise installed in the heating circuit 22 and in parallel and / or in series with the two capacitors 32a, 32b. The same applies to a possibly additionally arranged chilli.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein Hochvoltspeicher (8) angeschlossen ist und welches einen Kühlmittelkreislauf (4) aufweist, mit einem Heizkreis (14), an welchen ein Heizungswärmetauscher (16) angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis (22), an welchen ein Kühler (24) und eine Wärmequelle (26) angeschlossen sind. Zur besonders flexiblen Klimatisierung weist das Wärmesystem zumindest zwei Kältekreise auf, wobei ein erster Kältekreis einen Klima-Verdampfer (34) aufweist, zur innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator (32a), mittels dessen der erste Kältekreis mit dem Kühlmittelkreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis. Auch der zweite Kältekreis ist mittels eines zweiten Kondensators (32b) thermisch mit dem Kühlmittelkreislauf gekoppelt. Die beiden Kältekreise sind jedoch nicht miteinander gekoppelt. Zumindest einer der Kältekreise weist weiterhin einen Chiller (30, 30a, 30b) auf, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf (4). Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Wärmesystem (2) sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems (2).

Description

WÄRMESYSTEM» ELEKTRO- ODER HYBRIDFAHRZEUG MIT EINEM. SOLCHEN UND
VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES WÄRMESYSTEMS
Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein Hochvoltspeicher angeschlossen ist und welches einen ersten Kältekreis aufweist und einen Kühlmittelkreislauf, mit einem Heizkreis, an welchen ein Heizungswärmetauscher angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis, an welchen ein Kühler und eine Wärmequelle angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis einen Klima- Verdampfer aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator, mittels dessen der erste Kältekreis mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem solchen Wärmesystem sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems.
Ein entsprechendes Wärmesystem ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden, unveröffentlichten, deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102015220623.8 beschrieben.
Ein Wärmesystem dient vorrangig der Klimatisierung diverser Komponenten eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Innenraums, auch als Fahrgastraum bezeichnet, eines Verbrennu ngsm otors , eines elektrischen Antriebsstrangs, einer Leistungselektronik und/oder eines Hochvoltspeichers, zur Versorgung des Antriebsstrangs mit Energie. Die jeweilige Komponente wird dann im Betrieb mittels des Wärmesystems bedarfsweise beheizt, gekühlt oder beides. Zur Erzeugung einer bestimmten Klimatisierungsleistung z.B. zur Kühlung des Innenraums und/oder des Hochvoltspeichers weist das Wärmesystem typischerweise einen Kältekreis auf, mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer. In bestimmten Fällen, d.h. bei bestimmten Betriebszustanden des Fahrzeugs, ist die mittels des Kältekreises generierbare Klimatisierungsleistung jedoch nicht ausreichend, um eine hinreichende Kühlung zu gewährleisten. Besonders im Zusammenhang mit einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches einen Hochvoltspeicher zum Antrieb aufweist, sind als Betriebszustände beispielsweise hohe Fahrgeschwindigkeiten und ein Schnellladen des Hochvoltspeichers hinsichtlich einer Kühlung kritisch. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Wärmesystem zur Klimatisierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs anzugeben sowie ein solches Fahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems. Das Wärmesystem soll möglichst kostengünstig und insbesondere aus Komponenten aufgebaut sein, welche verfügbar sind und automotiv tauglich sind, besonders hinsichtlich Gewicht und Bauraum. Zusätzlich soll der Betrieb des Wärmesystems sowohl unter Teillast- als auch unter Volllastbedingungen möglichst effizient und akustisch unauffällig sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmesystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 , durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Wärmesystem sinngemäß auch für das Fahrzeug sowie das Verfahren und umgekehrt.
Das Wärmesystem dient der Klimatisierung diverser Komponenten eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches im Rahmen dieser Anmeldung kurz auch lediglich als Fahrzeug bezeichnet wird. An das Wärmesystem ist ein Hochvoltspeicher angeschlossen, welcher vorrangig der Energieversorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs dient. Dazu ist der Hochvoltspeicher mittels eines geeigneten Wärmetauschers thermisch an das Wärmesystem angeschlossen, zum Wärmetausch mit diesem. Das Wärmesystem weist einen ersten Kältekreis auf, in welchem insbesondere mittels eines Verdichters ein Kältemittel verdichtet und gefördert wird.
Weiter weist das Wärmesystem einen Kühlmittelkreislauf auf, mit einem Heizkreis, an welchen ein Heizungswärmetauscher angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis, an welchen ein Kühler und eine Wärmequelle angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis einen Klima-Verdampfer aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator, mittels dessen der erste Kältekreis mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis. Der Kondensator ist kühlmittelgekühlt und beispielsweise ein wassergekühlter Kondensator oder alternativ ein Gaskühler, falls das Kältemittel z.B. R744 ist.
Insgesamt ist das Wärmesystem demnach dazu ausgebildet, mittels des Klima-Verdampfers und des Heizungswärmetauschers den Innenraum des Fahrzeugs, genauer gesagt Luft, welche dem Innenraum zugeführt wird, zu beheizen, zu kühlen und insbesondere auch zu entfeuchten. Der Heizungswärmetauscher und der Klima-Verdampfer sind somit insbesondere Teile eines Klimageräts. Zur Kühlung wird der Luft mittels des Klima-Verdampfers Wärme entzogen und gelangt in den ersten Kältekreis. Zur Beheizung wird dagegen mittels des Kondensators Wärme vom ersten Kältekreis in den Kühlmittelkreislauf übertragen und dadurch Kühlmittel erwärmt, welches dann dem Heizungswärmetauscher zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist ein bezüglich des ersten Kältekreises separater, zweiter Kältekreis angeordnet, d.h. das Wärmesystem weist einen zweiten Kältekreis auf. Dieser ist vom ersten Kältekreis hydraulisch getrennt, d.h. es erfolgt kein Kältemittelaustausch zwischen den beiden Kältekreisen. Der zweite Kältekreis weist einen zweiten Kondensator auf und ist mittels diesem mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt, zur Wärmeabfuhr aus dem zweiten Kältekreis. Unter separat wird somit insbesondere verstanden, dass der erste und der zweite Kältekreis nicht direkt miteinander verbunden oder gekoppelt sind und daher auch nicht unmittelbar Kältemittel oder Wärme miteinander austauschen können. Beide Kältekreise sind jedoch mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden, um jeweils Wärme mit diesem auszutauschen. Die thermische Anbindung an den Kühlmittelkreislauf erfolgt zumindest über den jeweiligen Kondensator, über welchen Wärme vom jeweiligen Kältekreis in den Kühlmittelkreislauf übertragen wird.
Weiterhin weist zumindest einer der Kältekreise einen Chiller auf, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf. Auch der Chiller stellt eine thermische Verbindung des entsprechenden Kältekreises mit dem Kühlmittelkreislauf dar, jedoch wird hier die Wärme im Vergleich zum Kondensator in umgekehrter Richtung transportiert, nämlich vom Kühlmittelkreislauf zum Kältekreis. Dadurch wird in einem Kühlbetrieb Wärme, welche von einer Komponente, insbesondere der Wärmequelle, im Kühlmittelkreislauf generiert wird, über den Chiller abgeführt und auf diese Weise die Komponente gekühlt. Die in den Kältekreis aufgenommene Wärme wird dann insbesondere in einem Wärmepumpenbetrieb über den Kondensator an anderer Stelle wieder dem Kühlmittelkreislauf zugeführt, zweckmäßigerweise dem Heizkreis zwecks Innenraumbeheizung. Der Kältekreis mit Chiller und Kondensator ist somit insbesondere eine Wärmepumpe. Alternativ oder zusätzlich zur Wärmeabfuhr über den Chilier wird Wärme über den Kühler abgeführt. Aufgrund der separaten Ausgestaltung der Kältekreise sind die Kondensatoren und der Chiller jeweils lediglich einem Kältekreis zugeordnet, jedoch sämtlich an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Überlegung zugrunde, dass eine einfache Skalierung eines einzelnen Kältekreises hinsichtlich der Klimatisierungsleistung gewisse Nachteile birgt und vor allem einen größeren und leistungsstärkeren Verdichter bedingt, welcher zu einer erhöhten Bauteilvielfalt bei der Konstruktion unterschiedlicher Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der maximalen Klimatisierungsleistung führt. Weitere Nachteile eines größeren Verdichters sind insbesondere hohe Entwicklungskosten, ein größerer benötigter Bauraum, die Notwendigkeit einer Taktung im Teillastbetrieb, d.h. bei niedrigem Kälteleistungsbedarf, welches hinsichtlich Akustik und Ölrückführung kritisch ist, z.B. bei einem Scrollverdichter aufgrund einer Minimaldrehzahl, sowie die Notwendigkeit einer Anpassung von Kältemittelleitungen und Verbindungstechnik, insbesondere aufgrund der höheren Kältemittelmassenströme.
Demgegenüber werden bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Wärmesystems mit mehreren, separaten Kältekreisen vorteilhafterweise für die diversen Kältekreise bereits vorhandene Komponenten verbaut, insbesondere wird in den mehreren Kältekreisen jeweils der gleiche Verdichter verbaut. Insgesamt ist somit auf einfache Weise eine Leistungsskalierung mit bereits bewährten und vorhandenen Bauteilen im Rahmen eines besonders einfachen Baukastenkonzepts möglich, Ein existierendes Baukastenkonzept braucht insbesondere nicht erweitert zu werden. Weiterhin werden vorteilhaft entsprechend gering dimensionierte Verdichter verwendet, welche dann jeweils lediglich teilweise zur gesamten maximalen Klimatisierungsleistung des Wärmesystems beitragen.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht somit insbesondere darin, bei einem Wärmesystem mehrere Kältekreise zu verwenden, um die Leistung des Wärmesystems zu erhöhen. Ein besonderer Vorteil eines solchen Wärmesystems besteht dann insbesondere auch darin, dass die diversen Kältekreise unterschiedliche Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen können, indem die Kältekreise an unterschiedlichen Stellen des Kühlmittelkreislaufs mit diesem thermisch verbunden sind. Eine Klimatisierungsaufgabe ist beispielsweise die Kühlung einer bestimmten Komponente und/oder die Wärmeabfuhr über eine bestimmte Komponente des Wärmesystems. Dabei ist insgesamt eine Vielzahl an Verschaltungen der Kältekreise mit dem Kühlmittelkreislauf denkbar, von denen einige bevorzugte Ausgestaltungen weiter unten beschrieben werden. Bei einer einfachen Skalierung eines einzelnen Kältekreises ist eine solche flexible Verschaltung nicht möglich. Bei der Verwendung mehrerer Kältekreise ist dagegen zweckmäßigerweise jedem Kältekreis individuell eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben zugeordnet. Insbesondere wird je nach Betriebsmodus des Wärmesystems und je nach Leistungsbedarf ein jeweiliger Kältekreis abgeschaltet oder hinzugeschaltet, d.h. aktiviert oder deaktiviert. Aufgrund der separaten und insbesondere separat schaltbaren Kältekreise ist das Wärmesystem im Betrieb somit besonders effizient. Zum Schalten der Kältekreise weist das Wärmesystem dann zweckmäßigerweise eine Steuereinheit auf, auch als Controller bezeichnet, oder ist mit einer Steuereinheit des Fahrzeugs verbunden. Die Steuereinheit dient alternativ oder zusätzlich auch zum Umschalten des Wärmesystems zwischen diversen Betriebsmodi. Der Kühlmittelkreislauf ist insbesondere als integrierter Kühlmittelkreislauf konzipiert, bei welchem mehrere Kreise, nämiich zumindest der Kühlkreis und der Hetzkreis grundsätzlich über eine Anzahl von Leitungen hydraulisch, d.h. fluidtechnisch miteinander verbunden sind, sodass je nach Betriebsmodus des Wärmesystems ein Austausch von Kühlmittel zwischen verschiedenen der Kreise erfolgt oder unterbunden wird. Durch eine geeignete Verschaltung der Kreise untereinander, z.B. mittels geeigneter Ventile, sind die Kreise insbesondere voneinander trennbar. Unter getrennt wird dann insbesondere verstanden, dass der jeweilige Kreis lediglich abgesperrt wird, insbesondere mittels eines geeigneten Ventils, sodass kein Austausch von Kühlmittel zwischen dem getrennten Kreis und den übrigen Kreisen erfolgt. Alternativ sind die Kreise jedoch getrennt voneinander ausgebildet und nicht fluidtechnisch miteinander verbunden. Dies ist beispielsweise bei einem Hybridfahrzeug mit einem Hochtemperaturkühlkreislauf und einem davon dauerhaft getrennten Niedrigtemperaturkühlkreislauf denkbar und zweckmäßig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt dem Wärmesystem der in der eingangs genannten deutschen Anmeldung 102015220623.8 beschriebene und im Zusammenhang mit der dortigen Fig. 1 näher erläuterte Kühlmittel kreislauf zugrunde. Bezüglich des Betriebs und der Betriebsmodi eines solchen Wärmesystems wird ebenfalls auf diese Anmeldung verwiesen. Die Erfindung ist allerdings grundsätzlich auch auf andere Wärmesysteme und Verschaitungen vorteilhaft anwendbar.
Vorzugsweise weist der Kühlmittelkreislauf in der integrierten Ausgestaltung stromab des Kühlers einen Heizkreisvorlauf auf, welcher den Kühlkreis mit dem Heizkreis verbindet. Stromauf des Kühlers ist der Heizkreis dann über einen Heizkreisrücklauf ebenfalls an den Kühlkreis angeschlossen. Der Heizkreis ist zudem zur Wärmequelle parallel geschaltet, d.h. dass Kühlmittel, welches vom Kühler kommt, wird auf den Heizkreis und die Wärmequelle aufgeteilt.
Die Wärmequelle ist insbesondere ein elektrischer Antriebsstrang des Fahrzeugs, eine Ladeelektronik für den Hochvoltspeicher, eine Leistungselektronik oder im Falle eines Hybridfahrzeugs z.B. ein Verbrennungsmotor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Heizkreis zudem ein Zuheizer angeordnet, z.B. ein elektrischer Durchlauferhitzer, mittels welchem bedarfsweise zugeheizt wird, falls die von den Kondensatoren in den Heizkreis eingebrachte Wärme nicht ausreicht, um eine entsprechende Klimatisierungsanforderung hinreichend zu bedienen, hier insbesondere eine Heizanforderung bezüglich des Innenraums. Zur Effizienzsteigerung weist eine Anzahl der Kältekreise, vorzugsweise jeder Kältekreis, vorteilhafterweise einen inneren Wärmetauscher auf.
Für die Anordnung der Kondensatoren relativ zum Kühlmittelkreisiauf existieren mehrere Möglichkeiten, vorzugsweise sind die Kondensatoren jedoch im Heizkreis angeordnet und einer oder beide Kondensatoren dienen der Wärmezufuhr zum Heizungswärmetauscher. Dazu ist der Kondensator oder sind beide Kondensatoren im Heizkreis stromauf des Heizungswärmetauschers angeordnet. Falls keine Innenraumheizung notwendig ist und/oder falls im Heizkreis mehr Wärme vorhanden ist als zum Heizen benötigt wird, wird diese vorteilhafterweise über den Heizkreisrücklauf dem Kühlkreis zugeführt und letztendlich z.B. über den Kühler an die Umgebung abgegeben.
Auch für den Chiller existieren mehrere Anschlussmöglichkeiten, vorzugsweise ist der Chiller jedoch stromab der Wärmequelle und stromauf des Kühlers im Kühlkreis angeordnet, um Wärme der Wärmequelle effizient aufzunehmen, bevor diese dem Kühler zugeführt wird. Insbesondere ist der Chiller auch stromauf des Heizkreisrücklaufs angeordnet, d.h. parallel zum Heizkreis angeordnet, sodass bei Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Heizkreis und die Wärmequelle auch der Chiller lediglich von einem Teil des Kühlmittels durchströmt wird, nämlich demjenigen Teil, welcher nicht zum Heizkreis geführt wird.
Die beiden Kondensatoren sind zweckmäßigerweise in räumlicher Nähe zueinander angeordnet, um den Heizkreis insgesamt möglichst kompakt zu gestalten. Im Detail ergeben sich dennoch mehrere geeignete Varianten hinsichtlich der Anordnung der Kondensatoren relativ zueinander.
In einer ersten geeigneten Variante sind die Kondensatoren zueinander parallel geschaltet und stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen. Dabei ist der Heizkreis stromab des Heizkreisvorlaufs in zwei Kondensatorzweige aufgespalten, welche stromab der Kondensatoren und noch stromauf des Heizungswärmetauschers wieder zusammengeführt werden. Dies wird im Folgenden auch als echte Parallelschaltung bezeichnet, da hierbei beide Kondensatoren quasi gleichwertig verwendet werden und dem Heizungswärmetauscher das von beiden Kondensatoren möglicherweise erwärmte Kühlmittel zugeführt wird.
In einer zweiten geeigneten Variante ist einer der Kondensatoren stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen und der andere Kondensator ist in einem HWT-Bypass, d.h. Heizungswärmetauscher-Bypass, angeschlossen, zur Umgehung des Heizungswärmetauschers. Dies wird auch als unechte Parallelschaltung bezeichnet, da hierbei die Kondensatoren nicht gleichartig verwendet werden, sondern das erwärmte Kühlmittel des einen Kondensators am Heizungswärmetauscher zunächst vorbeigeführt wird. Wie bei der echten Parallelschaltung ist der Heizkreis stromab des Heizkreisvorlaufs zunächst in zwei Kondensatorzweige aufgespalten, welche jedoch nunmehr nicht stromauf des Heizungswärmetauschers wieder zusammengeführt werden, sondern erst stromab desselben. Der Heizungswärmetauscher ist demnach gemeinsam mit einem der Kondensatoren in einem der Kondensatorzweige angeordnet, der andere Kondensator ist im HWT-Bypass angeordnet, d.h. insbesondere auch parallel zum Heizungs Wärmetauscher. Dies ist besonders sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren nicht zeitgleich Wärme übertragen, z.B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren Wärme überträgt. Ein Teil des Kühlmittels strömt dann durch den HWT-Bypass und wird nicht erwärmt, ist also kaltes Kühlmittel, welches vorteilhaft am Heizungswärmetauscher vorbeigeführt wird, wodurch eine Temperaturreduzierung am Heizungswärmetauscher vorteilhaft vermieden wird.
Bei einem geschlossenen, d.h. vom Kühl kreis getrennten Heizkreis erfolgt insbesondere eine Kühlmittelrückführung, sodass dann auch Kühlmittel aus dem HWT-Bypass mittelbar dem Heizungswärmetauscher zugeführt wird. Ansonsten ist es bei der unechten Parallelschaltung jedoch prinzipiell möglich, Wärme über den HWT-Bypass am Heizungswärmetauscher vorbei und direkt zum Kühler zu führen.
In einer dritten geeigneten Variante sind die Kondensatoren hintereinandergeschaltet und stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen, d.h. zueinander seriell angeordnet. Dies ist besonders dann sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren nicht zeitgleich Wärme übertragen, z.B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren Wärme überträgt.
Generell muss von einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, insbesondere einer Heizkreispumpe, welche im Heizkreis angeordnet ist, im Vergleich zu einer Parallelschaltung nur ein Teil des Kühlmittelvolumenstroms, insbesondere der halbe Kühlmittelvolumenstrom, bereitgestellt werden, um beide Kondensatoren mit vergleichbaren Kühlmittelvolumenströmen zu beaufschlagen. Nachteilig wird bei der Serienschaltung die Leistung des nachgeschalteten Kondensators unter Umständen dadurch verringert, dass der zuerst durchströmte Kondensator, falls dieser aktiv ist, das Kühlmittel bereits erwärmt und dadurch die Kühlmitteleintrittstemperatur des nachgeschalteten Kondensators erhöht, was zu Leistungs- und Effizienznachteilen des entsprechenden Kältekreises führt.
In einer Variante wird das Wärmesystem mittels geeigneter Ventile je nach Bedarf zwischen einer Serien- und einer Parallelschaltung der Kondensatoren umgeschaltet. Der Chilier ist in einer ersten geeigneten Ausgestaltung an den ersten Kältekreis angeschlossen und an den zweiten Kältekreis ist ein HVS-Verdampfer angeschlossen, zur Kühlung des Hochvoltspeichers. In dieser Ausgestaltung ist der Hochvoltspeicher demnach nicht kühlmittelgekühlt sondern kältemittelgekühlt. Der HVS-Verdampfer ist dabei insbesondere kein Chilier. Insbesondere erfüllen die Kältekreise in dieser Ausgestaltung also unterschiedliche Klimatisierungsaufgaben. Der erste Kältekreis dient demnach in einem Wärmepumpen betrieb des Wärmesystems als Wärmepumpe zur Übertragung von Abwärme der Wärmequelle zum Heizungswärmetauscher mittels des Chiliers und des ersten Kondensators und somit zur Innenraumbeheizung. Da auch der Klima-Verdampfer an den ersten Kältekreis angeschlossen ist, dient dieser auch der Innenraumkühlung und somit insgesamt der Innenraumklimatisierung als Klimatisierungsaufgabe. Demgegenüber dient der zweite Kältekreis vorrangig der Kühlung des Hochvoltspeichers, d.h. der HVS-Kühlung, insbesondere in einem HVS-Kühlbetrieb des Wärmesystems.
Im Falle einer Serienschaltung der Kondensatoren trägt dann auch der zweite Kältekreis zur Innenraumbeheizung bei, falls der HVS-Kühlbetrieb aktiv ist. Da erfahrungsgemäß zumindest bei niedrigen Außentemperaturen eine Kühlung des Hochvoltspeichers nicht dauerhaft notwendig ist, wird der zweite Kondensator beim kältemittelgekühlten Hochvoltspeicher zweckmäßigerweise im Rahmen einer unechten Parallelschaltung im HWT-Bypass angeordnet. Dadurch ist eine permanente innenraumbeheizung über die Wärmepumpe möglich und zweckmäßigerweise in einem Wärmepumpenbetrieb auch realisiert, ohne eine Absenkung der Vorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers über den bei inaktivem HVS-Kühlbetrieb entsprechend inaktiven Kondensator.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Ausgestaltung mit dem kältemittelgekühlten Hochvoltspeicher ist zur verbesserten Kühlung desselben ein zusätzlicher HVS-Verdam fer angeordnet, welcher an den ersten Kältekreis angeschlossen ist, sodass der Hochvoltspeicher an beide Kältekreise angeschlossen ist. Die Klimatisierungsaufgabe der HVS-Kühlung wird dann von beiden Kältekreisen wahrgenommen, die jedoch nicht zwingend gleichzeitig aktiv sein müssen, sondern vielmehr im Rahmen einer bedarfsangepassten Klimatisierung je nach Bedarf kombiniert werden. Bei einer unechten Parallelschaltung der Kondensatoren ist der erste Kältekreis mit dem Chiller vorteilhafterweise stromauf des Heizungswärmetauschers angeordnet, da dieser vorrangig die Innenraumheizung übernimmt.
In einer zweiten geeigneten Ausgestaltung ist der Chilier an den zweiten Kältekreis angeschlossen und der Kühlmittelkreislauf weist einen HVS-Kreis auf, an welchen der Hochvoltspeicher und der Chilier angeschlossen sind, wobei der Chilier stromab des Hochvoltspeichers angeordnet ist. Gegenüber der oben genannten ersten Ausgestaltung ist der Hochvoltspeicher in dieser zweiten Ausgestaltung nunmehr kühlmittelgekühlt und mittels eines geeigneten Wärmetauschers an den Kühimittelkreisiauf thermisch angeschlossen. Der Chiller dient dann zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers in den zweiten Kältekreis und ist dazu zweckmäßigerweise im HVS-Kreis angeordnet.
Der HVS-Kreis ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Kühlkreis und dem Heizkreis in den Kühimittelkreisiauf integriert. Mittels geeigneter Verschaltung, z.B. mittels entsprechender Ventile, ist der HVS-Kreis getrennt betreibbar, insbesondere in einem HVS-Kühlbetrieb, in welchem dann Kühlmittel im HVS-Kreis zirkuliert, jedoch nicht mit den anderen Kreisen ausgetauscht wird. Über den Chiller wird dann Wärme aus dem HVS-Kreis abgeführt und z.B. bei Bedarf zur Innenraumheizung verwendet.
Der HVS-Kreis ist zudem zweckmäßigerweise parallel zum Heizkreis und auch parallel zur Wärmequelle geschaltet, d.h. der Kühlmittelstrom stromab des Kühlers ist in drei Teile aufteilbar, nämlich einen Teil in Richtung Heizkreis, einen Teil in Richtung HVS-Kreis und einen Teil in Richtung der Wärmequelle. Der HVS-Kreis ist hierzu über einen HVS-Vorlauf und einen HVS-Rücklauf an den Kühlkreis angeschlossen. Bevorzugterweise ist der Chilier nun sowohl stromab des Hochvoltspeichers als auch stromab der Wärmequelle angeordnet, um bedarfsweise Abwärme des Hochvoltspeichers und/oder der Wärmequelle über den zweiten Kältekreis abzuführen. Insbesondere bei einer Anordnung des Chiliers im HVS-Kreis sind dieser und der Kühlkreis zweckmäßigerweise über eine zusätzliche Querverbindung verbunden, durch welche auch eine Umleitung von Kühlmittel sowohl vom Hochvoltspeicher als auch von der Wärmequelle und unter Umgehung des Chillers realisiert ist.
In einer dritten geeigneten Ausgestaltung ist an jeden der Kältekreise jeweils ein Chilier angeschlossen, nämlich ein erster Chiller an den ersten Kältekreis und ein zweiter Chilier an den zweiten Kältekreis, und der Kühimittelkreisiauf weist einen HVS-Kreis auf, an welchen der Hochvoltspeicher und die beiden Chilier angeschlossen sind, wobei die beiden Chilier jeweils stromab des Hochvoltspeichers angeordnet sind. Durch die Verwendung mehrerer Chiller ist eine besonders flexible und effiziente Wärmeverteilung mittels des Wärmesystems realisiert. Wie auch bei den zwei Kondensatoren, so ergeben sich auch für die zwei Chiller dann entsprechend verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten zueinander. Bevorzugte Varianten ergeben sich insbesondere analog zu den oben im Zusammenhang mit den Kondensatoren genannten Varianten. Insbesondere sind auch die Chiller zweckmäßigerweise in räumlicher Nähe zueinander angeordnet und bevorzugterweise beide im HVS-Kreis angeordnet. In einer ersten vorteilhaften Variante sind somit die beiden Chilier hintereinandergeschaltet, d.h. in Serie geschaltet. Die Vorteile, insbesondere bezüglich des Volumenstroms, ergeben sich sinngemäß aus den obigen Ausführungen hinsichtlich der Kondensatoren.
In einer zweiten vorteilhaften Variante sind die beiden Chilier zueinander parallel geschaltet. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass die Chiiler kühlmittelseitig die gleiche Voriauftemperatur aufweisen und somit auch einen besseren Wärmeübergang aufweisen.
Die vorgenannte Parallelschaltung ist insbesondere eine echte Parallelschaltung, bei welcher der HVS-Kreis stromab des Hochvoltspeichers in zwei Chillerzweige aufgespalten wird, welche stromab der Chilier und insbesondere noch stromauf des HVS-Rücklaufs wieder zusammengeführt werden. Demgegenüber ist in einer dritten geeigneten Variante eine unechte Parallelschaltung realisiert, bei welcher einer der Chilier, insbesondere der erste Chilier, sowohl stromab des Hochvoltspeichers als auch stromab der Wärmequelle angeordnet ist und der andere Chilier, insbesondere der zweite Chiiler, stromab des Hochvoltspeichers und parallel zur Wärmequelle angeordnet ist.
Diese unechte Parallelschaltung wird zweckmäßigerweise durch eine Absperrvorrichtung, vorzugsweise ein Rückschlagventil realisiert, welches im HVS-Kreis stromab des Hochvoltspeichers angeordnet ist. Dabei ist die Absperrvorrichtung lediglich auf einem der beiden Chillerzweige positioniert, sodass der andere Chillerzweig ein Bypass für das Rückschlagventil ist und lediglich einer der Chiiler vom Kühlmittel der Wärmequelle durchströmt wird, deren Abwärme dann in den zugehörigen Kältekreis übertragen wird. Der andere Chilier kann dann nicht mehr von Kühlmittel durchströmt werden, welches von der Wärmequelle und insbesondere über die Querverbindung zum HVS-Kreis strömt, wobei die Querverbindung stromab der Absperrvorrichtung und stromauf des ersten Chiliers an den HVS-Kreis angeschlossen ist.. Dieser Chiiler dient somit lediglich zur Wärmeabfuhr vom Hochvoltspeicher.
Vorzugsweise ist der zweite Chilier parallel zur Absperrvorrichtung angeordnet und der erste Chiiler stromab derselben. Die Kühlung des Hochvoltspeichers ist dann eine Klimatisierungsaufgabe beider Kältekreise, die Kühlung der Wärmequelle ist jedoch lediglich eine Klimatisierungsaufgabe des ersten Kältekreises. Wird keine oder lediglich eine geringe Kühlung des Hochvoltspeichers benötigt, wird der zweite Kältekreis in einer zweckmäßigen Ausgestaltung deaktiviert und ausschließlich der erste Kältekreis verwendet, welcher insbesondere sämtliche Klimatisierungsaufgaben wahrnimmt. Bei erhöhtem Kühlbedarf im HVS- Kreis wird der zweite Kältekreis hinzugeschaltet. Das beschriebene Wärmesystem ist besonders geeignet für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher, zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs. Das Wärmesystem ist dann vorteilhaft sowohl zur Innenraumkiimatisierung als auch zur Klimatisierung des Hochvoltspeichers ausgebildet und weist zumindest zwei Kältekreise auf, welche voneinander hydraulisch getrennt sind, sowie einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, welcher mit den Kältekreisen thermisch gekoppelt ist, zum Wärmeaustausch mit diesen Kältekreisen.
Das Fahrzeug weist in einer bevorzugten Ausgestaltung mehrere Betriebszustände auf, nämlich zumindest einen Normalbetriebszustand und einen Sonderbetriebszustand, wobei in letzterem eine höhere Klimatisierungsanforderung vorliegt, z.B. eine höhere Kühlanforderung hinsichtlich des Hochvoltspeichers. Insbesondere weist das Fahrzeug als einen Sonderbetriebszustand einen Fahrbetrieb mit hoher Geschwindigkeit auf oder einen Schnellladebetrieb, zum schnellen Laden des Hochvoltspeichers.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb des beschriebenen Wärmesystems ist jedem der Kältekreise eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben mit jeweils einer Klimatisierungsanforderung zugewiesen und die Kältekreise werden unabhängig voneinander insbesondere mittels einer Steuereinheit aktiviert oder deaktiviert, um die jeweilige Klimatisierungsanforderung zu bedienen. Eine Klimatisierungsaufgabe besteht insbesondere im Beheizen und oder Kühlen einer Komponenten, welche an das Wärmesystem zum Wärmeaustausch angeschlossen ist. Beispiele für Klimatisierungsaufgaben sind Innenraumbeheizung, Innenraumkühlung, HVS-Kühlung, ggf. HVS-Heizung, oder Kühlung der Wärmequelle. Eine Klimatisierungsanforderung ist dann die konkrete Anforderung einer bestimmten Leistung zur Erfüllung der entsprechenden Klimatisierungsaufgabe.
Die Klimatisierungsanforderung wird insbesondere durch die Steuereinheit bestimmt und vorgegeben, welche auch als Controller bezeichnet wird. Die Steuereinheit ist beispielsweise ein Teil des Wärmesystems oder alternativ ein Teil eines Bordcomputers des Fahrzeugs. Mittels der Steuereinheit wird ein jeweiliger der Kältekreise des Wärmesystems bedarfsweise aktiviert, falls eine Klimatisierungsanforderung vorliegt, welche zur Klimatisierungsaufgabe des jeweiligen Kältekreises gehört. Dabei ist einem bestimmten Kältekreis entweder lediglich eine Klimatisierungsaufgabe zugeordnet oder diesem sind mehrere Klimatisierungsaufgaben zugeordnet, sodass dessen Klimatisierungsleistung insbesondere auch zeitgteich zur Bedienung mehrerer Klimatisierungsanforderungen verwendet wird. Umgekehrt wird eine bestimmte Klimatisierungsaufgabe entweder von lediglich einem der Kältekreise bedient oder von mehreren Kältekreisen. Die in einem konkreten Fall bevorzugte Zuordnung hängt dabei insbesondere von der konkreten Verschaltung des Wärmesystems ab, von dessen Betriebsmodi und/oder von den möglichen Betriebszuständen des Fahrzeugs. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind dann zwei Kältekreise vorhanden, von denen der eine Kältekreis grundsätzlich bei allen anfallenden Klimatisierungsaufgaben aktiviert wird, wobei der andere Kältekreis lediglich z.B. zur Kühlung des Hochvoltspeichers dient und lediglich dann zusätzlich aktiviert wird, falls die zur Kühlung benötigte Klimatisierungsleistung nicht alleinig von dem einen Kältekreis aufgebracht werden kann. Der andere Kältekreis wird hier sozusagen als Hilfsaggregat verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist demgegenüber eine Arbeitsteilung verwirklicht, bei welcher jedem der Käitekreise zumindest eine Klimatisierungsaufgabe zugeordnet ist, die keinem anderen der Kältekreise zugeordnet ist. Als Abwandlung des oben genannten Beispiels wird der Hochvoltspeicher beispielsweise lediglich durch den anderen Kältekreis gekühlt und nicht von beiden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch: einen Kühlmittelkreislauf jeweils einer Variante eines Wärmesystems, einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß den Fig. 1 und 2,
einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß Fig. 3, und einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß den Fig. 4 bis 7.
In den Fig. 1 bis 7 ist jeweils in bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wärmesystems 2 für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug dargestellt. In den genannten Figuren ist zunächst lediglich ein Kühlmittel kreislauf 4 gezeigt sowie ausgewählte Komponenten zugehöriger Kältekreise 6a, 6b, während bevorzugte Varianten für einen ersten Kältekreis 6a und einen zweiten Kältekreis 6b des Wärmesystems 2 in den übrigen Fig. 8a bis 10b gezeigt sind. So zeigen die Fig. 8a, 8b, zwei Kältekreis 6a, 6b für die Wärmesysteme 2 gemäß den Fig. 1 und 2, die Fig. 9a, 9b zwei Kältekreise 6a, 6b für das Wärmesystem 2 gemäß Fig. 3 und die Fig. 10a, 10b, zwei Kältekreis 6a, 6b für die Wärmesysteme 2 gemäß den Fig. 4 bis 7.
Sämtliche gezeigte Varianten des Wärmesystems 2 dienen zur Klimatisierung diverser Komponenten des Fahrzeugs, welche über geeignete Wärmetauscher an das Wärmesystem 2 thermisch angeschlossen sind, um Wärme abzugeben oder aufzunehmen.
Das Fahrzeug ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher 8, welcher zwecks Klimatisierung in den Fig. 1 und 2 mittels jeweils einem HVS-Verdampfer 8a, 8b an jeweils einen der Kältekreise 6a, 6b angeschlossen ist, d.h. kältemittelgekühlt ist. In den Fig. 3 bis 7 ist der Hochvoltspeicher 8 dagegen an den Kühlmittelkreislauf 4 angeschlossen, d.h. kühlmittelgekühit, und dazu zunächst an einen HVS-Kreis 10 angeschlossen, welcher dann ein Teil des Kühlmittelkreislaufs 4 ist und in der Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 nicht vorhanden ist. Zur Umwälzung von Kühlmittel im HVS-Kreis 10 ist in diesem zusätzlich eine HVS-Kreis- Pumpe 12 angeordnet.
Weiterhin ist in den Kühlmittelkreislauf 4 in allen Varianten ein Heizkreis 14 integriert, welcher zur Innenraumbeheizung einen Heizungswärmetauscher 16 aufweist. Im Heizkreis 14 ist zudem eine Heizkreis pumpe 18 angeordnet sowie ein zusätzlicher Zuheizer 20, der beispielsweise ein elektrischer Durchlauferhitzer ist. Zusätzlich zum Heizkreis 14 und ggf. zum HVS-Kreis 10 weist das Wärmesystem 2 noch einen Kühlkreis 22 auf, in welchem ein Kühler 24 sowie eine Wärmequelle 26 angeordnet sind. Die Wärmequelle 26 ist beispielsweise ein elektrischer Antriebsstrang oder eine Lade- oder Leistungselektronik des Fahrzeugs. Zur Kühlmittelumwälzung ist im Kühlkreis 22 eine Kühlkreispumpe 28 angeordnet.
In den Fig. 1 bis 3 ist an den Kühlmittelkreislauf 4 weiterhin lediglich ein Chilier 30 angeschlossen sowie ein erster Kondensator 32a und ein zweiter Kondensator 32b. in den Varianten der Fig. 4 bis 7 sind dagegen ein erster Chiller 30a und ein zweiter Chilier 30b angeordnet. Ein jeweiliger Chiiler 30, 30a, 30b wirkt im Kältekreis 6 als Verdampfer und dient insgesamt zur Übertragung von Wärme vom Kühlmittelkreislauf 4 in den jeweiligen Kältekreis 6a, 6b, an welchen der Chiller 30, 30a, 30b angeschlossen ist. Ein jeweiliger der Kondensatoren 32a, 32b dient dann der Übertragung von Wärme vom entsprechenden Kältekreis 6a, 6b in den Kühlmittelkreislauf 4. In den Fig. 4 bis 7 ist der Chilier 30, 30a, 30b ist im HVS-Kreis 10 grundsätzlich stromab des Hochvoltspeichers 8 angeschlossen, in den Fig. 1 bis 3 ist der Chilier 30 stromab der Wärmequelle 26 angeschlossen. Die Kondensatoren 32a, 32b sind im Heizkreis 14 angeschlossen.
Der erste Kältekreis 6a weist in allen Varianten weiterhin einen Klima-Verdampfer 34 auf, welcher der Innenraumkühlung dient. Der Heizungswärmetauscher 16 und der Klima- Verdampfer 34 sind dann jeweils ein Bestandteil eines nicht näher bezeichneten Klimageräts zur Innenraumklimatisierung. Dem Klima-Verdampfer 34 sowie einem jeweiligen Chiller 30, 30a, 30b ist jeweils ein nicht näher bezeichnetes Expansionsorgan vorgeschaltet. Weiterhin weist jeder Kältekreis 6a, 6b jeweils einen Verdichter 36a, 36b auf, zur Verdichtung des Kältemittels vor Eintritt in den jeweiligen Kondensator 32a, 32b. In der hier gezeigten Ausführungsform ist in den Kältekreisen 6a, 6b zudem zur Effizienzsteigerung und Leistungssteigerung jeweils ein innerer Wärmetauscher 38a, 38b integriert. Die diversen Kreise 10, 14, 22 des Kühlmittelkreislaufs 4 sind in den gezeigten Varianten miteinander hydraulisch gekoppelt und mittels nicht näher bezeichneter Ventile absperrbar und dann separat betreibbar, je nach Betriebsmodus. Ein besonderer Aspekt der gezeigten Verschaltung ist in den Fig. 4 bis 7 die Querverbindung 40 zwischen dem HVS-Kreis 10 und dem Kühlkreis 22. Desweiteren ist in den Fig. 4 bis 7 stromab des Hochvoltspeichers 8 eine Absperrvorrichtung 42 in Form eines Rückschlagventils angeordnet, um ein Rückströmen von Kühlmittel, welches von der Wärmequelle 26 in Richtung des Chiliers 30 oder der Chiller 30a, 30b strömt, im HVS-Kreis 10 zu verhindern. Bezüglich dieser Aspekte sowie hinsichtlich der in den Figuren nicht näher bezeichneten Ventile und Leitungen sowie deren Funktion und auch hinsichtlich der hier nicht näher ausgeführten Betriebsmodi des Wärmesystems 2 wird auf die eingangs erwähnte deutsche Anmeldung 102015220623.8 verwiesen.
Ein Kerngedanke aller gezeigten Varianten ist insbesondere, mehrere Kältekreise 6a, 6b zu verwenden, um gegenüber einem einzelnen Kältekreis eine höhere Klimatisierungsleistung zu erzielen ohne einen größeren Verdichter verwenden zu müssen. Die beiden Kältekreise 6a, 6b sind dabei voneinander getrennt und unabhängig voneinander betreibbar. Die beiden Kältekreise 6a, 6b können daher verschiedene Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen und/oder gemeinsam eine Klimatisierungsaufgabe mit entsprechend hoher Leistungsanforderung bedienen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b und der Chiller 30, 30a, 30b im Kühlmittelkreislauf, insbesondere die Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b relativ zueinander sowie die Anordnung der Chilier 30a, 30b relativ zueinander. Hierzu zeigen die Fig. 1 bis 7 diverse bevorzugte Varianten, deren wesentliche Merkmale und Unterschiede zueinander im Folgenden beschrieben werden. Weitere bevorzugte Varianten ergeben sich außerdem aus der Kombination dieser Varianten.
Die Varianten der Fig. 1 und 2 unterscheiden sich lediglich in der Anordnung der beiden Kondensatoren 32a, 32b relativ zueinander. Fig. 1 zeigt eine Serienschaltung, bei welcher die Kondensatoren 32a, 32b hintereinander geschaltet sind. Dies ist besonders sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren 32a, 32b nicht zeitgleich Wärme übertragen, z.B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise 6a, 6b aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren 32a, 32b Wärme überträgt und damit die gegenseitige nachteilige Beeinflussung hinsichtlich der Kühlm ittelvorlauftem peratur entfällt.
Generell muss von der Heizkreispumpe 12 im Vergleich zu einer Parallelschaltung nur der halbe Kühlmittelvolumenstrom bereitgestellt werden, um beide Kondensatoren 32a, 32b mit vergleichbaren Kühlmittelvolumenströmen zu beaufschlagen. In Fig. 2 sind die Kondensatoren 32a, 32b dagegen parallel zueinander geschaltet, wobei einer der Kondensatoren 32a, 32b, hier der zweite Kondensator 32b auf einem HWT-Bypass 44 angeordnet ist, welcher das Kühlmittel erst stromab des Heizungswärmetauschers 16 wieder zuführt. Aufgrund dieser Umgehung des Heizungswärmetauschers 16 wird die in Fig. 2 gezeigte Parallelschaltung auch als unechte Parallelschaltung bezeichnet, da die über den zweiten Kondensator 32b in den Heizkreis 14 eingebrachte Wärme nicht unmittelbar zur Innenraumbeheizung zur Verfügung steht. Erst durch Absperren des Heizkreises 14 und Rückführen des Kühlmittels ist es möglich, diese Wärme zumindest mittelbar dem Heizungswärmetauscher 16 zuzuführen. Ein Vorteil einer Parallelschaltung ist allgemein, dass beim gleichzeitigen Betrieb der Kältekreise 6a, 6b beide Kondensatoren 32a, 32b die gleiche, möglichst niedrige, Vorlauftemperatur aufweisen und so möglichst effizient und leistungsstark betrieben werden. Ein Vorteil speziell der hier gezeigten unechten Parallelschaltung ist dann, dass auch bei inaktivem zweiten Kältekreis 6b weiterhin eine optimale Innenraumbeheizung gewährleistet ist, da das nicht erwärmte Kühlmittel stromab des zweiten Kondensators 32b gerade nicht stromauf des Heizungswärmetauschers 16 schon zugemischt wird.
Die Fig. 8a, b zeigen einen ersten bzw. zweiten Kältekreis 6a, 6b für die Varianten der Fig. 1 und 2. Deutlich wird hierbei die Arbeitsteilung der Kältekreis 6a, 6b, welche diverse Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen. So erfolgt eine Innertraumkühlung ausschließlich mittels des ersten Kältekreises 6a, an welchen der Klima-Verdampfer 34 angeschlossen ist. Auch eine Innenraumbeheizung ist bei deaktivierter Kühlung des Hochvoltspeichers 8, d.h. bei ausbleibender HVS-Kühlung lediglich über den ersten Käitekreis 6a realisiert, nämlich durch einen Wärmepumpenbetrieb unter Verwendung des Chiliers 30 und des ersten Kondensators 32a. Bei aktivierter HVS-Kühlung steht jedoch auch Abwärme des Hochvoltspeichers 8 zur Verfügung. Je nachdem wie stark dieser gekühlt werden soll wird entweder lediglich einer der Kältekreise 6a, 6b oder werden beide Kältekreise 6a, 6b aktiviert. Entsprechend kann die Klimatisierungsaufgabe der HVS-Kühlung von beiden Kältekreisen 6a, 6b wahrgenommen werden.
Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Variante mit lediglich einem Chilier 30, allerdings mit kühlmittelgekühltem Hochvoltspeicher 8, welcher über einen HVS-Kreis 10 in den Kühlmittelkreislauf 4 integriert ist. Der Chiller 30 ist im HVS-Kreis 10 angeordnet und kann in der hier gezeigten speziellen Verschaltung sowohl zur Wärmeabfuhr vom Hochvoltspeicher 8 als auch von der Wärmequelle 26 verwendet werden. Dies gilt grundsätzlich auch für die übrigen Varianten der Fig. 4 bis 7 und dort zumindest für den ersten Chiller 30a.
In Kombination mit den Kältekreisen 6a, 6b der Fig. 9a, b wird deutlich, dass in der Variante der Fig. 3 eine Arbeitsteilung der Kältekreise 6a, 6b verwirklicht ist. So wird der erste Kältekreis 6a lediglich zur Innenraumkühlung verwendet, wobei bedarfsweise Wärme über den ersten Kondensator 32a wieder zurückgeführt werden kann, z.B. im Rahmen eines Entfeuchtungsbetriebes. Der zweite Kältekreis 6b wird dagegen zur Kühlung des Hochvoltspeichers 8 und oder der Wärmequelle 26 verwendet und ermöglicht in einem Wärmepum penbetrieb eine Übertragung der Abwärme dieser Komponenten über den Chiller 30 in den Heizkreis 22, zwecks Innenraumbeheizung.
In Fig. 3 sind die Kondensatoren 32a, 32b in einer Serienschaltung gezeigt. Geeignet ist jedoch auch eine unechte Parallelschaltung gemäß Fig. 2, wobei dann jedoch entgegen der Darstellung in Fig. 2 zweckmäßigerweise der erste Kondensator 32a auf dem HWT-Bypass 44 angeordnet ist und nicht wie in Fig. 2 der zweite Kondensator 32b.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen nun Varianten des Wärmesystems 2, bei welchen jeweils zwei Chiller 30a, 30b vorhanden sind, nämlich ein erster Chiller 30a, welcher an den ersten Kältekreis 6a angeschlossen ist und ein zweiter Chiller 30b, welcher an den zweiten Kältekreis 6b angeschlossen ist. Geeignete Kältekreise 6a, 6b für diese Varianten sind in den Fig. 10a bzw. 10b gezeigt. Eine unterschiedliche Verteilung der Klimatisierungsaufgaben ergibt sich bei gleichen Kältekreisen 6a, 6b ausschließlich aufgrund der Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b und der Chilier 30a, 30b im Kühlmittelkreislauf 4. Dabei ist in allen Varianten der Klima- Verdampfer 34 an den ersten Kältekreis 6a angeschlossen, welcher entsprechend zur Innenraumkühlung dient.
In Fig. 4 ist eine einfache Leistungsskalierung gezeigt, indem die Kondensatoren 32a, 32b und die Chilier 30a, 30b jeweils hintereinandergeschaltet sind. Beim aktiven ersten Kältekreis 6a wird dann durch Hinzuschalten des zweiten Kältekreises 6b eine Leistungssteigerung realisiert. Ähnlich ist dies in Fig. 5, welche die Kondensatoren 32a, 32b und die Chilier 30a, 30b jeweils in einer echten Parallelschaltung zeigt. Eine unechte Parallelschaltung der Kondensatoren 32a, 32b ist hier nicht notwendig, da die beiden Chilier 30a, 30b in Fig. 5 gleichwertig verwendet werden, d.h. der von der Wärmequelle 26 kommende Kühlmittelstrom erreicht beide Chiller 30a, 30b, im Gegensatz zu den Varianten der Fig. 6 und 7. In einer nicht gezeigten Variante sind die Serien- und Parallelschaltungen der Fig. 4 und 5 kombiniert und die Chiller 30a, 30b hintereinandergeschaltet und die Kondensatoren 32a, 32b parallel oder umgekehrt.
Die Varianten der Fig. 6 und 7 unterscheiden sich hinsichtlich der Positionierung des zweiten Chillers 30b, mit entsprechenden Konsequenzen für den zweiten Kondensator 32b. Wesentlich ist hierbei die Positionierung relativ zu der Absperrvorrichtung 42, welche zu einer nichtgleichwertigen Verwendung der beiden Chilier 30a, 30b führt. In Fig. 6 sind die Kondensatoren 32a, 32b sowie die Chilier 30a, 30b jeweils in Serie geschaltet. Gegenüber der Variante in Fig. 4 ist in Fig. 6 allerdings der zweite Chilier 30b stromauf und nicht stromab der Absperrvorrichtung 42 angeordnet, sodass der zweite Chiller 30b nicht zur Wärmeabfuhr von der Wärmequelle 26 verwendet wird, sondern lediglich zur Kühlung des Hochvoltspeichers 8. Insofern erfolgt ein Arbeitsteilung der beiden Kältekreise 6a, 6b derart, dass der zweite Kältekreis 6b lediglich zur Kühlung oder zur verstärkten Kühlung des Hochvoltspeichers 8 aktiviert wird. In einer nicht gezeigten Variante sind die Kondensatoren 32a und 32b analog Fig. 7 unecht parallel angeordnet.
Das im Zusammenhang mit Fig. 6 Gesagte gilt sinngemäß auch für die Variante der Fig. 7, bei welcher die Kondensatoren 32a, 32b in einer unechten Parallelschaltung angeordnet sind und Chilier 30a, 30b ebenfalls, wobei sich für letztere die unechte Parallelschaltung dadurch ergibt, dass der Kühlmittelstrom stromab des Hochvoltspeichers 8 bereits vor der Absperrvorrichtung 42 auf die beiden Chiller 30a, 30b aufgeteilt wird, wodurch diese im HVS-Kreis 10 zwar parallel zueinander geschaltet sind, bezüglich der Wärmequelle 26 jedoch nicht gleichwertig verwendet werden.
In einer nicht gezeigten Variante sind die Kondensatoren 32a und 32b analog Fig. 6 seriell angeordnet.
In nicht gezeigten Weiterbildungen werden die gezeigten Varianten durch Hinzufügen eines oder mehrerer Kältekreise weitergebildet. Ein weiterer Kondensator wird dann zweckmäßigerweise ebenfalls im Heizkreis 22 und parallel und/oder seriell zu den beiden Kondensatoren 32a, 32b verbaut. Analoges gilt für einen ggf. zusätzlich angeordneten Chilier.
Bezugszeichenliste
2 Wärmesystem
4 Kühlmittelkreislauf
6a erster Kältekreis
6b zweiter Kältekreis
8 Hochvoltspeicher
8a, 8b HVS- Verdampfer
10 HVS-Kreis
12 HVS-Kreis-Pumpe
14 Heizkreis
16 Heizungswärmetauscher
18 Heizkreispumpe
20 Zuheizer
22 Kühlkreis
24 Kühler
26 Wärmequelle
28 Kühlkreispumpe
30 Chilier
30a erster Chilier
30b zweiter Chilier
32a erster Kondensator
32b zweiter Kondensator
34 Klima-Verdampfer
36a, 36b Verdichter
38a, 38b innerer Wärmetauscher
40 Querverbindung
42 Absperrvorrichtung
44 HWT-Bypass

Claims

Ansprüche
1. Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein
Hochvoltspeicher (8) angeschlossen ist und welches einen ersten Kältekreis (6a) aufweist und einen Kühlmitteikreislauf (4), mit einem Heizkreis (14), an welchen ein Heizungswärmetauscher (16) angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis (22), an welchen ein Kühler (24) und eine Wärmequelle (26) angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis (6a) einen Klima-Verdampfer (34) aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator (32a), mittels dessen der erste Kältekreis (6a) mit dem Kühlmitteikreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis (6a),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein separater, zweiter Kältekreis (6b) angeordnet ist, welcher vom ersten Kältekreis (6a) hydraulisch getrennt ist, welcher einen zweiten Kondensator (32b) aufweist und welcher mittels dem zweiten Kondensator (32b) mit dem Kühlmitteikreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem zweiten Kältekreis (6b), und
dass zumindest einer der Kältekreise (6a, 6b) einen Chiller (30, 30a, 30b) aufweist, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmitteikreislauf (4).
2. Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatoren (32a, 32b) zueinander parallel geschaltet sind und stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen sind.
3. Wärmesystem (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass einer der Kondensatoren (32a, 32b) stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen ist und dass der andere Kondensator (32a, 32b) in einem HWT-Bypass (44) angeschlossen ist, zur Umgehung des Heizungswärmetauschers. (16)
4. Wärmesystem (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatoren (32a, 32b) hintereinandergeschaltet sind und stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen sind.
5. Wärmesystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Chilier (30, 30a, 30b) an den ersten Kättekreis (6a) angeschlossen ist, und dass an den zweiten Kältekreis (6b) ein HVS-Verdampfer (8b) angeschlossen ist, zur Kühlung des Hochvoltspeichers (8).
6. Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zusätzlicher HVS-Verdampfer (8a) angeordnet ist, welcher an den ersten Kältekreis (6a) angeschlossen ist, sodass der Hochvoltspeicher (8) an beide Kältekreise (6a, 6b) angeschlossen ist,
7. Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Chilier (30, 30a, 30b) an den zweiten Kältekreis (6b) angeschlossen ist und dass der Kühlmittelkreislauf (4) einen HVS-Kreis (10) aufweist, an welchen der Hochvoltspeicher (8) und der Chilier (30, 30a, 30b) angeschlossen sind, wobei der Chilier (30, 30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) angeordnet ist.
8. Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass an jeden der Kältekreise (6a, 6b) jeweils ein Chilier (30a, 30b) angeschlossen ist, nämlich ein erster Chilier (30a) an den ersten Kältekreis (6a) und ein zweiter Chilier (30b) an den zweiten Kältekreis (6b), und dass der Kühlmittelkreislauf (4) einen HVS- Kreis (10) aufweist, an welchen der Hochvoltspeicher (8) und die Chiller (30a, 30b) angeschlossen sind, wobei die Chiller (30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) angeordnet sind.
9. Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Chiller (30a, 30b) hintereinandergeschaltet sind.
10. Wärmesystem (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Chilier (30a, 30b) zueinander parallel geschaltet sind.
11. Wärmesystem (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass einer der Chiller (30a, 30b) sowohl stromab des Hochvoltspeichers (8) als auch stromab der Wärmequelle (26) angeordnet ist und der andere Chiller (30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) und parallel zur Wärmequelle (26).
12. Wärmesystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zu den beiden Kältekreisen (6a, 6b) zumindest ein weiterer, separater Kältekreis (6a, 6b) angeordnet ist, welcher von den beiden Kältekreisen (6a, 6b) getrennt ist und welcher mittels eines weiteren Kondensators (32a, 32b) mit dem
Kühlmittelkreislauf (4) thermisch verbunden ist.
13. Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher (8), zur Energieversorgung eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, und mit einem Wärmesystem (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmesystem (2) sowohl zur Innenraumklimatisierung als auch zur Klimatisierung des Hochvoltspeichers (8) ausgebildet ist und zumindest zwei Kältekreise (6a, 6b) aufweist, welche voneinander hydraulisch getrennt sind, sowie einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf (4), welcher mit den Kältekreisen (6a, 6b) thermisch gekoppelt ist, zum Wärmeaustausch mit diesen.
14. Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem jedem der Kältekreise (6a, 6b) eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben mit jeweils einer Klimatisierungsanforderung zugewiesen ist und bei welchem die Kältekreise (6a, 6b) insbesondere mittels einer Steuereinheit unabhängig voneinander aktiviert oder deaktiviert werden, um die jeweilige Klimatisierungsanforderung zu bedienen.
PCT/EP2016/082331 2016-01-14 2016-12-22 Wärmesystem, elektro- oder hybridfahrzeug mit einem solchen und verfahren zum betrieb eines wärmesystems WO2017121605A1 (de)

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