WO2025214741A1 - Wärmepumpensystem und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Wärmepumpensystem und verfahren zu dessen betrieb

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WO2025214741A1
WO2025214741A1 PCT/EP2025/057791 EP2025057791W WO2025214741A1 WO 2025214741 A1 WO2025214741 A1 WO 2025214741A1 EP 2025057791 W EP2025057791 W EP 2025057791W WO 2025214741 A1 WO2025214741 A1 WO 2025214741A1
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WO
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coolant
heat exchanger
flow
heat
pump
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PCT/EP2025/057791
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Inventor
Sebastian TIEMEYER
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Hella GmbH and Co KGaA
Original Assignee
Hella GmbH and Co KGaA
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Publication date
Application filed by Hella GmbH and Co KGaA filed Critical Hella GmbH and Co KGaA
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    • B60H2001/00307—Component temperature regulation using a liquid flow

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump system for an electrically powered vehicle of the type mentioned in the preamble of claim 1 and a method for its operation.
  • the known heat pump systems for electric vehicles comprise a coolant side for circulating a coolant and a refrigerant side, which is fluidically separated from the coolant side, for circulating a refrigerant, wherein the coolant side and the refrigerant side are in a heat transfer connection, and wherein the coolant side comprises a coolant circuit with a coolant pump for generating and circulating a coolant flow, a first heat exchanger for discharging heat from the coolant circuit to the refrigerant of the refrigerant side, a second heat exchanger for discharging heat from an interior air of a
  • Vehicle cabin of the vehicle to the coolant circuit an energy storage device for supplying a drive of the vehicle with electrical energy and a valve system for distributing the coolant.
  • a major challenge is the simultaneous cooling of the interior and the battery, i.e. the energy storage device.
  • State-of-the-art electric vehicles use the refrigerant system to cool the interior and battery regardless of the outside temperature.
  • the interior is cooled by an air-refrigerant heat exchanger, namely the evaporator, with the required cooling capacity and evaporation temperature controlled by a first expansion valve, while a coolant-refrigerant heat exchanger, namely a so-called chiller is used, the cooling capacity and evaporation temperature of which are controlled by a second expansion valve.
  • a characteristic of the refrigerant system is the equivalence of evaporation pressure and evaporation temperature.
  • the evaporation pressures also differ accordingly.
  • the refrigerant flows from the evaporator and chiller are returned together to the refrigerant compressor of the refrigerant system, so that the different pressure levels are equalized. Due to the equivalence of evaporation pressure and evaporation temperature, the evaporation temperature in the evaporator rises, so that the target temperature of 3 to 5 °C is exceeded. There is therefore a conflict of objectives between efficient cooling of the interior on the one hand and efficient cooling of the battery on the other.
  • the present invention is based on the object of improving a heat pump system for an electrically powered vehicle and a method for its operation.
  • a heat pump system W for an electrically operated vehicle having the features of claim 1, which is characterized in that the heat pump system W is designed such that in a first operating state of the heat pump system W, a coolant flow KS of the coolant pump can be divided by means of the valve system V in such a way that, on the one hand, a coolant partial flow KTS1 is guided through the first heat exchanger and, on the other hand, a coolant partial flow KTS2 is guided past the first heat exchanger by means of a bypass line of the coolant circuit, wherein the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reunite downstream of the first heat exchanger and the reunited coolant flow KS, preferably without flowing through other components of the coolant circuit, such as the energy storage device, to the coolant pump. Furthermore, this object is achieved by a method for operating a heat pump system W having the features of claim 8.
  • the subclaims relate to advantageous developments of the invention.
  • a key advantage of the invention lies in particular in the fact that a heat pump system for an electrically powered vehicle and a method for operating the same are improved. Due to the inventive design of the heat pump system W and the method for operating the same, it is possible to significantly improve the efficiency of the heat pump system W and thus of the thermal management system of an electrically powered vehicle equipped therewith in a circuit-technically simple manner. This is because the heat pump system W according to the invention enables a very flexible heat-transfer coupling between heat sources of the heat pump system W and heat sinks of the heat pump system W. Accordingly, even inherently complex thermal management tasks for electrically powered vehicles can be solved much more simply and thus more cost-effectively.
  • the invention enables dual thermal management, which uses coolant, for example cooled by a chiller with an expansion valve, for cooling both the interior and the battery.
  • coolant for example cooled by a chiller with an expansion valve
  • the heat pump system W according to the invention has a valve system V, which enables the demand-based distribution and temperature control of the coolant for the interior and battery, i.e. the vehicle cabin and the energy storage device.
  • the heat pump system W according to the invention can be freely selected within wide, suitable limits in terms of type, mode of operation, components, material and dimensions.
  • the heat pump system W according to the invention is suitable for an electrically powered vehicle, both for purely electric vehicles and for so-called hybrid vehicles, i.e. vehicles that have an internal combustion engine on the one hand and an electric motor on the other hand for propulsion. of the vehicle. In particular, this is intended for land vehicles, such as road vehicles or the like.
  • the invention can also be used in other types of vehicles.
  • the second heat exchanger it is possible for the second heat exchanger to be arranged, for example, in a separate coolant circuit, wherein the first heat exchanger can also be part of this coolant circuit.
  • cooling circuit is to be understood generally here and thus also includes, in particular, embodiments and operating states of the heat pump system according to the invention in which the coolant of the respective coolant circuit flows through certain components of this coolant circuit as required or not.
  • the respective coolant circuit should therefore not be thought of as static.
  • the respective coolant circuit is therefore not identical to the coolant system as a whole, but merely a part of the coolant system of the heat pump system W according to the invention, wherein this part can be flowed through by coolant in a fluidically separate manner from the rest of the coolant system.
  • embodiments of the invention are conceivable in which the aforementioned coolant circuit only has the aforementioned components in direct, i.e., immediate, flow-conducting connection to one another. Accordingly, the method according to the invention can also be freely selected within wide suitable limits.
  • a particularly advantageous development of the heat pump system W according to the invention provides that the heat pump system W is designed such that in the first operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS of the coolant pump can be divided by means of the valve system V in such a way that, on the one hand, the coolant partial flow KTS1 flows through the first heat exchanger and subsequently through the second heat exchanger and, on the other hand, the coolant partial flow KTS2 is fluidly guided past the first heat exchanger and the second heat exchanger by means of the bypass line of the coolant circuit, wherein the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reunite downstream of the first heat exchanger and the second heat exchanger and the reunited coolant flow KS, preferably without flowing through further components of the coolant circuit, such as the energy storage device, is returned to the coolant pump.
  • the heat pump system W according to the invention is designed in a particularly suitable manner.
  • the required coolant quantity can be easily adjusted depending on the cooling capacity of the first heat exchanger,
  • an advantageous development of the method according to the invention provides that in the first operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS of the coolant pump is divided by means of the valve system V in such a way that, on the one hand, the coolant partial flow KTS1 flows through the first heat exchanger and subsequently through the second heat exchanger and, on the other hand, the coolant partial flow KTS2 is fluidly guided past the first heat exchanger and the second heat exchanger by means of the bypass line of the coolant circuit, wherein the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reunite downstream of the first heat exchanger and the second heat exchanger and the reunited coolant flow KS is returned to the coolant pump, preferably without flowing through further components of the coolant circuit, such as the energy storage device.
  • a further advantageous development of the heat pump system W according to the invention provides that the heat pump system W is designed such that in a second operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and, after the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 have been combined by means of the valve system V, the coolant flow KS first flows through the energy storage device or a third heat exchanger of the coolant circuit to cool the energy storage device and is then returned to the coolant pump.
  • the required coolant quantity can be adjusted very precisely, which is required depending on the cooling capacity of the first heat exchanger, for example a chiller, to cool the interior air and the battery.
  • the optional third heat exchanger can, for example, be controlled by means of another Cooling liquid as the aforementioned coolant must be connected to the energy storage device in a heat-transfer manner.
  • an advantageous development of the method according to the invention provides that in a second operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and the coolant flow KS, after the two aforementioned partial coolant flows KTS1, KTS2 have been combined by means of the valve system V, first flows through the energy storage device or a third heat exchanger of the coolant circuit to cool the energy storage device and is then returned to the coolant pump.
  • the heat pump system W is designed such that in a third operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and, after the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 have been combined, the coolant flow KS can be divided by means of the valve system V such that, upstream of the coolant pump, a coolant partial flow KTS3 flows directly to the coolant pump and a coolant partial flow KTS4 first flows through the energy storage device or a third heat exchanger of the coolant circuit to cool the energy storage device and is then returned to the coolant pump.
  • the inlet temperature to the coolant pump can be reduced because the heated coolant from the battery, i.e. the energy storage device, is cooled by the cool coolant which flows directly back to the coolant pump.
  • the coolant in the first heat exchanger for example, a chiller, needs to be cooled less (since the incoming coolant is less hot), so that the efficiency of the overall system, i.e., the heat pump system W according to the invention, is improved. See also the above comments on the optional third heat exchanger.
  • an advantageous development of the method according to the invention provides that in a third operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and the coolant flow KS is divided by means of the valve system V after the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 have been combined in such a way that upstream of the coolant pump, a coolant partial flow KTS3 flows directly to the coolant pump and a coolant partial flow KTS4 first flows through the energy storage device or a third heat exchanger of the coolant circuit to cool the energy storage device and is then returned to the coolant pump.
  • first, second, and third operating states merely serves to distinguish these operating states and does not imply that there necessarily exists a second and third operating state. Therefore, it is not a list of operating states, according to which the presence of a third operating state would necessarily require the presence of a second operating state. The same applies to the other operating states according to the exemplary embodiment explained below.
  • an advantageous development of the method according to the invention provides that the respective division of the coolant flow KS is carried out continuously by means of the valve system V, preferably that a complete fluidic bypass of the first heat exchanger and/or the second heat exchanger is carried out by means of the valve system V, if required.
  • the heat pump system W according to the invention can be freely configured within wide, suitable limits.
  • An advantageous development of the heat pump system W according to the invention expediently provides that the valve system V is arranged, on the one hand, downstream of the first heat exchanger or downstream of the first heat exchanger and the second heat exchanger, and, on the other hand, upstream of the coolant pump.
  • the valve system V of the heat pump system W according to the invention has a plurality of valves, wherein the valve system V preferably has only a first valve and a second valve.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the heat pump system according to the invention for carrying out the method according to the invention in a process diagram, in a first operating state
  • Fig. 2 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a second operating state
  • Fig. 3 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a third operating state
  • Fig. 4 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a fourth operating state
  • Fig. 5 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a fifth operating state
  • Fig. 6 shows the embodiment in a representation analogous to Fig. 1, in a sixth operating state.
  • the heat pump system W for an electrically powered vehicle comprises a coolant side for circulating a coolant (not shown) and a refrigerant side, fluidically separated from the coolant side, for circulating a refrigerant (not shown).
  • the coolant side and the refrigerant side are in heat transfer communication.
  • the coolant side is shown in Figs. 1 to 6 with solid and dashed lines, with these lines being thick when coolant is flowing through it and thin when it is not flowing through it.
  • the refrigerant side is shown in Figs. 1 to 6 with dotted lines.
  • the coolant side has a coolant circuit, shown in solid lines, with a coolant pump 2 for generating and circulating a coolant flow, a first heat exchanger 4 designed as a chiller for transferring heat from the coolant circuit to the coolant on the coolant side, a second heat exchanger 6 for transferring heat from the interior air of a vehicle cabin (not shown) of the vehicle to the coolant circuit, an energy storage device 8, i.e., a battery, for supplying a drive 10 of the vehicle with electrical energy, and a valve system V for distributing the coolant.
  • the valve system V of the coolant circuit here has a first valve 12 and a second valve 14.
  • the heat pump system W is designed such that in a first operating state of the heat pump system W shown in Fig. 1, a
  • the coolant flow KS of the coolant pump 2 can be divided by means of the valve system V, namely by means of the first valve 12, such that, on the one hand, a coolant partial flow KTS1 is flow-guided through the first heat exchanger 4 and, on the other hand, a coolant partial flow KTS2 is flow-guided past the first heat exchanger 4 by means of a bypass line 16 of the coolant circuit, wherein the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reunite downstream of the first heat exchanger 4 and the reunited coolant flow KS is returned to the coolant pump. There is no flow through the energy storage device 8.
  • the heat pump system W is even designed such that, in the first operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS of the coolant pump 2 can be divided by means of the valve system V, namely the first valve 12, such that, on the one hand, the coolant partial flow KTS1 flows through the first heat exchanger 4 and subsequently through the second heat exchanger 6, and, on the other hand, the coolant partial flow KTS2 is fluidly guided past the first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6 by means of the bypass line 16 of the coolant circuit, wherein the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reunite downstream of the first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6, and the reunited coolant flow KS is returned to the coolant pump 2.
  • the coolant flow KS of the coolant pump 2 can be divided by means of the valve system V, namely the first valve 12, such that, on the one hand, the coolant partial flow KTS1 flows through the first heat exchanger 4 and subsequently through the second heat exchanger 6, and, on the other
  • the heat pump system W is designed as follows: namely, that in a second operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and the coolant flow KS, after the two aforementioned partial coolant flows KTS1, KTS2 have been combined by means of the valve system V, namely the second valve 14, first flows through the energy storage device 8 and is then returned to the coolant pump 2; namely, that in a third operating state of the heat pump system W, the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state and the Coolant flow KS can be divided by means of the valve system V after the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 have been combined in such a way that upstream of the coolant pump 2 a coolant partial flow KTS3 flows directly to the coolant pump 2 and a coolant partial flow KTS4 first flows through the energy storage device 8 and is then returned to the coolant pump 2.
  • embodiments of the invention would also be conceivable that include a third heat exchanger in the coolant circuit for cooling the energy storage device.
  • This third heat exchanger can be connected to the energy storage device in a heat-transfer manner, for example, using a different cooling fluid than the aforementioned coolant. Accordingly, in these embodiments of the invention, the coolant flow KS/the partial coolant flow KTS4 would not flow directly through the energy storage device in the second and/or third operating state, but rather through the third heat exchanger.
  • the heat pump system W is also designed such that the respective division of the coolant flow KS is continuously enabled by means of the valve system V, wherein a complete fluidic bypass of the first heat exchanger 4 and/or the second heat exchanger 6 is enabled by means of the valve system V.
  • the coolant circuit here has a bypass line 18 in addition to the bypass line 16.
  • the valve system V with the first and second valves 12, 14 is arranged on the one hand downstream of the first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6 and on the other hand upstream of the coolant pump 2.
  • the valve system V for the coolant circuit here only comprises the first valve 12 and the second valve 14.
  • the coolant circuit also has flow-conducting connections to a remainder of the coolant system;
  • the heat pump system W is designed in such a way that the coolant circuit, as can be seen in a synopsis from Figs. 1 to 6, can be flowed through with coolant separately from the rest of the coolant system.
  • the functioning of the heat pump system according to the invention and the method according to the invention according to the present embodiment are explained in more detail with reference to Figs. 1 to 6.
  • the coolant flow KS of the coolant pump 2 is divided by means of the valve system V in such a way that, on the one hand, the coolant partial flow KTS1 flows through the first heat exchanger 4 and subsequently through the second heat exchanger 6 and, on the other hand, the coolant partial flow KTS2 is flow-guided past the first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6 by means of the bypass line 16 of the coolant circuit, the two aforementioned coolant partial flows KTS1, KTS2 reuniting downstream of the first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6 and the reunited coolant flow KS being returned to the coolant pump 2. Only the interior, i.e.
  • the coolant pump 2 in the first operating state, the coolant pump 2 generates a coolant flow that partially flows through the chiller 4 and the air-coolant heat exchanger 6 as partial coolant flow KTS1, and partially bypasses these two aforementioned components via the bypass line 16 as partial coolant flow KTS2.
  • This allows the required coolant quantity to be set very precisely, which is required to cool the interior air depending on the cooling capacity of the chiller 4.
  • the aforementioned division of the coolant flow KS allows the coolant to be cooled directly to the target temperature of 3 to 5 °C.
  • the coolant flow KS is initially guided according to the first operating state, wherein the coolant flow KS, after the two aforementioned partial coolant flows KTS1, KTS2 have been combined by means of the valve system V, first flows through the energy storage unit 8 and is then returned to the coolant pump 2.
  • the interior and the battery, i.e. the energy storage unit 8 are thus cooled by means of the cooling circuit.
  • the coolant pump 2 generates a coolant flow which partially flows through the chiller 4 and the air-coolant heat exchanger 6 as the partial coolant flow KTS1, and partially bypasses these two aforementioned components by means of the bypass line 16 as the partial coolant flow KTS2.
  • the coolant is first cooled in the chiller 4 and then reheated in the air-to-coolant heat exchanger 6 by the incoming interior air.
  • the amount of coolant flowing as the partial coolant flow KTS1 is adjusted so that the interior air is cooled to the desired target temperature of 3 to 5 °C, while the coolant is warmed to such an extent, namely above 10 °C, that the temperature of the total coolant flow KS, which is composed of the partial coolant flows KTS1 and KTS2, corresponds to the desired target temperature for battery cooling of greater than 20 °C.
  • the total coolant flow KS is then passed through the battery 8 and warmed by it, after which the coolant flows back to the coolant pump 2.
  • the third operating state shown in Fig. 3 is similar to the second operating state.
  • the coolant partial flow KTS3 of the total coolant flow KS which is composed of the recombined coolant partial flows KTS1 and KTS2 flows directly back to the coolant pump 2, while the coolant partial flow KTS4 flows to the battery 8 and then to the coolant pump 2.
  • the inlet temperature to the coolant pump 2 can be reduced, since the heated coolant from the battery 8 is separated from the cool coolant, which flows directly back to the coolant pump 2.
  • the coolant in the chiller 4 needs to be cooled less (since the incoming coolant is less hot), so that the efficiency of the overall system, i.e. the heat pump system W, is improved.
  • the heat pump system W of the present embodiment additionally has the operating states shown in Figs. 4 to 6.
  • the bypass line 18 is used, so that the chiller 4 is flowed through, bypassing the air-coolant heat exchanger 6.
  • This operating state thus serves solely to cool the battery 8.
  • the bypass line 16 is used, so that both the chiller 4 and the air-coolant heat exchanger 6 are bypassed.
  • the battery 8 is not cooled, but rather coolant flows through the battery 8 only to equalize the temperature of the individual battery cells of the battery 8.
  • the battery cells are not shown.
  • the sixth operating state according to Fig. 6 is analogous to the third operating state.
  • the coolant flow KS through the chiller 4 and the air-coolant heat exchanger 6 is adjusted such that the coolant is cooled according to the cooling requirement for the interior and is then heated such that the battery 8 is essentially not flowed through for cooling, but only to equalize the temperature of the individual battery cells in the battery 8.
  • Second heat exchanger designed as an air-coolant heat exchanger
  • KS coolant flow also called total coolant flow
  • KTS coolant partial flow namely KTS1, KTS2, KTS3 and KTS4

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem W für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend eine Kühlmittelseite und eine Kältemittelseite, wobei die Kühlmittelseite einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe (2) zur Erzeugung und Zirkulation eines Kühlmittelstroms, einem ersten Wärmetauscher (4) zur Abgabe von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf an das Kältemittel, einem zweiten Wärmetauscher (6) zur Abgabe von Wärme von einer Innenraumluft einer Fahrzeugkabine des Fahrzeugs, einen Energiespeicher (8) zur Versorgung eines Antriebs (10) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und einem Ventilsystem V (12, 14) zur Verteilung des Kühlmittels aufweist, wobei das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Betriebszustand ein Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe (2) mittels des Ventilsystems V (12) derart aufteilbar ist, sodass einerseits ein Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher (4) und andererseits ein Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels einer Bypassleitung (16) des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher (4) vorbeigeführt wird.

Description

Wärmepumpensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpensystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
Derartige Wärmepumpensysteme für elektrisch betriebene Fahrzeuge und Verfahren zu deren Betrieb sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen
Ausführungsvarianten bereits bekannt. Die bekannten Wärmepumpensysteme für elektrische Fahrzeuge umfassen eine Kühlmittelseite zur Zirkulation eines Kühlmittels und eine von der Kühlmittelseite strömungstechnisch getrennte Kältemittelseite zur Zirkulation eines Kältemittels, wobei die Kühlmittelseite und die Kältemittelseite in einer Wärmeübertragungsverbindung stehen, und wobei die Kühlmittelseite einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe zur Erzeugung und Zirkulation eines Kühlmittelstroms, einem ersten Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf an das Kältemittel der Kältemittelseite, einem zweiten Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von einer Innenraumluft einer
Fahrzeugkabine des Fahrzeugs an den Kühlmittelkreislauf, einen Energiespeicher zur Versorgung eines Antriebs des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und einem Ventilsystem zur Verteilung des Kühlmittels aufweist.
Eine große Herausforderung stellt dabei die zeitgleiche Kühlung von Innenraum und Batterie, also Energiespeicher, dar. Elektrofahrzeuge nach dem Stand der Technik nutzen das Kältemittelsystem, um Innenraum und Batterie unabhängig von der Außentemperatur zu kühlen. Der Innenraum wird durch einen Luft-Kältemittel- Wärmetauscher, nämlich den Verdampfer, gekühlt, wobei die benötigte Kühlleistung und Verdampfungstemperatur durch ein erstes Expansionsventil kontrolliert wird, während für die Batteriekühlung ein Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher, nämlich ein sogenannter Chiller zum Einsatz kommt, dessen Kühlleistung und Verdampfungstemperatur durch ein zweites Expansionsventil kontrolliert wird. Charakteristisch für das Kältemittelsystem ist die Äquivalenz von Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur. Da Verdampfer und Chiller sehr unterschiedliche Zieltemperaturen aufweisen (typischerweise beträgt die Zieltemperatur für den Verdampfer 3 bis 5 °C und für den Chiller größer 20 °C), unterscheiden sich auch die Verdampfungsdrücke entsprechend. Jedoch werden die Kältemittelströme aus Verdampfer und Chiller gemeinsam zu dem Kältemittelkompressor des Kältemittelsystems zurückgeführt, sodass es zu einer Angleichung der unterschiedlichen Druckniveaus kommt. Aufgrund der Äquivalenz von Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur steigt infolgedessen die Verdampfungstemperatur im Verdampfer an, sodass die Zieltemperatur von 3 bis 5 °C überschritten wird. Es besteht demnach ein Zielkonflikt zwischen einerseits einer effizienten Kühlung des Innenraums und andererseits einer effizienten Kühlung der Batterie.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmepumpensystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem W für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W ein Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe mittels des Ventilsystems V derart aufteilbar ist, sodass einerseits ein Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher und andererseits ein Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels einer Bypassleitung des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS, bevorzugt ohne Durchströmung weiterer Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, wie zum Beispiel des Energiespeichers, zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmepumpensystems W mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ein Wärmepumpensystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb verbessert sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmepumpensystems W und des Verfahrens zu dessen Betrieb ist es möglich, die Effizienz des Wärmepumpensystems W und somit eines damit ausgestatteten Thermomanagements eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs auf schaltungstechnisch einfache Art und Weise wesentlich zu verbessern. Dies deshalb, weil mittels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W eine sehr flexible wärmeübertragende Kopplung zwischen Wärmequellen des Wärmepumpensystems W und Wärmesenken des Wärmepumpensystems W realisierbar ist. Entsprechend sind auch an sich komplexe Thermomanagementaufgaben für elektrisch betriebene Fahrzeuge wesentlich einfacher und damit kostengünstiger lösbar. Die Erfindung ermöglicht ein duales Thermomanagement, welches Kühlmittel, beispielsweise gekühlt durch einen Chiller mit einem Expansionsventil, sowohl für die Kühlung von Innenraum und Batterie nutzt. Hierdurch wird der oben beschriebene Zielkonflikt, verursacht durch den parallelen Betrieb von zwei Expansionsventilen, vermieden. Hierzu weist das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem W ein Ventilsystem V auf, welches die bedarfsgerechte Verteilung und Temperierung des Kühlmittels für Innenraum und Batterie, also Fahrzeugkabine und Energiespeicher, ermöglicht.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem W nach Art, Funktionsweise, Komponenten, Material und Dimensionierung in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar. Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem W für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug sowohl für reine Elektrofahrzeuge wie auch für sogenannte Hybrid-Fahrzeuge, also Fahrzeuge, die einerseits einen Verbrennungsmotor und andererseits einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs aufweisen, vorteilhaft einsetzbar. Insbesondere ist hierbei an Landfahrzeuge, wie Straßenfahrzeuge oder dergleichen, gedacht. Jedoch ist die Erfindung auch bei anderen Arten von Fahrzeugen nutzbar. Ferner ist es möglich, dass der zweite Wärmetauscher beispielsweise in einem eigenen Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, wobei der erste Wärmetauscher ebenfalls Teil dieses Kühlmittelkreislaufs sein kann. Der Begriff „Kühlmittelkreislauf“ ist hier allgemein zu verstehen und umfasst somit insbesondere auch Ausführungsformen und Betriebszustände des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems, bei denen das Kühlmittel des jeweiligen Kühlmittelkreislaufs bedarfsweise bestimmte Komponenten dieses Kühlmittelkreislaufs durchströmt oder nicht. Der jeweilige Kühlmittelkreislauf ist also nicht statisch zu denken. Der jeweilige Kühlmittelkreislauf ist also nicht identisch gleich dem Kühlmittelsystem als Ganzes, sondern lediglich ein Teil des Kühlmittelsystems des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W, wobei dieser Teil strömungstechnisch getrennt von einem Rest des Kühlmittelsystems von Kühlmittel durchströmbar ist. Ferner sind Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen der vorgenannte Kühlmittelkreislauf lediglich die vorgenannten Komponenten in direkter, also unmittelbarer, strömungsleitender Verbindung zueinander aufweist. Entsprechend ist auch das erfindungsgemäße Verfahren in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W sieht vor, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in dem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe mittels des Ventilsystems V derart aufteilbar ist, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS, bevorzugt ohne Durchströmung weiterer Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, wie zum Beispiel des Energiespeichers, zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem W auf eine besonders geeignete Art ausgebildet. Beispielsweise ist die benötigte Kühlmittelmenge hierdurch sehr gut einstellbar, welche in Abhängigkeit von der Kühlleistung des ersten Wärmetauschers, zum Beispiel einem Chiller, zur Kühlung der Innenraumluft benötigt wird.
Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass in dem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe mittels des Ventilsystems V derart aufgeteilt wird, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS, bevorzugt ohne Durchströmung weiterer Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, wie zum Beispiel des Energiespeichers, zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W sieht vor, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V erst durch den Energiespeicher oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird. Auf diese Weise ist die benötigte Kühlmittelmenge sehr genau einstellbar, welche in Abhängigkeit von der Kühlleistung des ersten Wärmetauschers, zum Beispiel einem Chiller, zur Kühlung der Innenraumluft und der Batterie benötigt wird. Der optionale dritte Wärmetaucher kann beispielsweise mittels einer anderen Kühlflüssigkeit als dem vorgenannten Kühlmittel mit dem Energiespeicher wärmeübertragend verbunden sein.
Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass in einem zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V erst durch den Energiespeicher oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W sieht vor, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem dritten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V derart aufteilbar ist, sodass stromaufwärts der Kühlmittelpumpe ein Kühlmittelteilstrom KTS3 unmittelbar zur Kühlmittelpumpe strömt und ein Kühlmittelteilstrom KTS4 erst durch den Energiespeicher oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird. Hierdurch ist zum Beispiel bei hohen Energiespeichertemperaturen, zum Beispiel bei Temperaturen größer 35 °C, die Zulauftemperatur in die Kühlmittelpumpe reduzierbar, da das erwärmte Kühlmittel aus der Batterie, also dem Energiespeicher, von dem kühlen Kühlmittel, welches direkt zu der Kühlmittelpumpe zurückströmt, abgekühlt wird. Somit muss das Kühlmittel in dem ersten Wärmetauscher, zum Beispiel einem Chiller, weniger stark abgekühlt werden (da das einströmende Kühlmittel weniger heiß ist), sodass die Effizienz des Gesamtsystems, also des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W, verbessert ist. Siehe hierzu auch die obigen Ausführungen zu dem optionalen dritten Wärmetauscher. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass in einem dritten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V derart aufgeteilt wird, sodass stromaufwärts der Kühlmittelpumpe ein Kühlmittelteilstrom KTS3 unmittelbar zur Kühlmittelpumpe strömt und ein Kühlmittelteilstrom KTS4 erst durch den Energiespeicher oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird.
Die Bezeichnung der vorgenannten Betriebszustände des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W als erster, zweiter und dritter Betriebszustand dient lediglich der Unterscheidbarkeit dieser Betriebszustände und bedeutet nicht, dass es zwingend einen zweiten und einen dritten Betriebszustand gibt. Es ist also keine Aufzählung von Betriebszuständen, wonach das Vorhandensein eines dritten Betriebszustands zwangsläufig das Vorhandensein eines zweiten Betriebszustands voraussetzen würde. Analoges gilt für die weiteren Betriebszustände gemäß dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W sieht vor, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass die jeweilige Aufteilung des Kühlmittelstroms KS mittels des Ventilsystems V stufenlos ermöglicht ist, bevorzugt, dass mittels des Ventilsystems V eine vollständige strömungstechnische Umgehung des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers ermöglicht ist. Auf diese Weise sind bei dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem W mittels dessen Ventilsystems V auch Mischpositionen zwischen den Betriebszuständen ermöglicht, sodass beispielsweise in einer Zwischenposition zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand der erste Wärmetauscher, zum Beispiel ein Chiller, jederzeit voll durchströmbar ist, wohingegen eine Strömungsrate durch den zweiten Wärmetauscher, einem Luft- Kühlmittel-Wärmetauscher, jedoch anpassbar und damit einstellbar ist. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die jeweilige Aufteilung des Kühlmittelstroms KS mittels des Ventilsystems V stufenlos erfolgt, bevorzugt, dass mittels des Ventilsystems V bedarfsweise eine vollständige strömungstechnische Umgehung des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers erfolgt.
Wie oben bereits ausgeführt, ist das erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem W in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar ausführbar. Zweckmäßigerweise sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W vor, dass das Ventilsystem V einerseits stromabwärts des ersten Wärmetauschers oder stromabwärts des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers und andererseits stromaufwärts der Kühlmittelpumpe angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist das Ventilsystem V des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems W eine Mehrzahl von Ventilen auf, wobei das Ventilsystem V bevorzugt lediglich ein erstes Ventil und ein zweites Ventil aufweist.
Anhand der beigefügten, grob schematischen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Verfahrensschaltbild, in einem ersten Betriebszustand,
Fig. 2 das Ausführungsbeispiel in zu der Fig. 1 analoger Darstellung, in einem zweiten Betriebszustand,
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel in zu der Fig. 1 analoger Darstellung, in einem dritten Betriebszustand,
Fig. 4 das Ausführungsbeispiel in zu der Fig. 1 analoger Darstellung, in einem vierten Betriebszustand, Fig. 5 das Ausführungsbeispiel in zu der Fig. 1 analoger Darstellung, in einem fünften Betriebszustand und
Fig. 6 das Ausführungsbeispiel in zu der Fig. 1 analoger Darstellung, in einem sechsten Betriebszustand.
In den Fig. 1 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens rein exemplarisch dargestellt.
Das Wärmepumpensystem W für ein nicht näher dargestelltes elektrisch betriebenes Fahrzeug umfasst eine Kühlmittelseite zur Zirkulation eines nicht dargestellten Kühlmittels und eine von der Kühlmittelseite strömungstechnisch getrennte Kältemittelseite zur Zirkulation eines nicht dargestellten Kältemittels, wobei die Kühlmittelseite und die Kältemittelseite in einer Wärmeübertragungsverbindung stehen. Die Kühlmittelseite ist in den Fig. 1 bis 6 mit durchgezogenen und gestrichelten Linien dargestellt, wobei diese Linien im mit Kühlmittel durchströmten Zustand dick und im nicht durchströmten Zustand dünn ausgeführt sind. Die Kältemittelseite ist in den Fig. 1 bis 6 mit gepunkteten Linien dargestellt. Die Kühlmittelseite weist einen mit durchgezogenen Linien dargestellten Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe 2 zur Erzeugung und Zirkulation eines Kühlmittelstroms, einem als Chiller ausgebildeten ersten Wärmetauscher 4 zur Abgabe von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf an das Kältemittel der Kältemittelseite, einem zweiten Wärmetauscher 6 zur Abgabe von Wärme von einer Innenraumluft einer nicht dargestellten Fahrzeugkabine des Fahrzeugs an den Kühlmittelkreislauf, einen Energiespeicher 8, also eine Batterie, zur Versorgung eines Antriebs 10 des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und einem Ventilsystem V zur Verteilung des Kühlmittels auf. Das Ventilsystem V des Kühlmittelkreislaufs weist hier ein erstes Ventil 12 und ein zweites Ventil 14 auf.
Erfindungsgemäß ist das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet, dass in einem in der Fig. 1 dargestellten ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W ein Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe 2 mittels des Ventilsystems V, nämlich mittels des ersten Ventils 12, derart aufteilbar ist, sodass einerseits ein Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher 4 und andererseits ein Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels einer Bypassleitung 16 des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher 4 strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 4 wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe zurückgeführt wird. Eine Durchströmung des Energiespeichers 8 findet nicht statt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Wärmepumpensystem W sogar derart ausgebildet, dass in dem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe 2 mittels des Ventilsystems V, nämlich des ersten Ventils 12, derart aufteilbar ist, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher 4 und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher 6 strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung 16 des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher 4 und dem zweiten Wärmetauscher 6 strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 4 und des zweiten Wärmetauschers 6 wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe 2 zurückgeführt wird. Wie oben bereits ausgeführt, findet hierbei eine Durchströmung des Energiespeichers 8 nicht statt.
Ferner ist das Wärmepumpensystem W wie folgt ausgebildet: nämlich, dass in einem zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V, nämlich des zweiten Ventils 14, erst durch den Energiespeicher 8 strömt und danach zur Kühlmittelpumpe 2 zurückgeführt wird; nämlich, dass in einem dritten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V derart aufteilbar ist, sodass stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 2 ein Kühlmittelteilstrom KTS3 unmittelbar zur Kühlmittelpumpe 2 strömt und ein Kühlmittelteilstrom KTS4 erst durch den Energiespeicher 8 strömt und danach zur Kühlmittelpumpe 2 zurückgeführt wird.
Alternativ zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wären auch Ausführungsformen der Erfindung denkbar, die einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers aufweisen, wobei dieser dritte Wärmetauscher zum Beispiel mittels einer anderen Kühlflüssigkeit als dem vorgenannten Kühlmittel mit dem Energiespeicher wärmeübertragend verbunden sein kann. Entsprechend würde der Kühlmittelstrom KS/der Kühlmittelteilstrom KTS4 bei diesen Ausführungsformen der Erfindung in dem zweiten und/oder dritten Betriebszustand nicht direkt durch den Energiespeicher, sondern durch den dritten Wärmetauscher strömen.
Auch ist das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet, dass die jeweilige Aufteilung des Kühlmittelstroms KS mittels des Ventilsystems V stufenlos ermöglicht ist, wobei mittels des Ventilsystems V eine vollständige strömungstechnische Umgehung des ersten Wärmetauschers 4 und/oder des zweiten Wärmetauschers 6 ermöglicht ist. Hierfür weist der Kühlmittelkreislauf hier zusätzlich zu der Bypassleitung 16 eine Bypassleitung 18 auf. Wie ferner aus den Fig. 1 bis 6 hervorgeht, ist das Ventilsystem V mit dem ersten und dem zweiten Ventil 12, 14 einerseits stromabwärts des ersten Wärmetauschers 4 und des zweiten Wärmetauschers 6 und andererseits stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 2 angeordnet. Das Ventilsystem V für den Kühlmittelkreislauf umfasst hier lediglich das erste Ventil 12 und das zweite Ventil 14. Der Kühlmittelkreislauf weist zwar auch strömungsleitende Verbindungen zu einem Rest des Kühlmittelsystems auf; jedoch ist das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet, dass der Kühlmittelkreislauf, wie aus den Fig. 1 bis 6 in einer Zusammenschau ersichtlich ist, von diesem Rest des Kühlmittelsystems getrennt mit Kühlmittel durchströmbar ist. Im Nachfolgenden werden die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
In dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Betriebszustand wird der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe 2 mittels des Ventilsystems V derart aufgeteilt, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher 4 und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher 6 strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung 16 des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher 4 und dem zweiten Wärmetauscher 6 strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 4 und des zweiten Wärmetauschers 6 wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe 2 zurückgeführt wird. Es wird ausschließlich der Innenraum, also die Innenraumluft der Fahrzeugkabine, mittels des Kühlkreislaufs gekühlt. Demnach erzeugt in dem ersten Betriebszustand die Kühlmittelpumpe 2 einen Kühlmittelstrom, welcher teilweise durch den Chiller 4 und den Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 6 als Kühlmittelteilstrom KTS1 strömt, sowie teilweise diese beiden zuvor genannten Komponenten mittels der Bypassleitung 16 als Kühlmittelteilstrom KTS2 umgeht. Hierdurch kann sehr genau die benötigte Kühlmittelmenge eingestellt werden, welche in Abhängigkeit von der Kühlleistung des Chillers 4 zur Kühlung der Innenraumluft benötigt wird. Insbesondere erlaubt die vorgenannte Aufteilung des Kühlmittelstroms KS die direkte Abkühlung der Kühlmittels auf die Zieltemperatur von 3 bis 5 °C. So ist es möglich, bei einer sehr hohen Kühlmitteltemperatur, zum Beispiel von größer 35 °C, unmittelbar nach einem Fahrzeugstart des Fahrzeugs im Sommer, die Kühlmittelmenge, welche durch den Chiller 4 strömt, entsprechend zu reduzieren, sodass das Kühlmittel direkt auf die benötigte Zieltemperatur abgekühlt werden kann. Hierdurch kann die benötigte Zeit, um kaltes Kühlmittel, also kalte Luft für den Innenraum bereitzustellen, deutlich reduziert werden (die benötigte Zeit hängt im Wesentlichen von der Leistungsfähigkeit des Kältemittelsystems ab). In dem in der Fig. 2 dargestellten zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W wird der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt, wobei der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V erst durch den Energiespeicher 8 strömt und danach zur Kühlmittelpumpe 2 zurückgeführt wird. Es werden somit der Innenraum und die Batterie, also der Energiespeicher 8, mittels des Kühlkreislaufs gekühlt. Demnach erzeugt in diesem zweiten Betriebszustand die Kühlmittelpumpe 2 einen Kühlmittelstrom, welcher teilweise durch den Chiller 4 und den Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 6 als der Kühlmittelteilstrom KTS1 strömt, sowie teilweise diese beiden zuvor genannten Komponenten mittels der Bypassleitung 16 als der Kühlmittelteilstrom KTS2 umgeht. Hierdurch kann sehr genau die benötigte Kühlmittelmenge eingestellt werden, welche in Abhängigkeit von der Kühlleistung des Chillers 4 zur Kühlung der Innenraumluft und der Batterie 8 benötigt wird. So wird das Kühlmittel im Chiller 4 zunächst abgekühlt und im Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 6 durch die einströmende Innenraumluft wieder aufgewärmt. Die Kühlmittelmenge, welche als der Kühlmittelteilstrom KTS1 strömt, ist so eingestellt, dass die Innenraumluft auf die gewünschte Zieltemperatur von 3 bis 5 °C abgekühlt wird und dabei das Kühlmittel so weit aufgewärmt wird, nämlich über 10 °C, dass die Temperatur des Gesamtkühlmittelstroms KS, welcher sich aus den Kühlmittelteilströmen KTS1 und KTS2 zusammensetzt, der gewünschten Zieltemperatur für die Batteriekühlung von größer 20 °C entspricht. Anschließend wird der Gesamtkühlmittelstrom KS durch die Batterie 8 geführt und von dieser aufgewärmt, danach strömt das Kühlmittel wieder zu der Kühlmittelpumpe 2 zurück.
Der in der Fig. 3 dargestellte dritte Betriebszustand ist dem zweiten Betriebszustand ähnlich. Jedoch strömt mittels des Ventilsystems V der Kühlmittelteilstrom KTS3 des Gesamtkühlmittelstroms KS, der sich ja aus den wiedervereinigten Kühlmittelteilströmen KTS1 und KTS2 zusammensetzt, direkt zu der Kühlmittelpumpe 2 zurück, während der Kühlmittelteilstrom KTS4 zur Batterie 8 und danach zu der Kühlmittelpumpe 2 strömt. Hierdurch kann bei hohen Batterietemperaturen von beispielsweise 35 °C die Zulauftemperatur in die Kühlmittelpumpe 2 reduziert werden, da das erwärmte Kühlmittel aus der Batterie 8 von dem kühlen Kühlmittel, welches direkt zu der Kühlmittelpumpe 2 zurückströmt, abgekühlt wird. Hierdurch muss das Kühlmittel in dem Chiller 4 weniger stark abgekühlt werden (da das einströmende Kühlmittel weniger heiß ist), sodass die Effizienz des Gesamtsystems, also des Wärmepumpensystems W, verbessert ist.
Das Wärmepumpensystem W des hier vorliegenden Ausführungsbeispiels weist zusätzlich die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Betriebszustände auf. In dem vierten Betriebszustand gemäß der Fig. 4 wird die Bypassleitung 18 genutzt, sodass der Chiller 4 unter Umgehung des Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers 6 durchströmt wird. Dieser Betriebszustand dient somit allein der Kühlung der Batterie 8. In dem fünften Betriebszustand gemäß der Fig. 5 wird die Bypassleitung 16 genutzt, sodass sowohl der Chiller 4 und der Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 6 umgangen werden. In diesem Betriebszustand wird die Batterie 8 nicht gekühlt, sondern die Batterie 8 nur zur Angleichung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen der Batterie 8 mit Kühlmittel durchströmt. Die Batteriezellen sind nicht dargestellt. Der sechste Betriebszustand gemäß der Fig. 6 ist analog zu dem dritten Betriebszustand. Jedoch wird der Kühlmittelstrom KS durch den Chiller 4 und den Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 6 so eingestellt, dass das Kühlmittel entsprechend dem Kühlbedarf für den Innenraum abgekühlt wird und danach so aufgewärmt wird, dass die Batterie 8 im Wesentlichen nicht zur Kühlung, sondern wiederum nur zur Angleichung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen in der Batterie 8 durchströmt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel begrenzt. Siehe hierzu beispielsweise die diesbezüglichen Ausführungen in der Beschreibungseinleitung sowie die alternativen oder optionalen Merkmale in dem erläuterten Ausführungsbeispiel. Bezugszeichenliste
2 Kühlmittelpumpe
4 Erster Wärmetauscher, als Chiller ausgebildet
6 Zweiter Wärmetauscher, als Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildet
8 Energiespeicher, auch als Batterie bezeichnet
10 Antrieb des Fahrzeugs
12 Erstes Ventil des Ventilsystems V
14 Zweites Ventil des Ventilsystems V
16 Bypassleitung
18 Bypassleitung
KS Kühlmittelstrom, auch als Gesamtkühlmittelstrom bezeichnet
KTS Kühlmittelteilstrom, nämlich KTS1 , KTS2, KTS3 und KTS4
V Ventilsystem
W Wärmepumpensystem W

Claims

Wärmepumpensystem und Verfahren zu dessen Betrieb Patentansprüche
1 . Wärmepumpensystem W für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend eine Kühlmittelseite zur Zirkulation eines Kühlmittels und eine von der Kühlmittelseite strömungstechnisch getrennte Kältemittelseite zur Zirkulation eines Kältemittels, wobei die Kühlmittelseite und die Kältemittelseite in einer Wärmeübertragungsverbindung stehen, und wobei die Kühlmittelseite einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe (2) zur Erzeugung und Zirkulation eines Kühlmittelstroms, einem ersten Wärmetauscher (4) zur Abgabe von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf an das Kältemittel der Kältemittelseite, einem zweiten Wärmetauscher (6) zur Abgabe von Wärme von einer Innenraumluft einer Fahrzeugkabine des Fahrzeugs an den Kühlmittelkreislauf, einen Energiespeicher (8) zur Versorgung eines Antriebs (10) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und einem Ventilsystem V (12, 14) zur Verteilung des Kühlmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W ein Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe (2) mittels des Ventilsystems V (12) derart aufteilbar ist, sodass einerseits ein Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher (4) und andererseits ein Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels einer Bypassleitung (16) des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher (4) strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers (4) wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
2. Wärmepumpensystem W nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in dem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe (2) mittels des Ventilsystems V (12) derart aufteilbar ist, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher (4) und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher (6) strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung (16) des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher (4) und dem zweiten Wärmetauscher (6) strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers (4) und des zweiten Wärmetauschers (6) wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
3. Wärmepumpensystem W nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V (14) erst durch den Energiespeicher (8) oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
4. Wärmepumpensystem W nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass in einem dritten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V (14) derart aufteilbar ist, sodass stromaufwärts der Kühlmittelpumpe (2) ein Kühlmittelteilstrom KTS3 unmittelbar zur Kühlmittelpumpe (2) strömt und ein Kühlmittelteilstrom KTS4 erst durch den Energiespeicher (8) oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
5. Wärmepumpensystem W nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem W derart ausgebildet ist, dass die jeweilige Aufteilung des Kühlmittelstroms KS mittels des Ventilsystems V (12, 14) stufenlos ermöglicht ist, bevorzugt, dass mittels des Ventilsystems V (12, 14) eine vollständige strömungstechnische Umgehung des ersten Wärmetauschers (4) und/oder des zweiten Wärmetauschers (6) ermöglicht ist.
6. Wärmepumpensystem W nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem V (12, 14) einerseits stromabwärts des ersten Wärmetauschers oder stromabwärts des ersten Wärmetauschers (4) und des zweiten Wärmetauschers (6) und andererseits stromaufwärts der Kühlmittelpumpe (2) angeordnet ist.
7. Wärmepumpensystem W nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem V (12, 14) eine Mehrzahl von Ventilen (12, 14) aufweist, bevorzugt, dass das Ventilsystem V (12, 14) lediglich ein erstes Ventil (12) und ein zweites Ventil (14) aufweist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Wärmepumpensystem W nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W ein Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe (2) mittels des Ventilsystems V (12) derart aufgeteilt wird, sodass einerseits ein Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher (4) und andererseits ein Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels einer Bypassleitung (16) des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher (4) strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers (4) wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS der Kühlmittelpumpe (2) mittels des Ventilsystems V (12) derart aufgeteilt wird, sodass einerseits der Kühlmittelteilstrom KTS1 durch den ersten Wärmetauscher (4) und nachfolgend durch den zweiten Wärmetauscher (6) strömt und andererseits der Kühlmittelteilstrom KTS2 mittels der Bypassleitung (16) des Kühlmittelkreislaufs an dem ersten Wärmetauscher (4) und dem zweiten Wärmetauscher (6) strömungstechnisch vorbeigeführt wird, wobei sich die beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 stromabwärts des ersten Wärmetauschers (4) und des zweiten Wärmetauschers (6) wieder vereinigen und der wiedervereinigte Kühlmittelstrom KS zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V (14) erst durch den Energiespeicher (8) oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand des Wärmepumpensystems W der Kühlmittelstrom KS zunächst gemäß dem ersten Betriebszustand geführt wird und der Kühlmittelstrom KS nach der Vereinigung der beiden vorgenannten Kühlmittelteilströme KTS1 , KTS2 mittels des Ventilsystems V (14) derart aufgeteilt wird, sodass stromaufwärts der Kühlmittelpumpe (2) ein Kühlmittelteilstrom KTS3 unmittelbar zur Kühlmittelpumpe (2) strömt und ein Kühlmittelteilstrom KTS4 erst durch den Energiespeicher (8) oder einen dritten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Energiespeichers strömt und danach zur Kühlmittelpumpe (2) zurückgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aufteilung des Kühlmittelstroms KS mittels des Ventilsystems V (12, 14) stufenlos erfolgt, bevorzugt, dass mittels des Ventilsystems V (12, 14) bedarfsweise eine vollständige strömungstechnische Umgehung des ersten Wärmetauschers (4) und/oder des zweiten Wärmetauschers (6) erfolgt.
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