WO2023280442A1 - Thermomanagementsystem für ein elektrofahrzeug und kombinationsventil für ein thermomanagementsystem - Google Patents

Thermomanagementsystem für ein elektrofahrzeug und kombinationsventil für ein thermomanagementsystem Download PDF

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WO2023280442A1
WO2023280442A1 PCT/EP2022/050075 EP2022050075W WO2023280442A1 WO 2023280442 A1 WO2023280442 A1 WO 2023280442A1 EP 2022050075 W EP2022050075 W EP 2022050075W WO 2023280442 A1 WO2023280442 A1 WO 2023280442A1
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Sebastian TIEMEYER
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HELLA GmbH & Co. KGaA
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    • F25B2600/2513—Expansion valves

Definitions

  • Thermal management system for an electric vehicle and combination valve for a thermal management system
  • the invention relates to a thermal management system for an electric vehicle of the type mentioned in the preamble of patent claim 1 and a combination valve for a thermal management system.
  • Such thermal management systems for electric vehicles are already known from the prior art and include a battery circuit with a first coolant pump for a coolant, a battery and a chiller, a drive circuit with a second coolant pump for the coolant, an electric motor, a Power electronics for controlling the electric motor and a heat sink for dissipating heat to a free environment and a refrigerant circuit for a refrigerant for temperature control of an interior of the electric vehicle with a compressor, each for heat exchange with the interior, an interior condenser and an interior evaporator, a condenser, at least a choke and the chiller for heat exchange with the battery circuit.
  • the invention therefore addresses the problem of improving a thermal management system for an electric vehicle and a combination valve for a thermal management system.
  • a thermal management system with the features of patent claim 1, which is characterized in that the chiller, based on the battery circuit, can be operated both in a cooling mode for cooling the battery and in a heating mode for heating the battery.
  • the electric vehicle equipped with the thermal management system according to the invention can be designed as a purely electric vehicle or a so-called hybrid vehicle in which an internal combustion engine is provided in addition to the electric drive for the vehicle with an electric motor.
  • the refrigerant circuit is technically identical to a heat pump.
  • a combination valve for a thermal management system having the features of patent claim 13 .
  • the advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that a thermal management system for an electric vehicle and a combination valve for a thermal management system are improved. Due to the inventive design of the thermal management system for an electric vehicle and the combination valve for a thermal management system, it is possible that, in addition to the switching of the condenser from cooling to heating operation, which is already known from the prior art, the chiller, based on the battery circuit, according to the invention can also be used in a Can be operated in both cooling and heating mode. This enables efficient heating of the battery with COP (coefficient of performance) »1, which significantly improves the overall efficiency of the electric vehicle equipped with it.
  • the combination valve makes this possible in a manner that is particularly advantageous in terms of design and production technology.
  • thermal management system according to the invention can be freely selected in terms of type, mode of operation, material and dimensioning within wide, suitable limits.
  • thermo management system provides that at least one of the at least one throttle is designed as an expansion valve, preferably as a freely controllable expansion valve, particularly preferably that all throttles of the at least one throttle are designed as an expansion valve.
  • the at least one throttle is designed very advantageously for use in electric vehicles. This applies in particular to the preferred and in particular to the particularly preferred embodiment of this development.
  • the refrigerant circuit is designed to conduct flow as follows: a first connection of the compressor is connected to a first connection of the interior condenser, a second connection of the interior condenser is connected to a first connection of a first multi-way valve, the first multi-way valve is connected to a second connection with a first connection of the condenser and with a first connection of a second multi-way valve as well as with a third port connected to a second port of the second multi-way valve and a first port of the chiller, the condenser is connected to a second port to a first port of a first throttle, the first throttle is connected to a second port to a first port of a second throttle and a first connection of a third throttle connected, a second connection of the second throttle is connected to a second connection of the chiller and a second connection of the third throttle is connected to a first connection of the interior evaporator, a second connection of the interior evapor
  • the structure of the thermal management system according to the invention in particular the refrigerant circuit of the thermal management system according to the invention, can be implemented in a particularly simple manner in terms of design, production technology and process technology.
  • the present development of the invention reduces the number of valves in the refrigerant circuit required for the functionality of the thermal management system according to the invention to a minimum, so that a cost-optimal implementation is made possible.
  • the aforementioned flow-conducting connections can be formed both directly, ie directly, and indirectly, ie indirectly with an additional component of the refrigerant circuit being interposed in terms of flow technology.
  • the first multi-way valve and the second multi-way valve are each designed as a 3/2-way valve
  • the refrigerant circuit has a first and a second check valve, with a non-return valve on the one hand first connection of the first check valve with the second connection of the condenser and the first connection of the first throttle and on the other hand an opening direction-side second connection of the first check valve with the second connection of the first throttle and is connected to the first connection of the second and third throttle
  • a first connection of the second check valve on the blocking direction side is connected to the second connection of the chiller and the second throttle
  • a second connection of the second check valve on the opening direction side in each case connected to the second connection of the first throttle and the first check valve and on the other hand in each case to the first connection of the second and the third throttle.
  • the thermal management system according to the invention can be implemented in a particularly simple manner.
  • the interior condenser is arranged after the compressor and can be used at any time to heat the interior, ie to transfer heat from the refrigerant circuit to the interior of the electric vehicle.
  • the interior condenser can optionally be thermally insulated by closing air flaps in an air conditioning system of the electric vehicle, part of which is the refrigerant circuit, so that the transfer of heat to the interior is prevented in this case.
  • the interior condenser can also be bypassed with another 3/2-way multi-way valve.
  • the first multi-way valve which is arranged downstream of the interior condenser in terms of flow and is designed as a 3/2-way valve, enables switching between a cooling mode and a heating mode, in each case based on the battery circuit.
  • cooling mode the condenser is the heat sink and transfers heat to a free environment
  • heating mode the chiller can transfer heat to the battery circuit.
  • heating mode the transfer of heat to the battery can be suppressed, if desired, by switching off the coolant pump in the battery circuit, thus stopping the flow of coolant through the chiller.
  • the refrigerant flows via the first and second check valves either by bypassing the respective expansion valve on the condenser or on the chiller into the high-pressure area of the refrigerant circuit and is then available for expansion at the other expansion valves.
  • the second multi-way valve designed as a 3/2-way valve ensures that the expanded refrigerant is returned from the chiller in cooling mode or from the condenser in heating mode.
  • the first multi-way valve is designed as a 4/3-way valve and the second multi-way valve is designed as a 3/3-way valve, with a fourth connection of the first multi-way valve on the one hand is connected to the second connection of the first throttle and on the other hand to the first connection of the second and the third throttle.
  • the aforementioned first and second non-return valves are unnecessary if the expansion valves used are freely controllable and can be opened to a cross-section which is sufficient for refrigerant to flow through into the high-pressure region of the refrigerant circuit.
  • Another advantage is an additional connection to the high-pressure area.
  • the first multi-way valve is designed here as a 4/3-way valve.
  • the additional connection to the high-pressure area enables a further heating mode, in which simultaneous or separate use of the expansion valves of condenser and chiller is possible.
  • the second multi-way valve designed as a 3/3-way valve, has a third state here, which allows the coolant to flow back out of the condenser and chiller at the same time.
  • a reservoir for the refrigerant is typically required in a refrigerant circuit.
  • This can be arranged in the high-pressure area as a so-called receiver/dryer in terms of flow after the heat exchanger in which the condensation takes place, or in the low-pressure area as a so-called accumulator in terms of flow directly in front of the compressor.
  • the accumulator has advantages in heating mode while the receiver/dryer has advantages in cooling mode.
  • an expedient development of the thermal management system provides that in the refrigerant circuit between the compressor on the one hand and the interior evaporator and the second multi-way valve on the other hand, an accumulator for Refrigerant is interposed fluidically, wherein the accumulator is connected to a first connection to the second connection of the compressor and to a second connection to the one with the second connection of the interior evaporator and on the other hand with a third connection of the second multi-way valve.
  • thermal management system provides that in the refrigerant circuit between the fourth connection of the first multi-way valve on the one hand and the first, second and third throttle on the other hand a reservoir for the refrigerant is fluidically interposed, with a first connection of the reservoir on the one hand with the fourth connection of the first multi-way valve and on the other hand with a first connection of a third check valve and a fourth check valve on the opening direction side, and on the other hand a second connection of the reservoir with the second connection of the first throttle and in each case with the first connection of the second and third throttle is connected, and on the one hand a blocking direction side second connection of the third check valve with the second connection of the capacitor and the first connection of the first throttle and a On the other hand, a second connection of the fourth check valve on the blocking direction side is connected to the second connection of the chiller and the second throttle.
  • the first multi-way valve which is arranged after the interior condenser and is designed as a 4/3-way valve, makes it possible to switch between a cooling mode or a first heating mode, in each case based on the battery circuit.
  • the condenser In the cooling mode, the condenser is the heat sink and transfers heat to the environment, while in the first heating mode the chiller can transfer heat, for example obtained via the condenser as an ambient heat pump, to the battery circuit.
  • the refrigerant flows via one of the two non-return valves either by bypassing the respective expansion valve on the condenser or on the chiller into the high-pressure area of the refrigerant circuit and is then available for expansion at the other expansion valves.
  • both the reservoir designed as an accumulator and the reservoir designed as a storage container, namely receiver/dryer, have the restriction that these components only have one direction of flow. For this reason, the latter Embodiment is an advantageous development, since a single flow direction can be guaranteed by the two check valves. Accordingly, a receiver/dryer can be provided alone or in addition to the accumulator and can contribute to an improvement in efficiency in the cooling mode.
  • the refrigerant flows directly after the 4/3-way valve into the high-pressure area. This allows the expansion valves of the condenser and chiller to be used at the same time. This corresponds to a combined heat pump, which can simultaneously use the ambient heat via the condenser and the waste heat from the drive circuit using the battery circuit, namely the chiller. According to the present development, the refrigerant is returned to the compressor via a 3/3-way valve.
  • the present development of the thermal management system according to the invention has a reservoir for the refrigerant in the high-pressure area, which is also known as a receiver/dryer (R/D for short) and offers efficiency advantages over refrigerant circuits, i.e. heat pumps, with an accumulator.
  • a receiver/dryer R/D for short
  • a particularly advantageous development of the thermal management system according to one of Claims 3 to 7 provides that the first and the second multi-way valve are combined structurally and in terms of circuitry to form a single combination valve in such a way that the combination valve can be functionally identical as a single multi-way valve using a single controller of the thermal management system from each other structurally and circuitry separate first and second multi-way valves is controllable.
  • the fluidic connections between the two structurally separate multi-way valves required in the aforementioned developments are realized here internally in the combination valve, namely in the combination valve according to the invention.
  • This integrated variant thus enables further cost savings by reducing the separate refrigerant lines and control units while retaining the same functionality.
  • the refrigerant circuit comprises a heat exchanger for heat transfer between a refrigerant return from the storage tank to the combination valve and a refrigerant return from the combination valve to the compressor, preferably that the heat exchanger is formed as an integral part of a housing of the combination valve.
  • the heat exchanger can be designed, for example, as a coaxial line.
  • the high-pressure area and the low-pressure area are also in thermally conductive contact in the housing of the combination valve. As a result, refrigerant lines and energy can be saved again.
  • thermo management system according to the invention according to one of claims 8 to 10, referred back to claim 7, provides that the third and / or fourth check valve are / is arranged on a housing of the combination valve, preferably that the third and / or fourth Check valve are each formed as an integral part of the housing of the combination valve / is.
  • the degree of integration is further increased in the thermal management system according to the invention.
  • an advantageous development of the thermal management system according to one of claims 8 to 11 provides that the condenser and/or the chiller are/is arranged on a housing of the combination valve. This means that additional refrigerant lines can be saved.
  • the combination valve according to the invention for a thermal management system can be freely selected within wide, suitable limits in terms of type, function, material and dimensioning.
  • the combination valve according to the invention can be realized in a manner that is very advantageous in terms of design and production technology. This applies in particular to the preferred and in particular to the particularly preferred embodiment of this development.
  • a further advantageous development of the combination valve according to the invention for a thermal management system provides that the first and second check valve and/or the third and fourth check valve and/or the first expansion valve and/or the second Expansion valve and / or the third expansion valve are arranged / is. In this way, the space-saving and thus compact design of the combination valve according to the invention is further improved.
  • the combination valve according to the invention for a thermal management system provides that in a common housing for the first and the second multi-way valve there are connecting channels for the flow-conducting connection of the first multi-way valve with the second multi-way valve, preferably for the flow-conducting connection of the first multi-way valve with the check valves and/or of the second multi-way valve with the at least one expansion valve and/or for the flow-conducting connection of the check valves with the at least one expansion valve, particularly preferably for the flow-conducting connection of the first level with the second level.
  • the design and manufacture of the combination valve according to the invention is further simplified and the combination valve can be implemented very compactly and thus in a space-saving manner.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 2a shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a partial view with the refrigerant circuit in a first variant, in cooling mode,
  • FIG. 2b shows the exemplary embodiment according to FIG. 2a, in heating mode
  • Figure 3a shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 2a, in partial
  • FIG. 3b shows the exemplary embodiment according to FIG. 3a, in a first heating mode
  • FIG. 3c shows the exemplary embodiment according to FIG. 3a, in a second heating mode
  • Figure 4a shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 2a, in partial
  • FIG. 4b shows the exemplary embodiment according to FIG. 4a, in a first heating mode
  • FIG. 4c shows the exemplary embodiment according to FIG. 4a, in a second heating mode
  • Figure 5 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 2a, in partial
  • FIG. 6 shows the exemplary embodiment in a representation analogous to FIG. 2a, in a partial view with the refrigerant circuit in a fifth variant
  • FIG. 7 shows the exemplary embodiment in a representation analogous to FIG. 2a, in a partial view with the refrigerant circuit in a sixth variant and,
  • FIG. 8a shows a combination valve according to the invention of the exemplary embodiment for the thermal management system according to the third variant of the refrigerant circuit, with the combination valve corresponding to the cooling mode according to FIG. 4a,
  • FIG. 8b shows the combination valve analogous to FIG. 8a, with the combination valve corresponding to the first heating mode according to FIG. 4b
  • FIG. 8c shows the combination valve analogous to FIG. 8a, with the combination valve corresponding to the second heating mode according to FIG. 4c.
  • 1 to 8c show an exemplary embodiment of the thermal management system according to the invention for an electric vehicle and an exemplary embodiment of the combination valve according to the invention for this thermal management system, purely as an example.
  • the thermal management system for an electric vehicle not shown in detail for example a passenger car with a purely electric drive, here comprises a battery circuit 2 with a first coolant pump 4 for a coolant not shown, a battery 6 and a chiller 8, a drive circuit 10 with a second coolant pump 12 for the coolant, an electric motor 14, power electronics 16 for controlling the electric motor 14 and a heat sink 18 designed as a radiator for dissipating heat to the outside environment and a refrigerant circuit 20 for a refrigerant (not shown) for temperature control of an interior of the electric vehicle (also not shown) with a compressor 22 , each for heat exchange with the interior an interior condenser 24 and an interior evaporator 26, a condenser 28, a first, second and third throttle 30, 32, 34 and the chiller 8 for heat exchange with the battery circuit 2.
  • the battery circuit 2 and the drive circuit 10 are connected by means of a multi-way valve 36 coolant-conductive connectable. See FIG. 1.
  • the throttles 30, 32, 34 are each designed as an expansion valve, namely as a freely controllable expansion valve.
  • the refrigerant circuit 20, ie the heat pump of the thermal management system preferably uses the ambient heat via the condenser 28.
  • the condenser 28 can be implemented as an air-refrigerant heat exchanger or as a coolant-refrigerant heat exchanger. In the following, reference is made exclusively to the first embodiment of the capacitor 28, but an implementation according to the second embodiment of the capacitor is also conceivable.
  • the present thermal management system is designed such that the chiller 8, based on the battery circuit 2, can be operated both in a cooling mode for cooling the battery 6 and in a heating mode for heating the battery 6.
  • the refrigerant circuit has the following flow-conducting structure: a first connection of the compressor 22 is connected to a first connection of the interior condenser 24, a second connection of the interior condenser 24 is connected to a first connection of a first multi-way valve 38, which The first multi-way valve 38 has a second port connected to a first port of the condenser 28 and a first port of a second multi-way valve 40, and a third port connected to a second port of the second multi-way valve 40 and a first port of the chiller 8, which is the condenser 28 a second port connected to a first port of the first choke 30, the first choke 30 has a second port connected to a first port of a second choke 32 and a first port of a third choke 34, a second port of the second choke 32 is connected to one second connection of the chiller 8 and a second connection of the third throttle 34 is connected to a first connection of the interior evaporator 26 connected, a second port of the interior
  • the first multi-way valve 38 and the second multi-way valve 40 are each designed as a 3/2-way valve, and the refrigerant circuit 20 has a first and a second check valve 42, 44, whereby on the one hand a first connection of the first check valve 42 on the blocking direction side is connected to the second connection of the condenser 28 and the first connection of the first throttle 30 and on the other hand a second connection of the first check valve 42 on the opening direction side is connected to the second connection of the first throttle 30 and in each case to the first connection of the second and third throttle 32, 34, and on the one hand a first connection of the second check valve 44 on the blocking direction side is connected to the respective second connection of the chiller 8 and the second throttle 32, and on the other hand a second connection of the second check valve on the opening direction side 44 is connected on the one hand to the second connection of the first throttle 30 and the first check valve 42 and on the other hand to the first connection of the second
  • an accumulator 46 for the refrigerant is fluidically interposed between the compressor 22 on the one hand and the interior evaporator 26 and the second multi-way valve 40 on the other hand in the refrigerant circuit 20, the accumulator 46 having a first connection with the second connection of the compressor 22 and is connected to a second port on the one hand with the second port of the interior evaporator 26 and on the other hand with the third port of the second multi-way valve 40 .
  • the flow through the high-pressure area of the refrigerant circuit 20 is indicated by thick black lines, and the flow through the low-pressure area is indicated by dashed lines shown. This also applies correspondingly to the other variants of the refrigerant circuit 20.
  • the interior condenser 24 is arranged downstream of the compressor 22 in terms of flow and can be used at any time to heat the interior, ie to transfer heat from the refrigerant circuit 20 to the interior of the electric vehicle.
  • interior condenser 24 can be thermally insulated, if necessary, so that the transfer of heat to the interior is prevented in this case.
  • the interior condenser can also be bypassed with another 3/2-way multi-way valve.
  • the first multi-way valve 38 which is arranged after the interior condenser 24 and is designed as a 3/2-way valve, makes it possible to switch between a cooling mode shown in FIG. 2a and a heating mode shown in FIG. 2b, each related to the battery circuit 2.
  • the condenser 28 is the heat sink and transfers heat to a free environment, while in the heating mode the chiller 8 can transfer heat to the battery circuit 2 .
  • the transfer of heat to the battery 6 can, if desired, be suppressed by the coolant pump 4 in the battery circuit 2 being switched off and thus the flow of coolant through the chiller 8 being terminated.
  • the refrigerant flows via the first and second check valves 42, 44 either by bypassing the expansion valve 30, 32 on the condenser 28 or on the chiller 8 into the high-pressure area of the refrigerant circuit 20 and is then available for expansion at the respective other expansion valves 30, 32, 34 .
  • the second multi-way valve 40 designed as a 3/2-way valve ensures that the expanded refrigerant is returned from the chiller 8 in the cooling mode or from the condenser 28 in the heating mode.
  • FIGS. 3a to 3c A second variant of the refrigerant circuit 20 is shown in FIGS. 3a to 3c.
  • the first multi-way valve 38 is designed as a 4/3-way valve and the second multi-way valve 40 as a 3/3-way valve, with a fourth Connection of the first multi-way valve 38 is connected on the one hand to the second connection of the first throttle 30 and on the other hand to the first connection of the second and the third throttle 32, 34 respectively.
  • the aforementioned first and second check valves 42, 44 of the first variant are unnecessary.
  • the expansion valves 30 , 32 , 34 used are freely controllable, as in the present exemplary embodiment, and can be opened to a cross section which is sufficient for refrigerant to flow through into the high-pressure region of the refrigerant circuit 20 .
  • Another advantage is an additional connection to the high-pressure area.
  • the first multi-way valve 38 is designed here as a 4/3-way valve. The additional connection in the high-pressure area enables a further heating mode in which simultaneous or separate use of the expansion valves 30, 32 of the condenser 28 and the chiller 8 is possible. In this regard, see FIG. 3c.
  • the second multi-way valve 40 embodied as a 3/3-way valve has a third state here, which allows the coolant to flow back out of the condenser 28 and the chiller 8 at the same time.
  • FIG. 4a to 4c show a third variant of the refrigerant circuit 20.
  • the refrigerant circuit 20 of this third variant is between the fourth connection of the first multi-way valve 38 on the one hand and the first, second and third throttle 30, 32, 34 on the other hand instead of the above-mentioned accumulator 46, a reservoir 48 for the refrigerant is interposed in terms of flow, with a first connection of the reservoir 48 being connected on the one hand to the fourth connection of the first multi-way valve 38 and on the other hand to a first connection of a third check valve 50 and a fourth check valve 52 on the opening direction side, and on the other hand second port of the reservoir 48 is connected to the second port of the first throttle 30 and to the first port of the second and third throttle 32, 34, and on the one hand a second port of the third check valve 50 on the blocking direction side is connected to the second A Connection of the capacitor 28 and the first connection of the first inductor 30 and on the other hand blocking direction side second connection of the fourth check valve 52 is connected to
  • the first multi-way valve 38 which is arranged after the interior condenser 24 and is designed as a 4/3-way valve, enables switching between a cooling mode shown in FIG. 4a and a first heating mode shown in FIG battery circuit.
  • the condenser 28 is the heat sink and transfers heat to the free environment, while in the first heating mode the chiller 8 can transfer heat, for example obtained via the condenser 28 as an ambient heat pump, to the battery circuit 2 .
  • the refrigerant flows via one of the check valves 50, 52 either by bypassing the respective expansion valve 30, 32 on the condenser 28 or on the chiller 8 into the flat pressure area of the refrigerant circuit 20 and is then available for expansion at the respective other expansion valves 30, 32, 34.
  • the refrigerant flows directly after the first multi-way valve 38, which is designed as a 4/3-way valve, into the flow pressure area.
  • Flier a simultaneous use of the expansion valves 30, 32 of condenser 28 and chiller 8 is possible.
  • This corresponds to a combined heat pump, which can use the ambient heat via the condenser 28 and the waste heat from the drive circuit 10 by means of the battery circuit 2, namely the chiller 8, at the same time.
  • the refrigerant is returned to the compressor 22 via the second multi-way valve 40 designed as a 3/3-way valve.
  • the present variant of the refrigerant circuit 20 has the reservoir 48 for the refrigerant in the flat pressure area, which is also known as a receiver/dryer (R/D for short) and has efficiency advantages compared to the refrigerant circuits 20, i.e. the heat pumps, with an accumulator 46 offers.
  • R/D receiver/dryer
  • a fourth variant of the refrigerant circuit 20 according to Fig. 5 the first and the second multi-way valve 38, 40 of the aforementioned variants with an accumulator 46 combined structurally and in terms of circuitry to form a single combination valve 54 in such a way that combination valve 54 can be controlled by a single control of the thermal management system as a single multi-way valve with the same function as first and second multi-way valves that are separate from one another in terms of structure and circuitry, for example the aforementioned multi-way valves 38, 40.
  • FIG. 6 shows a fifth variant of the refrigerant circuit 20, the reservoir 48 according to the third variant of the refrigerant circuit 20 being designed as an integral part of a housing (not shown) of the combination valve 54.
  • a sixth variant of the refrigerant circuit 20 according to FIG. 7 provides that the refrigerant circuit 20 has a heat exchanger 56 for heat transfer between a refrigerant return from the reservoir 48 according to the third variant of the refrigerant circuit 20 to the combination valve 54 and a refrigerant return from the combination valve 54 the compressor 22, namely such that the heat exchanger 56 is formed as an integral part of a housing, not shown, of the combination valve 54.
  • the heat exchanger 56 is designed here as a coaxial line.
  • the third and/or fourth check valve are/is arranged on a housing of the combination valve, preferably that the third and/or fourth Check valve are each formed as an integral part of the housing of the combination valve / is, and / or that the condenser and / or the chiller are arranged on a housing of the combination valve / is.
  • FIGS. 8a to 8c a combination valve according to the invention is shown as an example in FIGS. 8a to 8c.
  • the combination valve 54 in the present embodiment is shown in each of FIGS. 8a to 8c, a first cross section through the combination valve 54 being shown at the top and a second cross section at the bottom in each case in the respective image plane of FIGS. 8a to 8c.
  • the combination valve 54 according to Fig. 8a to 8c corresponds to the third variant of the refrigerant circuit 20, which is shown in Figs. 4a to 4c, the combination valve 54 according to Fig. 8a to the refrigerant circuit 20 according to Fig. 4a, das Combination valve 54 according to FIG. 8b corresponds to the refrigerant circuit 20 according to FIG.
  • the first and the second multi-way valve are combined structurally and in terms of circuitry to form the single combination valve 54 according to the present embodiment in such a way that the combination valve 54 functions as a single multi-way valve by means of a single controller of the thermal management system 20 structurally and circuitry separate first and second multi-way valves is controllable.
  • the same reference numerals are used for the first and the second multi-way valve 38, 40 according to the present embodiment of the combination valve 54 as in the refrigerant circuit 20 of the thermal management system according to FIGS. 4a to 4c.
  • the first and the second multi-way valve 38, 40 are not only arranged in a common housing 60, but the first multi-way valve 38 is designed as a 4/ 3-way valve and the second multi-way valve 40 designed as a 3/3-way valve, the first and the second multi-way valve 38, 40 being arranged one above the other in the common housing 60, namely such that the first multi-way valve 38 in the Housing 60 is arranged in a first level above the second multi-way valve 40 in a second level.
  • the first level with the first multi-way valve 38 is shown in the image plane of the respective Fig. 8a to 8c above and the second level with the second multi-way valve 40 is shown in the image plane of the respective Fig. 8a to 8c below.
  • the first and/or the second multi-way valve 38, 40 can be a disc valve or a ball valve, for example. Also are for that first and second multi-way valve 38, 40 different valve types conceivable.
  • the third and the fourth check valve 50, 52 as well as the first expansion valve and the second expansion valve 30, 32 are arranged in the housing 60, the third and the fourth check valve 50, 52 on the one hand and the first expansion valve 30 and the second expansion valve 32, on the other hand, are arranged one above the other in the housing 60, namely in such a way that the aforementioned non-return valves 50, 52 in the first level connect to the first multi-way valve 38 and the expansion valves 30, 32 in the second level connect to the second Multi-way valve 40 are arranged.
  • FIGS. 8a to 8c in the common housing 60 for the first and the second multi-way valve 38, 40 there are connecting channels for the flow-conducting connection of the first multi-way valve 38 with the second multi-way valve 40, for the flow-conducting connection of the first multi-way valve 38 with the Check valves 50, 52 and the second multi-way valve 40 with the expansion valves 30, 32 and for fluidly connecting the check valves 50, 52 with the expansion valves 30, 32 are arranged.
  • the connecting channels connecting the first plane to the second plane in a flow-conducting manner are shown in broken lines in FIGS. 8a to 8c.
  • the combination valve 54 constructed in the aforementioned manner is connected in a flow-conducting manner to the other components of the third variant of the refrigerant circuit 20 of the thermal management system.
  • the arrows in the respective image plane of FIGS. 8a to 8c above indicate the flow-conducting connection of the combination valve 54 to the interior condenser 24 and the arrows in the respective image plane of FIGS. 8a to 8c below indicate the flow-conducting connection of the combination valve 54 to the compressor 22 on.
  • the invention is not limited to the present exemplary embodiment or the variants explained. In particular, the invention is not limited to the structural, manufacturing and procedural details of the exemplary embodiment.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug, umfassend einen Batteriekreislauf (2) mit einer ersten Kühlmittelpumpe (4) für ein Kühlmittel, einer Batterie (6) und einem Chiller (8), einen Antriebskreislauf (10) mit einer zweiten Kühlmittelpumpe (12) für das Kühlmittel, einem Elektromotor (14), einer Leistungselektronik (16) zur Ansteuerung des Elektromotors (14) und einer Wärmesenke (18) zur Wärmeabgabe an eine freie Umgebung und einen Kältemittelkreislauf (20) für ein Kältemittel zur Temperierung eines Innenraums des Elektrofahrzeugs mit einem Kompressor (22), jeweils zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum einem Innenraum-Kondensator (24) und einem Innenraum-Verdampfer (26), einem Kondensator (28), mindestens einer Drossel (30, 32, 34) und dem Chiller (8) zum Wärmeaustausch mit dem Batteriekreislauf (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Thermomanagementsystem derart ausgebildet ist, dass der Chiller (8), bezogen auf den Batteriekreislauf (2), sowohl in einem Kühlmodus zur Kühlung der Batterie (6) wie auch in einem Heizmodus zur Beheizung der Batterie (6) betreibbar ist.

Description

Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug und Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und ein Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem.
Derartige Thermomanagementsysteme für Elektrofahrzeuge, mit oder ohne Kombinationsventil, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt und umfassen einen Batteriekreislauf mit einer ersten Kühlmittelpumpe für ein Kühlmittel, einer Batterie und einem Chiller, einen Antriebskreislauf mit einer zweiten Kühlmittelpumpe für das Kühlmittel, einem Elektromotor, einer Leistungselektronik zur Ansteuerung des Elektromotors und einer Wärmesenke zur Wärmeabgabe an eine freie Umgebung und einen Kältemittelkreislauf für ein Kältemittel zur Temperierung eines Innenraums des Elektrofahrzeugs mit einem Kompressor, jeweils zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum einem Innenraum-Kondensator und einem Innenraum-Verdampfer, einem Kondensator, mindestens einer Drossel und dem Chiller zum Wärmeaustausch mit dem Batteriekreislauf.
Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug und ein Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Thermomanagementsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Chiller, bezogen auf den Batteriekreislauf, sowohl in einem Kühlmodus zur Kühlung der Batterie wie auch in einem Heizmodus zur Beheizung der Batterie betreibbar ist. Das mit dem erfindungsgemäßen Thermomanagementsystem ausgestattete Elektrofahrzeug kann dabei als ein reines Elektrofahrzeug oder ein sogenanntes Hybridfahrzeug ausgebildet sein, bei dem neben dem elektrischen Antrieb für das Fahrzeug mit einem Elektromotor auch ein Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Der Kältemittelkreislauf ist technisch identisch zu einer Wärmepumpe. Ferner wird dieses Problem durch ein Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Der mit der Erfindung erreichbare Vorteil besteht insbesondere darin, dass ein Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug und ein Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem verbessert sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Thermomanagementsystems für ein Elektrofahrzeug und des Kombinationsventils für ein Thermomanagementsystems ist es möglich, dass neben dem aus dem Stand der Technik bereits bekannten Umschalten des Kondensators von Kühl- auf Heizbetrieb auch der Chiller, bezogen auf den Batteriekreislauf, erfindungsgemäß sowohl in einem Kühl- wie auch in einem Heizmodus betrieben werden kann. Hierdurch wird ein effizientes Heizen der Batterie mit COP (coefficient of performance = Leistungszahl) » 1 ermöglicht, welches die Gesamteffizienz des damit ausgestatteten Elektrofahrzeugs signifikant verbessert. Das Kombinationsventil ermöglicht dies auf konstruktiv und fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Art und Weise.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Thermomanagementsystem nach Art, Funktionsweise, Material und Dimensionierung in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems sieht vor, dass mindestens eine der mindestens einen Drossel als ein Expansionsventil, bevorzugt als ein frei regelbares Expansionsventil ausgebildet ist, besonders bevorzugt, dass alle Drosseln der mindestens einen Drossel jeweils als ein Expansionsventil ausgebildet sind. Auf diese Weise ist die mindestens eine Drossel sehr vorteilhaft für den Einsatz bei Elektrofahrzeugen ausgebildet. Dies gilt besonders für die bevorzugte und insbesondere für die besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Weiterbildung.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems sieht vor, dass der Kältemittelkreislauf wie folgt strömungsleitend aufgebaut ist: ein erster Anschluss des Kompressors ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Kondensators verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum-Kondensators ist mit einem ersten Anschluss eines ersten Mehrwegeventils verbunden, das erste Mehrwegeventil ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators und mit einem ersten Anschluss eines zweiten Mehrwegeventils sowie mit einem dritten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils und einem ersten Anschluss des Chillers verbunden, der Kondensator ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss einer ersten Drossel verbunden, die erste Drossel ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss einer zweiten Drossel und einem ersten Anschluss einer dritten Drossel verbunden, ein zweiter Anschluss der zweiten Drossel ist mit einem zweiten Anschluss des Chillers und ein zweiter Anschluss der dritten Drossel ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Verdampfers verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum- Verdampfers ist mit einem zweiten Anschluss des Kompressors und mit einem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils verbunden. Hierdurch ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems, konstruktiv, fertigungstechnisch und verfahrenstechnisch besonders einfach realisierbar. Darüber hinaus reduziert die vorliegende Weiterbildung der Erfindung die Anzahl der für die Funktionalität des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems benötigten Ventile im Kältemittelkreislauf auf ein Minimum, sodass eine kostenoptimale Umsetzung ermöglicht ist. Die vorgenannten strömungsleitenden Verbindungen können dabei sowohl unmittelbar, also direkt, wie auch mittelbar, also indirekt unter strömungstechnischer Zwischenschaltung einer zusätzlichen Komponente des Kältemittelkreislaufs, ausgebildet sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems sieht vor, dass das erste Mehrwegeventil und das zweite Mehrwegeventil jeweils als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet sind, und, dass der Kältemittelkreislauf ein erstes und ein zweites Rückschlagventil aufweist, wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des ersten Rückschlagventils mit dem zweiten Anschluss des Kondensators und dem ersten Anschluss der ersten Drossel und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des ersten Rückschlagventils mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des zweiten Rückschlagventils mit jeweils dem zweiten Anschluss des Chillers und der zweiten Drossel verbunden ist, und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des zweiten Rückschlagventils zum einen jeweils mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel und des ersten Rückschlagventils und zum anderen jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel verbunden ist. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Thermomanagementsystem auf besonders einfache Art und Weise realisierbar. In dem so verbesserten Thermomanagementsystem ist der Innenraum- Kondensator nach dem Kompressor angeordnet und kann jederzeit zum Heizen des Innenraums, dass heißt zum Übertragen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf an den Innenraum des Elektrofahrzeugs genutzt werden. Über Schließen von Luftklappen in einem Klimaanlagensystem des Elektrofahrzeugs, dessen Bestandteil der Kältemittelkreislauf ist, kann der Innenraum-Kondensator gegebenenfalls thermisch isoliert werden, so dass die Übertragung von Wärme an den Innenraum in diesem Fall unterbunden wird. Alternativ kann der Innenraum-Kondensator auch durch ein weiteres 3/2-Wege-Mehrwegeventil umgangen werden.
Das strömungstechnisch nach dem Innenraum-Kondensator angeordnete und als 3/2- Wege-Ventil ausgebildete erste Mehrwegeventil ermöglicht das Umschalten zwischen einem Kühlmodus und einem Heizmodus, jeweils bezogen auf den Batteriekreislauf. Im Kühlmodus ist der Kondensator die Wärmesenke und überträgt Wärme an eine freie Umgebung, während in dem Heizmodus der Chiller Wärme an den Batteriekreislauf übertragen kann. Im Heizmodus kann die Übertragung von Wärme an die Batterie, sofern gewünscht, unterbunden werden, indem die Kühlmittelpumpe im Batteriekreislauf ausgeschaltet und damit die Durchströmung des Chillers mit Kühlmittel beendet wird. Über die ersten und zweiten Rückschlagventile strömt das Kältemittel entweder durch Umgehung des jeweiligen Expansionsventils am Kondensator oder am Chiller in den Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs und steht anschließend zur Expansion an den jeweils anderen Expansionsventilen zur Verfügung. Das als 3/2-Wege-Ventil ausgebildete zweite Mehrwegeventil sorgt für die Rückleitung des expandierten Kältemittels aus dem Chiller im Kühlmodus oder aus dem Kondensator im Heizmodus. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach Anspruch 3 sieht vor, dass das erste Mehrwegeventil als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet sind, wobei ein vierter Anschluss des ersten Mehrwegeventils einerseits mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel und andererseits jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel verbunden ist. Die vorgenannten ersten und zweiten Rückschlagventile sind entbehrlich, sofern die verwendeten Expansionsventile frei regelbar sind und auf einen Querschnitt geöffnet werden können, welcher ausreichend für die Durchströmung mit Kältemittel in den Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs ist. Dies gilt auch für andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems. Der weitere Vorteil liegt in einer zusätzlichen Verbindung in den Hochdruckbereich. Hierzu ist das erste Mehrwegeventil hier als ein 4/3-Wege-Ventil ausgebildet. Die zusätzliche Verbindung in den Hochdruckbereich ermöglicht einen weiteren Heizmodus, in welchem eine zeitgleiche oder getrennte Verwendung der Expansionsventile von Kondensator und Chiller möglich ist. Dies entspricht einer kombinierten Wärmepumpe, welche zeitgleich Umgebungswärme über den Kondensator wie auch die Abwärme aus dem Antriebskreislauf mittels des Batteriekreislaufs, nämlich den Chiller, nutzen kann. Das als 3/3-Wege-Ventil ausgebildete zweite Mehrwegeventil verfügt hier über einen dritten Zustand, welcher ein zeitgleiches Zurückströmen des Kältemittels aus Kondensator und Chiller erlaubt.
In einem Kältemittelkreislauf wird typischerweise ein Reservoir für das Kältemittel benötigt. Dieses kann im Hochdruckbereich als ein sogenannter Receiver/Dryer strömungstechnisch nach dem Wärmetauscher, in welchem die Kondensation stattfindet, oder im Niedrigdruckbereich als ein sogenannter Akkumulator strömungstechnisch unmittelbar vor dem Kompressor angeordnet werden. Der Akkumulator hat Vorteile im Heizmodus, während der Receiver/Dryer Vorteile im Kühlmodus hat.
Entsprechend sieht eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach einem der Ansprüche 3 bis 5 vor, dass in dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Kompressor einerseits und dem Innenraum- Verdampfer und dem zweiten Mehrwegeventil andererseits ein Akkumulator für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet ist, wobei der Akkumulator mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss des Kompressors und mit einem zweiten Anschluss zum einen mit dem zweiten Anschluss des Innenraum-Verdampfers und zum anderen mit einem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils verbunden ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems gemäß Anspruch 5 oder 6 sieht vor, dass in dem Kältemittelkreislauf zwischen dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils einerseits und der ersten, zweiten und dritten Drossel andererseits ein Vorratsbehälter für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet ist, wobei einerseits ein erster Anschluss des Vorratsbehälters zum einen mit dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils und zum anderen jeweils mit einem öffnungsrichtungsseitigen ersten Anschluss eines dritten Rückschlagventils und eines vierten Rückschlagventils, und andererseits ein zweiter Anschluss des Vorratsbehälters mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des dritten Rückschlagventils mit dem zweiten Anschluss des Kondensators und dem ersten Anschluss der ersten Drossel und andererseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des vierten Rückschlagventils jeweils mit dem zweiten Anschluss des Chillers und der zweiten Drossel verbunden ist. Das nach dem Innenraum-Kondensator angeordnete und als ein 4/3-Wege-Ventil ausgebildete erste Mehrwegeventil ermöglicht das Umschalten zwischen einem Kühlmodus oder einem ersten Heizmodus, jeweils bezogen auf den Batteriekreislauf. In dem Kühlmodus ist der Kondensator die Wärmesenke und überträgt Wärme an die Umgebung, während in dem ersten Heizmodus der Chiller Wärme, beispielsweise gewonnen über den Kondensator als Umgebungswärmepumpe, an den Batteriekreislauf übertragen kann. Über eines der beiden Rückschlagventile strömt das Kältemittel entweder durch Umgehung des jeweiligen Expansionsventils am Kondensator oder am Chiller in den Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs und steht anschließend zur Expansion an den jeweils anderen Expansionsventilen zur Verfügung.
Es gibt sowohl bei dem als Akkumulator wie auch bei dem als Vorratsbehälter, nämlich Receiver/Dryer, ausgebildeten Reservoir die Einschränkung, dass diese Komponenten nur eine Durchflussrichtung besitzen. Aus diesem Grund stellt die letztgenannte Ausführungsform eine vorteilhafte Weiterbildung dar, da durch die zwei Rückschlagventile eine einzige Durchströmungsrichtung gewährleistet werden kann. Dementsprechend kann ein Receiver/Dryer allein oder zusätzlich zu dem Akkumulator vorgesehen werden und zu einer Verbesserung der Effizienz im Kühlmodus beitragen.
In einem zweiten Heizmodus, ebenfalls bezogen auf den Batteriekreislauf, strömt das Kältemittel direkt nach dem 4/3-Wege-Ventil in den Hochdruckbereich. Hierdurch ist eine zeitgleiche Verwendung der Expansionsventile von Kondensator und Chiller möglich. Dies entspricht einer kombinierten Wärmepumpe, welche zeitgleich die Umgebungswärme über den Kondensator wie auch die Abwärme des Antriebskreislaufs mittels des Batteriekreislaufs, nämlich den Chiller, nutzen kann. Die Rückführung des Kältemittels zu dem Kompressor wird gemäß der vorliegenden Weiterbildung über ein 3/3-Wege-Ventil realisiert. Die hier vorliegende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems weist gegenüber den vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung einen Vorratsbehälter für das Kältemittel in dem Hochdruckbereich auf, welcher auch als Receiver/Dryer (kurz R/D) bekannt ist und Effizienzvorteile gegenüber Kältemittelkreisläufen, also Wärmepumpen, mit Akkumulator bietet.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach einem der Ansprüche 3 bis 7 sieht vor, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil baulich und schaltungstechnisch derart zu einem einzigen Kombinationsventil zusammengefasst sind, dass das Kombinationsventil mittels einer einzigen Steuerung des Thermomanagementsystems als ein einziges Mehrwegeventil funktionsgleich zu voneinander baulich und schaltungstechnisch getrennten ersten und zweiten Mehrwegeventilen ansteuerbar ist. Hierdurch sind die bei den vorgenannten Weiterbildungen benötigten strömungstechnischen Verbindungen zwischen den beiden baulich getrennten Mehrwegeventilen hier intern in dem Kombinationsventil, nämlich in dem erfindungsgemäßen Kombinationsventil, realisiert. Somit ermöglicht diese integrierte Variante eine weitere Kosteneinsparung durch eine Reduzierung der separaten Kältemittelleitungen sowie der Ansteuereinheiten bei Beibehaltung derselben Funktionalität.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems, rückbezogen auf Patentanspruch 7, sieht vor, dass der Vorratsbehälter an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet ist, bevorzugt, dass der Vorratsbehälter als ein integraler Bestandteil des Gehäuses des Kombinationsventils ausgebildet ist. Auf diese Weise ist die Konstruktion und Fertigung des Kältemittelkreislaufs des Thermomanagementsystems weiter vereinfacht. Darüber hinaus können bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Weiterbildung entsprechende Leitungen zwischen beiden Komponenten entfallen. Demnach ermöglicht diese integrierte Variante eine zusätzliche Kosteneinsparung durch eine zusätzliche Reduzierung der Kältemittelleitungen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach Anspruch 8 oder 9, rückbezogen auf Anspruch 7, sieht vor, dass der Kältemittelkreislauf einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittelrücklauf von dem Vorratsbehälter zu dem Kombinationsventil und einem Kältemittelrücklauf von dem Kombinationsventil zu dem Kompressor umfasst, bevorzugt, dass der Wärmetauscher als ein integraler Bestandteil eines Gehäuses des Kombinationsventils ausgebildet ist. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Niedrigdruckbereich übertragen werden, so dass die Effizienz des Thermomanagementsystems, nämlich des Kältemittelkreislaufs, weiter verbessert ist. Der vorgenannte Wärmetauscher kann beispielsweise als eine koaxiale Leitung ausgebildet sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Weiterbildung befinden sich der Hochdruckbereich und der Niedrigdruckbereich darüber hinaus in dem Gehäuse des Kombinationsventils in thermisch leitfähigem Kontakt. Hierdurch können erneut Kältemittelleitungen und Energie eingespart werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach einem der Ansprüche 8 bis 10, rückbezogen auf Anspruch 7, sieht vor, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil jeweils an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet sind/ist, bevorzugt, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil jeweils als ein integraler Bestandteil des Gehäuses des Kombinationsventils ausgebildet sind/ist. Auf diese Weise ist der Integrationsgrad bei dem erfindungsgemäßen Thermomanagementsystem weiter gesteigert. Dies gilt insbesondere für die bevorzugte Ausführungsform dieser Weiterbildung. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems nach einem der Ansprüche 8 bis 11 vor, dass der Kondensator und/oder der Chiller an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet sind/ist. Somit ist die Einsparung von weiteren Kältemittelleitungen möglich.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Kombinationsventil für ein Thermomanagementsystem nach Art, Funktionsweise, Material und Dimensionierung in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils für ein Thermomanagementsystem sieht vor, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, bevorzugt, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil in dem gemeinsamen Gehäuse übereinander angeordnet sind, besonders bevorzugt, dass das erste Mehrwegeventil als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Kombinationsventil auf konstruktiv und fertigungstechnisch sehr vorteilhafte Art und Weise realisierbar. Dies gilt besonders für die bevorzugte und insbesondere für die besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Weiterbildung.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils für ein Thermomanagementsystem sieht vor, dass in einem gemeinsamen Gehäuse für das erste und das zweite Mehrwegeventil zusätzlich das erste und zweite Rückschlagventil und/oder das dritte und vierte Rückschlagventil und/oder das erste Expansionsventil und/oder das zweite Expansionsventil und/oder das dritte Expansionsventil angeordnet sind/ist. Auf diese Weise ist die platzsparende und damit kompakte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils weiter verbessert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kombinationsventils für ein Thermomanagementsystem sieht vor, dass das erste und zweite Rückschlagventil und/oder das dritte und vierte Rückschlagventil einerseits und das erste Expansionsventil und/oder das zweite Expansionsventil und/oder das dritte Expansionsventil andererseits in dem Gehäuse übereinander angeordnet sind, bevorzugt, dass die vorgenannten Rückschlagventile in einer Ebene mit dem ersten Mehrwegeventil und das mindestens eine Expansionsventil in einer Ebene mit dem zweiten Mehrwegeventil angeordnet sind. Hierdurch ist die konstruktive und fertigungstechnische Umsetzung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils zusätzlich verbessert.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils für ein Thermomanagementsystem sieht vor, dass in einem gemeinsamen Gehäuse für das erste und das zweite Mehrwegeventil Verbindungskanäle zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils mit dem zweiten Mehrwegeventil, bevorzugt zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils mit den Rückschlagventilen und/oder des zweiten Mehrwegeventils mit dem mindestens einen Expansionsventil und/oder zur strömungsleitenden Verbindung der Rückschlagventile mit dem mindestens einen Expansionsventil, besonders bevorzugt zur strömungsleitenden Verbindung der ersten Ebene mit der zweiten Ebene, angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Konstruktion und die Fertigung des erfindungsgemäßen Kombinationsventils weiter vereinfacht und das Kombinationsventil insgesamt sehr kompakt und damit platzsparend realisierbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Thermomanagementsystems in einem verfahrenstechnischen Schaltbild, Figur 2a das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 1 , in teilweiser Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer ersten Variante, im Kühlmodus,
Figur 2b das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a, im Heizmodus,
Figur 3a das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 2a, in teilweiser
Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer zweiten Variante, im Kühlmodus,
Figur 3b das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a, in einem ersten Heizmodus,
Figur 3c das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a, in einem zweiten Heizmodus,
Figur 4a das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 2a, in teilweiser
Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer dritten Variante, im Kühlmodus, Figur 4b das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a, in einem ersten Fleizmodus,
Figur 4c das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a, in einem zweiten Fleizmodus,
Figur 5 das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 2a, in teilweiser
Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer vierten Variante,
Figur 6 das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 2a, in teilweiser Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer fünften Variante,
Figur 7 das Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung zur Fig. 2a, in teilweiser Ansicht mit dem Kältemittelkreislauf in einer sechsten Variante und,
Figur 8a ein erfindungsgemäßes Kombinationsventil des Ausführungsbeispiels für das Thermomanagementsystem gemäß der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs, mit dem Kombinationsventil korrespondierend zu dem Kühlmodus gemäß der Fig. 4a,
Figur 8b das Kombinationsventil analog zu der Fig. 8a, mit dem Kombinationsventil korrespondierend zu dem ersten Fleizmodus gemäß der Fig. 4b und Figur 8c das Kombinationsventil analog zu der Fig. 8a, mit dem Kombinationsventil korrespondierend zu dem zweiten Fleizmodus gemäß der Fig. 4c.
In den Fig. 1 bis 8c sind ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems für ein Elektrofahrzeug und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kombinationsventils für dieses Thermomanagementsystem rein exemplarisch dargestellt.
Das Thermomanagementsystem für ein nicht näher dargestelltes Elektrofahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen mit einem reinen Elektroantrieb, umfasst hier einen Batteriekreislauf 2 mit einer ersten Kühlmittelpumpe 4 für ein nicht dargestelltes Kühlmittel, einer Batterie 6 und einem Chiller 8, einen Antriebskreislauf 10 mit einer zweiten Kühlmittelpumpe 12 für das Kühlmittel, einem Elektromotor 14, einer Leistungselektronik 16 zur Ansteuerung des Elektromotors 14 und einer als Radiator ausgebildeten Wärmesenke 18 zur Wärmeabgabe an eine freie Umgebung und einen Kältemittelkreislauf 20 für ein nicht dargestelltes Kältemittel zur Temperierung eines ebenfalls nicht dargestellten Innenraums des Elektrofahrzeugs mit einem Kompressor 22, jeweils zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum einem Innenraum-Kondensator 24 und einem Innenraum-Verdampfer 26, einem Kondensator 28, einer ersten, zweiten und dritten Drossel 30, 32, 34 und dem Chiller 8 zum Wärmeaustausch mit dem Batteriekreislauf 2. Der Batteriekreislauf 2 und der Antriebskreislauf 10 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Mehrwegeventils 36 kühlmittelleitend verbindbar. Siehe hierzu die Fig. 1. Die Drosseln 30, 32, 34 sind jeweils als ein Expansionsventil, nämlich als ein frei regelbares Expansionsventil, ausgebildet. In bevorzugter Weise nutzt der Kältemittelkreislauf 20, also die Wärmepumpe des Thermomanagementsystems, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Umgebungswärme über den Kondensator 28. Der Kondensator 28 kann dabei als ein Luft-Kältemittel-Wärmetauscher oder als ein Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher realisiert sein. Im Folgenden wird ausschließlich auf die erste Ausführung des Kondensators 28 Bezug genommen, denkbar ist aber auch eine Umsetzung gemäß der zweiten Ausführung des Kondensators.
Erfindungsgemäß ist das vorliegende Thermomanagementsystem derart ausgebildet, dass der Chiller 8, bezogen auf den Batteriekreislauf 2, sowohl in einem Kühlmodus zur Kühlung der Batterie 6 wie auch in einem Fleizmodus zur Beheizung der Batterie 6 betreibbar ist.
Der Kältemittelkreislauf ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wie folgt strömungsleitend aufgebaut: ein erster Anschluss des Kompressors 22 ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Kondensators 24 verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum-Kondensators 24 ist mit einem ersten Anschluss eines ersten Mehrwegeventils 38 verbunden, das erste Mehrwegeventil 38 ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators 28 und mit einem ersten Anschluss eines zweiten Mehrwegeventils 40 sowie mit einem dritten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils 40 und einem ersten Anschluss des Chillers 8 verbunden, der Kondensator 28 ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss der ersten Drossel 30 verbunden, die erste Drossel 30 ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss einer zweiten Drossel 32 und einem ersten Anschluss einer dritten Drossel 34 verbunden, ein zweiter Anschluss der zweiten Drossel 32 ist mit einem zweiten Anschluss des Chillers 8 und ein zweiter Anschluss der dritten Drossel 34 ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Verdampfers 26 verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum-Verdampfers 26 ist mit einem zweiten Anschluss des Kompressors 22 und mit einem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils 40 verbunden.
Ausgehend von dem vorgenannten grundsätzlichen strömungstechnischen Aufbau des Kältemittelkreislaufs 20 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend diverse Varianten dieses Kältemittelkreislaufs 20 beispielhaft erläutert.
In der in den Fig. 2a und 2b dargestellten ersten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 sind das erste Mehrwegeventil 38 und das zweite Mehrwegeventil 40 jeweils als ein 3/2- Wege-Ventil ausgebildet, und der Kältemittelkreislauf 20 weist ein erstes und ein zweites Rückschlagventil 42, 44 auf, wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des ersten Rückschlagventils 42 mit dem zweiten Anschluss des Kondensators 28 und dem ersten Anschluss der ersten Drossel 30 und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des ersten Rückschlagventils 42 mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel 30 und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel 32, 34 verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des zweiten Rückschlagventils 44 mit jeweils dem zweiten Anschluss des Chillers 8 und der zweiten Drossel 32 verbunden ist, und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des zweiten Rückschlagventils 44 zum einen jeweils mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel 30 und des ersten Rückschlagventils 42 und zum anderen jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel 32, 34 verbunden ist. In dem Kältemittelkreislauf 20 ist bei der vorliegenden Variante zwischen dem Kompressor 22 einerseits und dem Innenraum-Verdampfer 26 und dem zweiten Mehrwegeventil 40 andererseits ein Akkumulator 46 für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet, wobei der Akkumulator 46 mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss des Kompressors 22 und mit einem zweiten Anschluss zum einen mit dem zweiten Anschluss des Innenraum-Verdampfers 26 und zum anderen mit dem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils 40 verbunden ist. Die Durchströmung des Hochdruckbereichs des Kältemittelkreislaufs 20 kennzeichnen dicke schwarze Linien, die Durchströmung des Niedrigdruckbereichs wird durch gestrichelte Linien dargestellt. Dies gilt entsprechend auch für die weiteren Varianten des Kältemittelkreislaufs 20.
In dem so ausgebildeten Thermomanagementsystem ist der Innenraum-Kondensator 24 strömungstechnisch nach dem Kompressor 22 angeordnet und kann jederzeit zum Heizen des Innenraums, das heißt zum Übertragen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 20 an den Innenraum des Elektrofahrzeugs, genutzt werden. Über Schließen von nicht dargestellten Luftklappen in einem nicht näher dargestellten Klimaanlagensystem des Elektrofahrzeugs, dessen Bestandteil der Kältemittelkreislauf 20 ist, kann der Innenraum-Kondensator 24 gegebenenfalls thermisch isoliert werden, so dass die Übertragung von Wärme an den Innenraum in diesem Fall unterbunden wird. Alternativ kann der Innenraum-Kondensator auch durch ein weiteres 3/2-Wege- Mehrwegeventil umgangen werden.
Das nach dem Innenraum-Kondensator 24 angeordnete und als 3/2-Wege-Ventil ausgebildete erste Mehrwegeventil 38 ermöglicht das Umschalten zwischen einem in der Fig. 2a dargestellten Kühlmodus und einem in der Fig. 2b dargestellten Heizmodus, jeweils bezogen auf den Batteriekreislauf 2. Im Kühlmodus ist der Kondensator 28 die Wärmesenke und überträgt Wärme an eine freie Umgebung, während in dem Heizmodus der Chiller 8 Wärme an den Batteriekreislauf 2 übertragen kann. Im Heizmodus kann die Übertragung von Wärme an die Batterie 6, sofern gewünscht, unterbunden werden, indem die Kühlmittelpumpe 4 im Batteriekreislauf 2 ausgeschaltet und damit die Durchströmung des Chillers 8 mit Kühlmittel beendet wird. Über die ersten und zweiten Rückschlagventile 42, 44 strömt das Kältemittel entweder durch Umgehung des Expansionsventils 30, 32 am Kondensator 28 oder am Chiller 8 in den Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 20 und steht anschließend zur Expansion an den jeweils anderen Expansionsventilen 30, 32, 34 zur Verfügung. Das als 3/2-Wege- Ventil ausgebildete zweite Mehrwegeventil 40 sorgt für die Rückleitung des expandierten Kältemittels aus dem Chiller 8 im Kühlmodus oder aus dem Kondensator 28 im Heizmodus.
In den Fig. 3a bis 3c ist eine zweite Variante des Kältemittelkreislaufs 20 dargestellt. Bei dieser zweiten Variante ist das erste Mehrwegeventil 38 als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil 40 als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet, wobei ein vierter Anschluss des ersten Mehrwegeventils 38 einerseits mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel 30 und andererseits jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel 32, 34 verbunden ist.
Hierdurch sind die vorgenannten ersten und zweiten Rückschlagventile 42, 44 der ersten Variante entbehrlich. Dies ist möglich, sofern die verwendeten Expansionsventile 30, 32, 34, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, frei regelbar sind und auf einen Querschnitt geöffnet werden können, welcher ausreichend für die Durchströmung mit Kältemittel in den Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 20 ist. Der weitere Vorteil liegt in einer zusätzlichen Verbindung in den Hochdruckbereich. Hierzu ist das erste Mehrwegeventil 38 hier als ein 4/3-Wege-Ventil ausgebildet. Die zusätzliche Verbindung in den Hochdruckbereich ermöglicht einen weiteren Heizmodus, in welchem eine zeitgleiche oder getrennte Verwendung der Expansionsventile 30, 32 von Kondensator 28 und Chiller 8 möglich ist. Siehe hierzu die Fig. 3c. Dies entspricht einer kombinierten Wärmepumpe, welche zeitgleich Umgebungswärme über den Kondensator 28 wie auch die Abwärme aus dem Antriebskreislauf 10 mittels des Batteriekreislaufs 2, nämlich den Chiller 8, nutzen kann. Das als 3/3-Wege-Ventil ausgebildete zweite Mehrwegeventil 40 verfügt hier über einen dritten Zustand, welcher ein zeitgleiches Zurückströmen des Kältemittels aus Kondensator 28 und Chiller 8 erlaubt.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen eine dritte Variante des Kältemittelkreislaufs 20. In dem Kältemittelkreislauf 20 dieser dritten Variante ist zwischen dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils 38 einerseits und der ersten, zweiten und dritten Drossel 30, 32, 34 andererseits anstelle des oben genannten Akkumulators 46 ein Vorratsbehälter 48 für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet, wobei einerseits ein erster Anschluss des Vorratsbehälters 48 zum einen mit dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils 38 und zum anderen jeweils mit einem öffnungsrichtungsseitigen ersten Anschluss eines dritten Rückschlagventils 50 und eines vierten Rückschlagventils 52, und andererseits ein zweiter Anschluss des Vorratsbehälters 48 mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel 30 und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel 32, 34 verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des dritten Rückschlagventils 50 mit dem zweiten Anschluss des Kondensators 28 und dem ersten Anschluss der ersten Drossel 30 und andererseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des vierten Rückschlagventils 52 jeweils mit dem zweiten Anschluss des Chillers 8 und der zweiten Drossel 34 verbunden ist. Die Rückschlagventile 50, 52 dieser Variante werden lediglich zur Abgrenzung zu den ersten und zweiten Rückschlagventilen 42, 44 der ersten Variante als dritte und vierte Rückschlagventile 50, 52 bezeichnet.
Das nach dem Innenraum-Kondensator 24 angeordnete und als ein 4/3-Wege-Ventil ausgebildete erste Mehrwegeventil 38 ermöglicht das Umschalten zwischen einem in der Fig. 4a dargestellten Kühlmodus und einem in der Fig. 4b dargestellten ersten Fleizmodus, jeweils wieder bezogen auf den Batteriekreislauf. In dem Kühlmodus ist der Kondensator 28 die Wärmesenke und überträgt Wärme an die freie Umgebung, während in dem ersten Fleizmodus der Chiller 8 Wärme, beispielsweise gewonnen über den Kondensator 28 als Umgebungswärmepumpe, an den Batteriekreislauf 2 übertragen kann. Über eines der Rückschlagventile 50, 52 strömt das Kältemittel entweder durch Umgehung des jeweiligen Expansionsventils 30, 32 am Kondensator 28 oder am Chiller 8 in den Flochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 20 und steht anschließend zur Expansion an den jeweils anderen Expansionsventilen 30, 32, 34 zur Verfügung.
In einem in der Fig. 4c dargestellten zweiten Fleizmodus strömt das Kältemittel direkt nach dem als 4/3-Wege-Ventil ausgebildeten ersten Mehrwegeventil 38 in den Flochdruckbereich. Flierdurch ist eine zeitgleiche Verwendung der Expansionsventile 30, 32 von Kondensator 28 und Chiller 8 möglich. Dies entspricht einer kombinierten Wärmepumpe, welche zeitgleich die Umgebungswärme über den Kondensator 28 wie auch die Abwärme des Antriebskreislaufs 10 mittels des Batteriekreislaufs 2, nämlich den Chiller 8, nutzen kann. Die Rückführung des Kältemittels zu dem Kompressor 22 wird gemäß der vorliegenden Variante über das als 3/3-Wege-Ventil ausgebildete zweite Mehrwegeventil 40 realisiert. Die hier vorliegende Variante des Kältemittelkreislaufs 20 weist gegenüber den vorgenannten Varianten den Vorratsbehälter 48 für das Kältemittel in dem Flochdruckbereich auf, welcher auch als Receiver/Dryer (kurz R/D) bekannt ist und Effizienzvorteile gegenüber den Kältemittelkreisläufen 20, also den Wärmepumpen, mit Akkumulator 46 bietet.
In einer vierten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 gemäß der Fig. 5 sind das erste und das zweite Mehrwegeventil 38, 40 der vorgenannten Varianten mit Akkumulator 46 baulich und schaltungstechnisch derart zu einem einzigen Kombinationsventil 54 zusammengefasst, dass das Kombinationsventil 54 mittels einer einzigen Steuerung des Thermomanagementsystems als ein einziges Mehrwegeventil funktionsgleich zu voneinander baulich und schaltungstechnisch getrennten ersten und zweiten Mehrwegeventilen, beispielsweise den vorgenannten Mehrwegeventilen 38, 40, ansteuerbar ist.
Die Fig. 6 zeigt eine fünfte Variante des Kältemittelkreislaufs 20, wobei der Vorratsbehälter 48 gemäß der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 als ein integraler Bestandteil eines nicht dargestellten Gehäuses des Kombinationsventils 54 ausgebildet ist.
Ferner sieht eine sechste Variante des Kältemittelkreislaufs 20 gemäß der Fig. 7 vor, dass der Kältemittelkreislauf 20 einen Wärmetauscher 56 zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittelrücklauf von dem Vorratsbehälter 48 gemäß der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 zu dem Kombinationsventil 54 und einem Kältemittelrücklauf von dem Kombinationsventil 54 zu dem Kompressor 22 umfasst, nämlich derart, dass der Wärmetauscher 56 als ein integraler Bestandteil eines nicht dargestellten Gehäuses des Kombinationsventils 54 ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 56 ist hier als eine koaxiale Leitung ausgebildet.
Darüber hinaus ist es in anderen Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise in anderen Varianten des Kältemittelkreislaufs des vorliegenden Ausführungsbeispiels, denkbar, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil jeweils an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet sind/ist, bevorzugt, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil jeweils als ein integraler Bestandteil des Gehäuses des Kombinationsventils ausgebildet sind/ist, und/oder, dass der Kondensator und/oder der Chiller an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet sind/ist.
Beispielsweise ist ein erfindungsgemäßes Kombinationsventil in den Fig. 8a bis 8c exemplarisch dargestellt. In der jeweiligen Fig. 8a bis 8c ist jeweils das Kombinationsventil 54 in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt, wobei in der jeweiligen Bildebene der Fig. 8a bis 8c jeweils oben ein erster Querschnitt und jeweils unten ein zweiter Querschnitt durch das Kombinationsventil 54 gezeigt ist. Das Kombinationsventil 54 gemäß der Fig. 8a bis 8c korrespondiert zu der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs 20, die in den Fig. 4a bis 4c dargestellt ist, wobei das Kombinationsventil 54 gemäß der Fig. 8a zu dem Kältemittelkreislauf 20 gemäß der Fig. 4a, das Kombinationsventil 54 gemäß der Fig. 8b zu dem Kältemittelkreislauf 20 gemäß der Fig. 4b und das Kombinationsventil 54 gemäß der Fig. 8c zu dem Kältemittelkreislauf 20 gemäß der Fig. 4c korrespondiert. Entsprechend sei hier auch auf die obigen Ausführungen zu der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 gemäß der Fig. 4a bis 4c verwiesen.
Wie aus den Fig. 8a bis 8c hervorgeht, sind das erste und das zweite Mehrwegeventil baulich und schaltungstechnisch derart zu dem einzigen Kombinationsventil 54 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammengefasst, dass das Kombinationsventil 54 mittels einer einzigen Steuerung des Thermomanagementsystems 20 als ein einziges Mehrwegeventil funktionsgleich zu voneinander baulich und schaltungstechnisch getrennten ersten und zweiten Mehrwegeventilen ansteuerbar ist. Der Einfachheit halber werden für das erste und das zweite Mehrwegeventil 38, 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform des Kombinationsventils 54 die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem Kältemittelkreislauf 20 des Thermomanagementsystems gemäß der Fig. 4a bis 4c.
Wie in den Ausführungen zu den Fig. 4a bis 4c bereits beschrieben, sind das erste und das zweite Mehrwegeventil 38, 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kombinationsventils nicht nur in einem gemeinsamen Gehäuse 60 angeordnet, sondern das erste Mehrwegeventil 38 ist als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil 40 als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet, wobei das erste und das zweite Mehrwegeventil 38, 40 in dem gemeinsamen Gehäuse 60 übereinander angeordnet sind, nämlich derart, dass das erste Mehrwegeventil 38 in dem Gehäuse 60 in einer ersten Ebene über dem zweiten Mehrwegeventil 40 in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Die erste Ebene mit dem ersten Mehrwegeventil 38 ist in der Bildebene der jeweiligen Fig. 8a bis 8c oben und die zweite Ebene mit dem zweiten Mehrwegeventil 40 ist in der Bildebene der jeweiligen Fig. 8a bis 8c unten dargestellt.
Bei dem ersten und/oder dem zweiten Mehrwegeventil 38, 40 kann es sich beispielsweise um ein Scheibenventil oder um ein Kugelventil handeln. Auch sind für das erste und zweite Mehrwegeventil 38, 40 voneinander verschiedene Ventilbauarten denkbar.
Zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Mehrwegeventil 38, 40 sind in dem Gehäuse 60 das dritte und das vierte Rückschlagventil 50, 52 sowie das erste Expansionsventil und das zweite Expansionsventil 30, 32 angeordnet, wobei das dritte und das vierte Rückschlagventil 50, 52 einerseits und das erste Expansionsventil 30 und das zweite Expansionsventil 32 andererseits in dem Gehäuse 60 übereinander angeordnet sind, nämlich derart, dass die vorgenannten Rückschlagventile 50, 52 in der ersten Ebene mit dem ersten Mehrwegeventil 38 und die Expansionsventile 30, 32 in der zweiten Ebene mit dem zweiten Mehrwegeventil 40 angeordnet sind. Der Einfachheit halber werden für die Rückschlagventile 50, 52 und die Expansionsventile 30, 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform des Kombinationsventils 54 die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem Kältemittelkreislauf 20 des Thermomanagementsystems gemäß der Fig. 4a bis 4c.
Wie aus den Fig. 8a bis 8c ferner hervorgeht, sind in dem gemeinsamen Gehäuse 60 für das erste und das zweite Mehrwegeventil 38, 40 Verbindungskanäle zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils 38 mit dem zweiten Mehrwegeventil 40, zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils 38 mit den Rückschlagventilen 50, 52 und des zweiten Mehrwegeventils 40 mit den Expansionsventilen 30, 32 und zur strömungsleitenden Verbindung der Rückschlagventile 50, 52 mit den Expansionsventilen 30, 32 angeordnet. Die die erste mit der zweiten Ebene strömungsleitend verbindenden Verbindungskanäle sind in den Fig. 8a bis 8c mit gestrichelten Linien dargestellt.
Das auf die vorgenannte Art und Weise aufgebaute Kombinationsventil 54 ist gemäß der Fig. 4a bis 4c mit den übrigen Komponenten der dritten Variante des Kältemittelkreislaufs 20 des Thermomanagementsystems strömungsleitend verbunden. Siehe hierzu die obigen Ausführungen. Beispielsweise deuten die Pfeile in der jeweiligen Bildebene der Fig. 8a bis 8c oben die strömungsleitende Verbindung des Kombinationsventils 54 mit dem Innenraum-Kondensator 24 und die Pfeile in der jeweiligen Bildebene der Fig. 8a bis 8c unten die strömungsleitende Verbindung des Kombinationsventils 54 mit dem Kompressor 22 an. Die Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel sowie die erläuterten Varianten beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die konstruktiven, fertigungstechnischen und verfahrenstechnischen Details des Ausführungsbeispiels begrenzt.

Claims

Patentansprüche
1. Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug, umfassend einen Batteriekreislauf (2) mit einer ersten Kühlmittelpumpe (4) für ein Kühlmittel, einer Batterie (6) und einem Chiller (8), einen Antriebskreislauf (10) mit einer zweiten Kühlmittelpumpe (12) für das Kühlmittel, einem Elektromotor (14), einer Leistungselektronik (16) zur Ansteuerung des Elektromotors (14) und einer Wärmesenke (18) zur Wärmeabgabe an eine freie Umgebung und einen Kältemittelkreislauf (20) für ein Kältemittel zur Temperierung eines Innenraums des Elektrofahrzeugs mit einem Kompressor (22), jeweils zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum einem Innenraum-Kondensator (24) und einem Innenraum- Verdampfer (26), einem Kondensator (28), mindestens einer Drossel (30, 32, 34) und dem Chiller (8) zum Wärmeaustausch mit dem Batteriekreislauf (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Thermomanagementsystem derart ausgebildet ist, dass der Chiller (8), bezogen auf den Batteriekreislauf (2), sowohl in einem Kühlmodus zur Kühlung der Batterie (6) wie auch in einem Heizmodus zur Beheizung der Batterie (6) betreibbar ist.
2. Thermomanagementsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen Drossel (30, 32, 34) als ein Expansionsventil, bevorzugt als ein frei regelbares Expansionsventil ausgebildet ist, besonders bevorzugt, dass alle Drosseln (30, 32, 34) der mindestens einen Drossel (30, 32, 34) jeweils als ein Expansionsventil ausgebildet sind.
3. Thermomanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (20) wie folgt strömungsleitend aufgebaut ist: ein erster Anschluss des Kompressors (22) ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Kondensators (24) verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum- Kondensators (24) ist mit einem ersten Anschluss eines ersten Mehrwegeventils (38) verbunden, das erste Mehrwegeventil (38) ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators (28) und mit einem ersten Anschluss eines zweiten Mehrwegeventils (40) sowie mit einem dritten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils (40) und einem ersten Anschluss des Chillers (8) verbunden, der Kondensator (28) ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss einer ersten Drossel (30) verbunden, die erste Drossel (30) ist mit einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss einer zweiten Drossel (32) und einem ersten Anschluss einer dritten Drossel (34) verbunden, ein zweiter Anschluss der zweiten Drossel (32) ist mit einem zweiten Anschluss des Chillers (8) und ein zweiter Anschluss der dritten Drossel (34) ist mit einem ersten Anschluss des Innenraum-Verdampfers (26) verbunden, ein zweiter Anschluss des Innenraum-Verdampfers (26) ist mit einem zweiten Anschluss des Kompressors (22) und mit einem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils (40) verbunden.
4. Thermomanagementsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mehrwegeventil (38) und das zweite Mehrwegeventil (40) jeweils als ein 3/2- Wege-Ventil ausgebildet sind, und, dass der Kältemittelkreislauf (20) ein erstes und ein zweites Rückschlagventil (42, 44) aufweist, wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des ersten Rückschlagventils (42) mit dem zweiten Anschluss des Kondensators (28) und dem ersten Anschluss der ersten Drossel (30) und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des ersten Rückschlagventils (42) mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel (30) und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel (32, 34) verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger erster Anschluss des zweiten Rückschlagventils (44) mit jeweils dem zweiten Anschluss des Chillers (8) und der zweiten Drossel (32) verbunden ist, und andererseits ein öffnungsrichtungsseitiger zweiter Anschluss des zweiten Rückschlagventils (44) zum einen jeweils mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel (30) und des ersten Rückschlagventils (42) und zum anderen jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel (32, 34) verbunden ist.
5. Thermomanagementsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mehrwegeventil (38) als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil (40) als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet sind, wobei ein vierter Anschluss des ersten Mehrwegeventils (38) einerseits mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel (30) und andererseits jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und der dritten Drossel (32, 34) verbunden ist.
6. Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältemittelkreislauf (20) zwischen dem Kompressor (22) einerseits und dem Innenraum-Verdampfer (26) und dem zweiten Mehrwegeventil (40) andererseits ein Akkumulator (46) für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet ist, wobei der Akkumulator (46) mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss des Kompressors (22) und mit einem zweiten Anschluss zum einen mit dem zweiten Anschluss des Innenraum- Verdampfers (26) und zum anderen mit einem dritten Anschluss des zweiten Mehrwegeventils (40) verbunden ist.
7. Thermomanagementsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältemittelkreislauf (20) zwischen dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils (38) einerseits und der ersten, zweiten und dritten Drossel (30, 32, 34) andererseits ein Vorratsbehälter (48) für das Kältemittel strömungstechnisch zwischengeschaltet ist, wobei einerseits ein erster Anschluss des Vorratsbehälters (48) zum einen mit dem vierten Anschluss des ersten Mehrwegeventils (38) und zum anderen jeweils mit einem öffnungsrichtungsseitigen ersten Anschluss eines dritten Rückschlagventils (50) und eines vierten Rückschlagventils (52), und andererseits ein zweiter Anschluss des Vorratsbehälters (48) mit dem zweiten Anschluss der ersten Drossel (30) und jeweils mit dem ersten Anschluss der zweiten und dritten Drossel (32, 34) verbunden ist, und wobei einerseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des dritten Rückschlagventils (50) mit dem zweiten Anschluss des Kondensators (28) und dem ersten Anschluss der ersten Drossel (30) und andererseits ein sperrrichtungsseitiger zweiter Anschluss des vierten Rückschlagventils (52) jeweils mit dem zweiten Anschluss des Chillers (8) und der zweiten Drossel (32) verbunden ist.
8. Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil baulich und schaltungstechnisch derart zu einem einzigen Kombinationsventil (54) zusammengefasst sind, dass das Kombinationsventil (54) mittels einer einzigen Steuerung des Thermomanagementsystems als ein einziges Mehrwegeventil funktionsgleich zu voneinander baulich und schaltungstechnisch getrennten ersten und zweiten Mehrwegeventilen ansteuerbar ist.
9. Thermomanagementsystem nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (48) an einem Gehäuse des Kombinationsventils (54) angeordnet ist, bevorzugt, dass der Vorratsbehälter (48) als ein integraler Bestandteil des Gehäuses des Kombinationsventils (54) ausgebildet ist.
10. Thermomanagementsystem nach Anspruch 8 oder 9, rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (20) einen Wärmetauscher (56) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittelrücklauf von dem Vorratsbehälter (48) zu dem Kombinationsventil (54) und einem Kältemittelrücklauf von dem Kombinationsventil (54) zu dem Kompressor (22) umfasst, bevorzugt, dass der Wärmetauscher (56) als ein integraler Bestandteil eines Gehäuses des Kombinationsventils ausgebildet ist.
11. Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil (50, 52) jeweils an einem Gehäuse (60) des Kombinationsventils (54) angeordnet sind/ist, bevorzugt, dass das dritte und/oder vierte Rückschlagventil (50, 52) jeweils als ein integraler Bestandteil des Gehäuses (60) des Kombinationsventils (54) ausgebildet sind/ist.
12. Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator und/oder der Chiller an einem Gehäuse des Kombinationsventils angeordnet sind/ist.
13. Kombinationsventil (54) für ein Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil (38, 40) baulich und schaltungstechnisch derart zu dem einzigen Kombinationsventil (54) zusammengefasst sind, dass das Kombinationsventil (54) mittels einer einzigen Steuerung des Thermomanagementsystems als ein einziges Mehrwegeventil funktionsgleich zu voneinander baulich und schaltungstechnisch getrennten ersten und zweiten Mehrwegeventilen ansteuerbar ist.
14. Kombinationsventil (54) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil (38, 40) in einem gemeinsamen Gehäuse (60) angeordnet sind, bevorzugt, dass das erste und das zweite Mehrwegeventil (38, 40) in dem gemeinsamen Gehäuse (60) übereinander angeordnet sind, besonders bevorzugt, dass das erste Mehrwegeventil (38) als ein 4/3-Wege-Ventil und das zweite Mehrwegeventil (40) als ein 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist.
15. Kombinationsventil (54) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen Gehäuse (60) für das erste und das zweite Mehrwegeventil (38, 40) zusätzlich das erste und zweite Rückschlagventil und/oder das dritte und vierte Rückschlagventil (50, 52) und/oder das erste Expansionsventil (30) und/oder das zweite Expansionsventil (32) und/oder das dritte Expansionsventil angeordnet sind/ist.
16. Kombinationsventil (54) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Rückschlagventil und/oder das dritte und vierte Rückschlagventil (50, 52) einerseits und das erste Expansionsventil (30) und/oder das zweite Expansionsventil (32) und/oder das dritte Expansionsventil andererseits in dem Gehäuse (60) übereinander angeordnet sind, bevorzugt, dass die vorgenannten Rückschlagventile (50, 52) in einer Ebene mit dem ersten Mehrwegeventil (38) und das mindestens eine Expansionsventil (30, 32) in einer Ebene mit dem zweiten Mehrwegeventil (40) angeordnet sind.
17. Kombinationsventil (54) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen Gehäuse (60) für das erste und das zweite Mehrwegeventil (38, 40) Verbindungskanäle zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils (38) mit dem zweiten Mehrwegeventil (40), bevorzugt zur strömungsleitenden Verbindung des ersten Mehrwegeventils (38) mit den Rückschlagventilen (50, 52) und/oder des zweiten Mehrwegeventils (40) mit dem mindestens einen Expansionsventil (30, 32) und/oder zur strömungsleitenden Verbindung der Rückschlagventile (50, 52) mit dem mindestens einen Expansionsventil (30, 32), besonders bevorzugt zur strömungsleitenden Verbindung der ersten Ebene mit der zweiten Ebene, angeordnet sind.
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