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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, welches eine Klimatisierungsvorrichtung zur Klimatisierung seiner Fahrgastzelle aufweist, wobei eine aktuelle Traktionsbatterie-Temperatur erfasst und bei Überschreitung eines von wenigstens einem aktuellen Fahrzeugbetriebsparameter abhängigen Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwertes eine aktive Bedarfskühlung der Traktionsbatterie initiiert wird.
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Derartige Verfahren zur Traktionsbatteriekühlung von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sind bekannt aus der
DE 10 2007 045 182 A1 .
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Bei allen Arten von Batterien fließen bei Ladungsentnahme oder Ladungsakkumulation elektrische Ströme. Diese führen aufgrund des Innenwiderstandes jeder Batterie zu einer Verlustleistung. Bei Hochleistungsbatterien, wie sie zum Antrieb von Elektro- oder Hybridfahrzeugen als sogenannte Traktionsbatterien Einsatz finden, ist die Verlustleistung aufgrund der hohen Lade- und Entnahmeströme erheblich. Aufgrund der Umsetzung der Verlustleistung in Wärme kann es zu einer nicht unerheblichen Erhitzung der Traktionsbatterie kommen, die ggf. durch hohe Außentemperaturen noch unterstützt wird. Dies ist insofern kritisch, als die meisten Hochleistungsbatterien, insbesondere Lithiumlonen-Batterien enge Temperaturkorridore für optimalen Wirkungsgrad und maximale Lebensdauer aufweisen. Diese optimalen Temperaturkorridore sind für Kraftfahrzeuge in der Praxis nicht einzuhalten. Dies insbesondere auch deshalb, weil eine aktive Kühlung der Traktionsbatterie stets mit erhöhtem Energieverbrauch verbunden ist. In der Praxis ist man daher bemüht, einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Effizienz- bzw. Lebensdauereinbußen einerseits und erhöhtem Energieverbrauch andererseits zu realisieren.
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Aus der oben genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist es bekannt, die Traktionsbatterie-Temperatur zu überwachen und bedarfsweise eine aktive Kühlung zu initiieren. Unter einer aktiven Kühlung sei hier eine Kühlung verstanden, zu deren Betrieb Energie aus Energiespeichern des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Im Gegensatz dazu sei unter einer passiven Kühlung hier eine ohne Energiebedarf aus Energiespeichern des Kraftfahrzeugs betreibbare Kühlung verstanden, beispielsweise eine Luftkühlung, die sich aus Um- oder Durchströmung der Traktionsbatterie mit Fahrtwind ergibt. Die Initiierung der bekannten Bedarfskühlung erfolgt bei Überschreitung eines Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwertes. Dieser ist jedoch nicht bei einem fest vorgegebenen Wert fixiert; vielmehr hängt seine konkrete Lage von den aktuellen Leistungsanforderungen an die Traktionsbatterie ab. Wird von der Traktionsbatterie keine oder nur eine geringe Leistung angefordert, beispielsweise wenn ein Hybridfahrzeug verbrennungsmotorisch betrieben wird, wird die Bedarfskühlung erst initiiert, wenn die aktuelle Traktionsbatterie-Temperatur einen sehr hohen Schwellenwert überschreitet, der die Obergrenze eines maximalen Temperaturkorridors markiert, welcher denjenigen Bereich definiert, in dem die Traktionsbatterie ohne Schädigung, d.h. ohne massive Verkürzung der Lebensdauer betreibbar ist. Im Gegensatz dazu liegt der Schwellenwert bei hohen Leistungsanforderungen deutlich niedriger, nämlich an einem Punkt, der die Obergrenze eines optimalen Temperaturkorridors markiert, welcher den Bereich maximaler Betriebseffizienz der Traktionsbatterie definiert. Diese zunächst sinnvoll erscheinende Kopplung zwischen Traktionsbatterie, Temperaturschwellenwert und Leistungsanforderung an die Traktionsbatterie berücksichtigt nicht die in der Praxis höchst relevante Reichweitenbeschränkung von Hybrid- und insbesondere Elektrofahrzeugen.
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Auch die
EP 2 408 054 A1 offenbart eine situationsabhängige Einstellung des Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwertes, die insbesondere die aktuelle Außentemperatur und einen vom Fahrer eingestellten Fahrmodus, insbesondere einen „Sport“- und einen „Normal“-Modus einbezieht.
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Die
DE 10 2009 015 658 A1 offenbart ein nicht auf Schwellenwertüberwachung basierendes Batterie-Kühlsystem. Hier werden vielmehr bestimmte Betriebsmodi auf Basis von aktuellen Leistungsanforderungen an die Batterie, die Klimatisierungsvorrichtung der Fahrgastzelle und die Kühlung bzw. Heizung der Batterie definiert. Insbesondere zu den Kriterien für die Leistungsanforderungen an die Batteriekühlung bzw. -heizung schweigt die Druckschrift allerdings. In jedem Fall aber wird der jeweils aktuelle Betriebsmodus detektiert und ein Kühlmittel, welches bedarfsweise über einen Kühlmittel-/Kältemittel-Wärmetauscher vom Kältemittelkreis der Fahrgastzellen-Klimatisierung temperiert werden kann, entweder durch die Batterie oder an dieser vorbei geleitet.
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Aus der
US 2009/0095449 A1 ist ein System zur Luftkühlung einer im Heck eines Fahrzeugs untergebrachten Batterie bekannt. Der Lufteinlass für den Kühlungs-Luftstrom befindet sich im Bereich der Hutablage. Um zu verhindern, dass die eingesaugte Kühlluft aufgrund von durch die Heckscheibe einfallender Sonneneinstrahlung zu warm wird, um die Batterie effektiv zu kühlen, ist ein bedarfsweise positionierbarer Sonnenschutz im Bereich des Lufteinlasses vorgesehen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Traktionsbatterie-Kühlungssteuerung zur Verfügung zu stellen, welches die sich aus der typischen Reichweitenbeschränkung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen ergebenden Einschränkungen realitätsnah berücksichtigt.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwert vom aktuellen Betriebszustand der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung abhängig, nämlich bei aktivierter Klimatisierung der Fahrgastzelle niedriger ist als bei deaktivierter Klimatisierung der Fahrgastzelle.
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Dieser Ansatz scheint überraschend, da die Traktionsbatterie-Kühlung einerseits und die Fahrgastzellen-Klimatisierung andererseits vordergründig nichts miteinander zu tun zu haben scheinen, sodass ihre erfindungsgemäße Kopplung zunächst befremdet. Der Erfindung liegen jedoch drei Erkenntnisse der Betriebsrealität von modernen Fahrzeugen, insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeugen zugrunde. Erstens stellt der Betrieb der Fahrgastzellen-Klimatisierung heute keine Ausnahme, sondern vielmehr den Normalzustand dar. Dies liegt unter anderem an der deutlich verbesserten Isolierung moderner Fahrgastzellen, die zur Vermeidung von Scheibenbeschlag und zur Schaffung eines angenehmen Raumklimas eine ständige Entfeuchtung der Raumluft und somit den Betrieb der Klimatisierungsvorrichtung erforderlich machen oder zumindest angeraten erscheinen lassen. Zweitens ergibt sich aufgrund der Reichweitenbeschränkung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen häufiger als bei rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen eine Energiespeicher-Mangelsituation, die zumindest zeitweise eine extrem energiesparende Fahrweise erforderlich machen. Drittens stellt die Fahrgastzellen-Klimatisierung die nach dem eigentlichen Fahrzeugantrieb mit Abstand größte Energieverbrauchsquelle dar, was bereits Eingang in das Allgemeinwissen gefunden hat und daher bei technisch nicht versierten Fahrern als bekannt vorausgesetzt werden darf. Folglich lässt sich der ausdrückliche Verzicht eines Fahrers auf die Fahrgastzellen-Klimatisierung, repräsentiert durch das Ausschalten der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung, gemäß der Erkenntnis der Erfinder interpretieren als der bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen nicht unübliche Wunsch nach einem momentan extrem energiesparenden Fahrzeugbetrieb. Erfindungsgemäß wird die so angeforderte Energieeinsparung durch die Abschaltung oder wenigstens Reduzierung der Traktionsbatterie-Kühlung noch weiter unterstützt. In Situation hingegen, in denen der Fahrer durch den Betrieb der Fahrgastzellen-Klimatisierung anzeigt, dass er momentan eher an einem besonders komfortablen und weniger an einem besonders energiesparenden Fahrzeugbetrieb interessiert ist, kann die Traktionsbatterie stärker gekühlt werden, was einerseits Vorteile im Hinblick auf ihre Lebensdauer und andererseits auf die maximal abforderbare Antriebsleistung bringt. Auf diese Weise berücksichtigt das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren die Betriebsrealität von Hybrid- und Elektrofahrzeugen besser als die Steuerverfahren nach dem Stand der Technik.
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Günstigerweise ist das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren nicht rein binärer Natur, d.h. Traktionsbatterie-Kühlung an, wenn Fahrgastzellen-Klimatisierung an und Traktionsbatterie-Kühlung aus, wenn Fahrgastzellen-Klimatisierung aus. Vielmehr wird der Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwert auch im Fall ausgeschalteter Fahrgastzellen-Klimatisierung auf realistisch erreichbare Temperaturwerte gesetzt, insbesondere auf einen Wert, der hinreichend tief gewählt ist, dass eine ernsthafte Schädigung der Traktionsbatterie durch Übertemperatur vermieden wird.
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Auch für den Fall der eingeschalteten Fahrgastzellen-Klimatisierung kann eine differenzierte Abhängigkeit des Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwertes vorgesehen sein.
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Insbesondere wird es als günstig angesehen, wenn der Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwert umso niedriger ist, je höher die aktuell von der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung zur Klimatisierung der Fahrgastzelle aufgewandte Klimatisierungsleistung ist. Je mehr der Fahrer also signalisiert, dass sein Hauptinteresse einem komfortablen und weniger einem energiesparenden Fahrzeugbetrieb gilt, desto mehr wird auch auf die optimale Temperierung der Traktionsbatterie zu Lasten der Energieeffizienz geachtet. Mit anderen Worten werden die Autonomie des Fahrers geachtet und entsprechend seine Fahrerwünsche respektiert.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Traktionsbatterie bei Traktionsbatterie-Temperaturen unterhalb des Traktionsbatterie-Temperaturschwellenwertes mittels einer Grundkühlungsvorrichtung gekühlt wird. Als Grundkühlungsvorrichtung wird im Gegensatz zur Bedarfskühlungsvorrichtung eine unabhängig von aktuellen Betriebsparametern betriebene Kühlungsvorrichtung bezeichnet. Hierbei kann es sich bei einer Ausführungsform um eine Vorrichtung handeln, die einen Wasserkühlkreis mit einem Luft/Wasser-Wärmetauscher umfasst. Die Traktionsbatterie ist dabei wassergekühlt, wobei die Abwärme über den Luft/Wasser-Wärmetauscher, der beispielsweise dem Fahrtwind ausgesetzt sein kann, abgeführt wird. Diese Art der Grundkühlung benötigt praktisch keine Energie aus den elektrischen Energiespeichern, wobei der Energieaufwand für eine evtl. elektrisch betriebene Umwälzpumpe hier vernachlässigt werden soll.
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Zur Ausgestaltung der Bedarfskühlung stehen dem Fachmann unterschiedliche Varianten zur Verfügung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Traktionsbatterie bei Initiierung der Bedarfskühlung in thermischen Kontakt zu einem Kältemittelkreis der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung gebracht wird. Wie oben erläutert, wird die Bedarfskühlung insbesondere bei Betrieb der Fahrgastzellen-Klimatisierung initiiert, d.h. die Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung erzeugt in diesem Zustand ohnehin Kälte, von der ein Teil zur Kühlung der Traktionsbatterie abgezweigt werden kann. Dabei ist es besonders effizient, wenn dies durch thermischen Kontakt der Traktionsbatterie mit dem Kältemittelkreis der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung erfolgt.
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Ist diese Variante gemeinsam mit der zuvor erläuterten Grundkühlungsvorrichtung in Form eines Wasserkühlkreises realisiert, kann weiter vorgesehen sein, dass bei Initiierung der Bedarfskühlung der Wasserkühlkreis der Grundkühlungsvorrichtung von dem Luft/Wasser-Wärmetauscher abgekoppelt und mit einem als Kältemittel/Wasser-Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer der Fahrgastzellen-Klimatisierung gekoppelt wird. Bei Bedarf wird also die nicht mehr ausreichende Grundkühlung der Traktionsbatterie abgeschaltet und die aktive Bedarfskühlung angeschaltet, wobei im Bereich der Traktionsbatterie dieselbe Wasserkühlungsvorrichtung genutzt wird und lediglich die Wärmeabfuhr aus dem Kühlwasser von der im Wesentlichen passiven Luftkühlung auf die aktive Kältemittelkühlung umgeschaltet wird. Bevorzugt weist die Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung hierzu einen eigenen Verdampfer auf, der den thermischen Kontakt zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreises der Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung mit dem Wasserkühlkreis der Grundkühlungsvorrichtung koppelt.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Grundkühlungsvorrichtung eine Luftkühlungsanordnung umfasst, mittels derer zur Grundkühlung der Traktionsbatterie Kühlluft angesaugt und die Traktionsbatterie mit der angesaugten Kühlluft um- und/oder durchströmt wird. Insbesondere kann dies als passive Kühlung gestaltet sein, bei der die Ansaugung durch geeignete Formgebung von Strömungskanälen realisiert wird. Alternativ ist selbstverständlich auch eine aktive Luftkühlung, beispielsweise mit Gebläsen, bevorzugt elektrisch angetriebenen Gebläsen möglich. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kühlluft aus der Fahrgastzelle angesaugt wird, was im Fall einer angeschalteten Fahrgastzellen-Klimatisierung zur Ansaugung besonders kalter Kühlluft und bei ausgeschalteter Fahrgastzellen-Klimatisierung zu einer Luftströmung innerhalb der Fahrgastzelle und somit zu einer Verbesserung des dortigen Raumklimas auch ohne aktive Klimatisierung führt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Kühlkreisanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Kühl- und Klimatisierungsvorrichtung 10 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welche grundsätzlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Kühl- und Klimatisierungsvorrichtung 10 umfasst einen Kühlabschnitt 12, dessen vornehmliche Aufgabe die Kühlung einer Traktionsbatterie 14 ist, sowie einen Klimatisierungsabschnitt 16, der vornehmlich der Klimatisierung eines nicht dargestellten Fahrzeuginnenraums, insbesondere der Fahrgastzelle dient. Der Klimatisierungsabschnitt 16 ist im Wesentlichen in herkömmlicher Weise aufgebaut und umfasst einen Kältemittelkreis mit einem Kompressor 161, in dem das Kältemittel komprimiert wird, einem Kondensator 162, in dem das komprimierte Kältemittel kondensiert wird, einem ersten Drosselventil 163, in welchem das kondensierte Kältemittel entspannt wird und einem ersten Verdampfer 164, in dem das entspannte Kältemittel verdampft wird. Der erste Verdampfer 164 ist als Kältemittel/Luft-Wärmetauscher ausgebildet und wird von einem Klimatisierungsluftstrom 165 durchströmt. Dieser kann je nach Einstellung und Fahrerwunsch als Frischluftstrom aus der Umgebung des Fahrzeugs oder als Umluftstrom aus dem Innenraum des Fahrzeugs angesaugt werden. Bei seiner Passage durch den ersten Verdampfer 164 nimmt er die bei der Verdampfung des Kältemittels entstehende Kälte auf und trägt sie in den Fahrzeuginnenraum. Hinter dem ersten Verdampfer 164 wird das Kältemittel erneut dem Kompressor 161 zugeführt.
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Der Kühlabschnitt 12 ist im Wesentlichen als herkömmliche Wasserkühlung der Traktionsbatterie 14 ausgebildet und umfasst einen Kühlwasserkreis mit einer Pumpe 121 und einem als Wasser/Luft-Wärmetauscher ausgebildeten Kühler 122. Der Kühler 122 wird von einem Frischluftstrom 123 durchströmt und nimmt dabei im Kühlwasser enthaltende Wärme auf und führt diese ab. Das so gekühlte Wasser um- oder durchströmt die Traktionsbatterie 14, was in 1 durch eine Kühlschlangenanordnung 124 angedeutet ist.
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Dabei nimmt das Kühlwasser der Traktionsbatterie 14 entstehende Wärme auf und führt diese ab, sodass die Traktionsbatterie 14 gekühlt wird. Die Effizienz dieser Kühlung hängt wesentlich von den Außentemperaturen, d.h. der Temperatur des Frischluftstroms 123 ab.
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Zwischen den beiden Abschnitten 12, 16 der Kühl- und Klimatisierungsvorrichtung 10 besteht eine Verbindung in Form eines als Kältemittel/Wasser-Wärmetauscher ausgebildeten zweiten Verdampfers 166 im Kältemittelkreis des Klimatisierungsabschnittes 16. Der zweite Verdampfer 161 ist dem ersten Verdampfer 164 parallel geschaltet, ihm ist ein zweites Drosselventil 167 vorgeschaltet. Im Gegensatz zum ersten Verdampfer 164 steht der zweite Verdampfer 166 nicht in thermischem Kontakt mit einem Luftstrom, sondern in thermischem Kontakt mit einem Abzweig des Wasserkreislaufs des Kühlabschnitts 12. Dieser Abzweig ist in 1 als den zweiten Verdampfer 166 umlaufende Kühlschlangenanordnung 125 ausgebildet. Mittels zweier Schaltventile 126, 127 lässt sich der luftdurchströmte Kühler 122 vom Wasserkreis des Kühlabschnitts 12 abkoppeln und an seiner statt die den zweiten Verdampfer 166 kontaktierende Kühlschlangenanordnung 125 ankoppeln. Durch Schaltung der Schaltventile 126, 127 lässt sich also die Wasserkühlung der Traktionsbatterie 14 von einer im Wesentlichen passiven, luftbasierten Wasserkühlung zu einer aktiven, kältemittelbasierten Wasserkühlung umschalten.
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Dem grundlegenden, erfindungsgemäßen Prinzip folgend, kann diese Umschaltung insbesondere bei Anschaltung der Innenraumklimatisierung, d.h. beim Einschalten des Kältemittelkompressors 161 erfolgen. Durch geeignete Steuerung der Drosselventile 163, 167 kann die Stärke der effektiven Traktionsbatterie-Kühlung eingestellt werden. Bevorzugt erfolgt diese Einstellung so, dass die für die Kühlung der Traktionsbatterie 14 aufgewandte Kühlleistung zugleich mit der für die Klimatisierung des Innenraums aufgewandten Klimatisierungsleistung wächst.
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Natürlich stellt die in der speziellen Beschreibung diskutierte und in der Figur gezeigte Ausführungsform nur ein illustratives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist bei Durchführung des erfindungsgemäßen Konzeptes keine konstruktive Verbindung zwischen dem Kühlabschnitt 12 und dem Klimatisierungsabschnitt 16 der Kühl- und Klimatisierungsvorrichtung 10 erforderlich. Im Falle, dass doch eine solche Verbindung vorliegt, muss diese nicht zwingend in Form eines zweiten, parallel geschalteten Verdampfers 166 erfolgen. Beispielsweise kann auch ein mit dem ersten Verdampfer in Reihe geschalteter, zweiter Verdampfer verwendet werden; auch ist die Verwendung nur eines Verdampfers, der sowohl als Klimatisierungswie auch als Kühlverdampfer verwendet wird, denkbar. Schließlich ist es auch möglich, auf die durch den Luftkühler 122 realisierte Grundkühlung der Traktionsbatterie 14 zu verzichten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühl- und Klimatisierungsvorrichtung
- 12
- Kühlabschnitt von 10; Grundkühlungsvorrichtung
- 121
- Pumpe
- 122
- Luftkühler; Luft/Wasser-Wärmetauscher
- 123
- Frischluftstrom
- 124
- Kühlschlangenanordnung
- 125
- Kühlschlangenanordnung
- 126
- Schaltventil
- 127
- Schaltventil
- 14
- Traktionsbatterie
- 16
- Klimatisierungsabschnitt von 10; Fahrgastzellen-Klimatisierungsvorrichtung
- 161
- Kompressor
- 162
- Kondensator
- 163
- erstes Drosselventil
- 164
- erster Verdampfer
- 165
- Luftstrom
- 166
- zweiter Verdampfer; Kältemittel/Wasser-Wärmetauscher
- 167
- zweites Drosselventil
