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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Heizanordnung für ein Elektro- oder Hybridraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Heizanordnung, die nach dem Verfahren steuerbar oder regelbar ist.
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In einem Elektro- oder Hybridraftfahrzeug müssen die Arbeitstemperatur der Traktionsbatterie und die Wohlfühltemperatur in der Fahrgastkabine sichergestellt sein. Die Fahrgastkabine und die Traktionsbatterie können beispielsweise durch eine Heizanordnung geheizt werden. Dabei kann das Kühlmittel in einem elektrischen Kühlmittelheizer geheizt und die Wärmeenergie zu einer Batterieheizung sowie zu einer Kabinenheizung durch das Kühlmittel transportiert werden. Die Batterieheizung umfasst üblicherweise mehrere Kühlmittelkanäle, in denen das aufgeheizte Kühlmittel strömen und die Wärmeenergie an einzelne Batteriezellen der Traktionsbatterie abgeben kann. In der Kabinenheizung wird die Wärmeenergie des Kühlmittels an die die Kabinenheizung durchströmende Luft abgegeben, die anschließend in die Fahrgastkabine strömt und für die Wohlfühltemperatur und den Fahrgastkomfort in der Fahrgastkabine sorgt.
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Insbesondere in kalten Tagen kann der Energiebedarf zum Heizen der Fahrgastkabine und der Traktionsbatterie hoch sein. Die Energie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine wird dabei der Traktionsbatterie in elektrischer Form entzogen und steht somit dem Vortrieb nicht zur Verfügung. Dadurch wird die Reichweite insbesondere des Elektro- oder Hybridfahrzeuges nachteilig reduziert.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Steuern oder zum Regeln einer Heizanordnung der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, bei dem die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Heizanordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Heizleistung in einem Elektro- oder Hybridraftfahrzeug abhängig von dem tatsächlichen Energiebedarf zu steuern oder zu regeln. Eine Heizanordnung für ein Elektro- oder Hybridraftfahrzeug weist einen Kühlmittelheizer zum Heizen eines Kühlmittels, eine stromab des Kühlmittelheizers angeschlossene Batterieheizung zum Heizen einer Traktionsbatterie mit dem aufgeheizten Kühlmittel, eine stromab des Kühlmittelheizers angeschlossene Kabinenheizung zum Heizen einer Fahrgastkabine mit einer durch das aufgeheizte Kühlmittel aufgeheizten Luft und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung auf. In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern oder Regeln der Heizanordnung werden durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung eine in der Batterieheizung tatsächlich abgegebene Batterieabgabeleistung und eine in der Kabinenheizung tatsächlich abgegebene Kabinenabgabeleistung bestimmt. Nachfolgend wird durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung eine Bedarfsheizleistung des Kühlmittelheizers aus einer Summe der Batterieabgabeleistung und der Kabinenabgabeleistung bestimmt. Anschließend wird der Kühlmittelheizer durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung auf die Bedarfsheizleistung gesteuert oder geregelt.
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Die Batterieabgabeleistung ist dabei die Leistung, die durch die Batterieheizung tatsächlich abgeführt beziehungsweise abgegeben wird. Die Batterieabgabeleistung kann sich dabei von einer Batterieheizleistung - also von der an die Traktionsbatterie abgegebenen Leistung - aufgrund der in der Heizanordnung entstehenden Energieverluste unterscheiden. Die Kabinenabgabeleistung ist die Leistung, die durch die Kabinenheizung tatsächlich abgeführt beziehungsweise abgegeben wird. Die Kabinenabgabeleistung kann sich dabei von einer Kabinenheizleistung - also von der an die die Kabinenheizung durchströmende Luft abgegebenen Leistung - aufgrund der in der Heizanordnung entstehenden Energieverluste unterscheiden. Die Bedarfsheizleistung entspricht dabei der Summe der Batterieabgabeleistung und der Kabinenabgabeleistung.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung die Batterieabgabeleistung und die Kabinenabgabeleistung bestimmt und anschließend die Bedarfsheizleistung berechnet. Anschließend wird der Kühlmittelheizer auf die Bedarfsheizleistung gesteuert oder geregelt. Auf diese vorteilhafte Weise kann die Heizanordnung bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt und die Energieverluste in der Heizanordnung reduziert werden. Insbesondere kann die Leistung des Kühlmittelheizers auf ein aktuell notwendiges Minimum - also auf die Bedarfsheizleistung - reduziert werden, wodurch die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann in dem Verfahren vorgesehen sein, dass die Batterieabgabeleistung aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie und/oder von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie und/oder von einem Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie bestimmt wird. Alternativ kann die Batterieabgabeleistung abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie und/oder von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie und/oder von einem Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie und/oder von einer spezifischen Wärmekapazität des Kühlmittels berechnet wird. Dabei kann zuerst eine Differenz der Temperaturen des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt und am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie berechnet und diese anschließend mit dem Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmittels - beispielweise eines Wasser-Glysantin Gemischs - multipliziert werden. Die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie kann beispielweise aus einer Temperatur einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie am Kühlmittelaustritt des Kühlmittels mit einer Korrektur berechnet werden. Die Korrektur kann beispielsweise wärmeverlustabhängig vorgenommen werden und Erfahrungswerten beziehungsweise auf Messwerten der jeweiligen Applikation basieren. Die Korrektur der Temperatur einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie am Kühlmittelaustritt des Kühlmittels kann notwendig sein, um eine Abweichung aufgrund einer elektrischen Isolation der einzelnen Batteriezellen von dem Kühlmittel zu minimieren. Die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie kann beispielsweise aus einer Temperatur einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie am Kühlmitteleintritt des Kühlmittels mit einer Korrektur berechnet werden. Die Korrektur kann beispielsweise wärmeverlustabhängig vorgenommen werden. Die Korrektur der Temperatur einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie am Kühlmitteleintritt des Kühlmittels kann notwendig sein, um eine Abweichung aufgrund einer elektrischen Isolation und einer dadurch reduzierten Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem Kühlmittel zu minimieren. Üblicherweise werden die Temperaturen der einzelnen Batteriezellen in der Traktionsbatterie am Kühlmitteleintritt und am Kühlmittelaustritt des Kühlmittels durch ein Batteriemanagementsystem überwacht und die entsprechenden Werte können abgerufen werden. Alternativ oder zusätzlich können diese Werte durch zusätzliche Temperatursensoren an dem Kühlmitteleintritt und an dem Kühlmittelaustritt des Kühlmittels in die einzelnen Batteriezellen der Traktionsbatterie ermittelt werden. Ein Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie kann aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung und/oder von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt des Kühlmittelheizers und/oder von einer Spannung an einer das Kühlmittel fördernden Pumpe bestimmt werden. Anschließend kann der Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie mit einer Temperatur der Umgebung zu dem Massenstrom des Kühlmittels durch die Traktionsbatterie wärmeverlustabhängig korrigiert werden.
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Vorteilhafterweise kann in dem Verfahren vorgesehen sein, dass die Kabinenabgabeleistung aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur einer die Kabinenheizung durchströmenden Luft am Lufteintritt der Kabinenheizung und/oder von einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung und/oder von einem Massenstrom der Luft durch die Kabinenheizung bestimmt wird. Die Temperatur der die Kabinenheizung durchströmenden Luft am Lufteintritt der Kabinenheizung kann beispielsweise mit einem Temperatursensor oder einem Verdampferfühler bestimmt werden. Alternativ kann die Temperatur der die Kabinenheizung durchströmenden Luft am Lufteintritt der Kabinenheizung gleich der Temperatur der Umgebung gesetzt werden. Die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung kann beispielsweise aus einer Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt des Kühlmittelheizers mit einer wärmeverlustabhängigen Korrektur berechnet werden. Der Massenstrom der Luft durch die Kabinenheizung kann beispielsweise aus einem Kennfeld abhängig von einer Spannung an einem die Luft durch die Kabinenheizung fördernden Gebläse und/oder von einem Druckabfall der Luft in der Kabinenheizung und/oder von einer Temperatur der Umgebung und/oder mit einer von einer Luftdurchlassmenge der Kabinenheizung abhängigen Korrektur bestimmt werden. Die Luftdurchlassmenge kann dabei von der Stellung einer Luftklappe abhängen, die die Menge der durch die Kabinenheizung durchströmenden Luft durch ihre Stellung - beispielsweise ihre Winkellage - verändern kann. Zweckgemäß kann die Luftklappe vor oder nach dem die Luft durch die Kabinenheizung fördernden Gebläse angeordnet werden.
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In dem Verfahren kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass eine Kabinenheizleistung der Kabinenheizung durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung abhängig von einer Temperatur der Innenluft in der Fahrgastkabine gesteuert oder geregelt wird. Vorgesehen kann auch sein, dass eine Batterieheizleistung der Batterieheizung durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung abhängig von einer Differenz der Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt der Batterieheizung und der Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt der Batterieheizung gesteuert oder geregelt wird. Insbesondere können die Kabinenheizleistung und die Batterieheizleistung auf jeweils ein aktuell notwendiges Minimum gesteuert oder geregelt werden, so dass die Energieverluste in der Heizanordnung reduziert werden können. Auf diese vorteilhafte Weise kann die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsweise des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Heizanordnung durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung abhängig von der Batterieabgabeleistung und/oder von der Kabinenabgabeleistung und/oder von der Bedarfsheizleistung in einen Gesamtheizmodus oder in einen Batterieheizmodus oder in einen Kabinenheizmodus umgeschaltet wird. In dem Gesamtheizmodus kann dabei die Batterieheizung und die Kabinenheizung stromab des Kühlmittelheizers in Reihe angeschlossen werden. In dem Gesamtheizmodus kann das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel durch die Kabinenheizung und durch die Batterieheizung strömen, so dass in dem Gesamtheizmodus die Traktionsbatterie und die Fahrgastkabine geheizt werden. In dem Batterieheizmodus können die Batterieheizung stromab des Kühlmittelheizers angeschlossen und die Kabinenheizung an den Kühlmittelheizer nicht angeschlossen werden. In dem Batterieheizmodus kann das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel nur durch die Batterieheizung strömen, so dass die Fahrgastkabine nicht geheizt und die Traktionsbatterie geheizt werden. In dem Kabinenheizmodus kann die Kabinenheizung stromab des Kühlmittelheizers angeschlossen und die Batterieheizung an den Kühlmittelheizer nicht angeschlossen werden. In dem Kabinenheizmodus kann das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel nur durch die Kabinenheizung strömen, so dass die Traktionsbatterie nicht geheizt und die Fahrgastkabine geheizt werden. Durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung kann die Heizanordnung zwischen dem Gesamtheizmodus, dem Batterieheizmodus und dem Kabinenheizmodus umgeschaltet werden, so dass die Heizanordnung bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt werden kann. Dadurch kann die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden.
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Zusammenfassend kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Kühlmittelheizer auf ein aktuell notwendiges Minimum und die Heizanordnung bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt werden. Insbesondere können dadurch die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Heizanordnung für ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug. Die Heizanordnung weist dabei einen Kühlmittelheizer zum Heizen eines Kühlmittels, eine Batterieheizung zum Heizen einer Traktionsbatterie mit dem aufgeheizten Kühlmittel und eine Kabinenheizung zum Heizen einer Fahrgastkabine mit einer durch das aufgeheizte Kühlmittel aufgeheizten Luft auf. Dabei sind die Kabinenheizung und die Batterieheizung stromab des Kühlmittelheizers angeschlossen. Ferner weist die Heizanordnung eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung zum Steuern oder zum Regeln der Heizanordnung auf. Erfindungsgemäß ist die Heizanordnung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgestaltet. Mit dem oben beschriebenen Verfahren ist die Heizanordnung bedarfsgerecht steuerbar oder regelbar, so dass die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann. Der Kühlmittelheizer kann beispielsweise ein elektrischer Heizer sein.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Heizanordnung durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung in einen Gesamtheizmodus umschaltbar ist, wobei in dem Gesamtheizmodus die Batterieheizung und die Kabinenheizung stromab des Kühlmittelheizers in Reihe angeschlossen sind. In dem Gesamtheizmodus sind die Kabinenheizung und die Batterieheizung durch das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel durchströmbar, so dass in dem Gesamtheizmodus die Traktionsbatterie und die Fahrgastkabine geheizt werden können. Die Heizanordnung kann ferner durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung in einen Batterieheizmodus umschaltbar sein, wobei in dem Batterieheizmodus die Batterieheizung stromab des Heizers angeschlossen und die Kabinenheizung an den Kühlmittelheizer nicht angeschlossen sind. In dem Batterieheizmodus ist nur die Batterieheizung durch das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel durchströmbar, so dass die Fahrgastkabine nicht geheizt und die Traktionsbatterie geheizt werden. Die Heizanordnung kann zudem durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung in einen Kabinenheizmodus umschaltbar sein, wobei in dem Kabinenheizmodus die Kabinenheizung stromab des Heizers angeschlossen und die Batterieheizung an den Kühlmittelheizer nicht angeschlossen sind. In dem Kabinenheizmodus ist nur die Kabinenheizung durch das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel durchströmbar, so dass die Traktionsbatterie nicht geheizt und die Fahrgastkabine geheizt werden. Durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung ist die Heizanordnung bedarfsgerecht steuerbar oder regelbar, so dass die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
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Um ein bedarfsgerechtes Steuern oder Regeln der Heizanordnung zu ermöglichen, kann die Heizanordnung eine Bypassleitung aufweisen, die mit der Batterieheizung und mit der Kabinenheizung in Reihe schaltbar ist. Durch die Bypassleitung kann die Batterieheizung oder die Kabinenheizung in Reihe angeschlossen sein, so dass ein Umschalten der Heizanordnung in den Gesamtheizmodus, in den Batterieheizmodus oder in den Kabinenheizmodus möglich ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizanordnung ist vorgesehen, dass dem Kühlmittelheizer stromab und der Kabinenheizung und der Batterieheizung stromauf eine erste steuerbare oder regelbare Ventilanordnung angeschlossen ist. Die Ventilanordnung kann dabei ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares 4/2-Wegeventil oder ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares 3/2-Wegeventil oder zwei Absperrventile umfassen. Das 4/2-Wegeventil weist dabei vier Anschlüsse auf und kann zwischen zwei Wegen schalten. Das 3/2-Wegeventil weist drei Anschlüsse auf und kann zwischen zwei Wegen schalten. Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass der Kabinenheizung und der Batterieheizung stromab eine zweite steuerbare oder regelbare Ventilanordnung angeschlossen ist. Die zweite Ventilanordnung kann beispielweise ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares 3/2-Wegeventil oder zwei Absperrventile umfassen. Insbesondere ist durch die erste Ventilanordnung und/oder die zweite Ventilanordnung die Heizanordnung in den Gesamtheizmodus, in den Batterieheizmodus oder in den Kabinenheizmodus umschaltbar und bedarfsgerecht steuerbar oder regelbar. Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Bypassleitung an die erste Ventilanordnung und/oder an die zweite Ventilanordnung angeschlossen ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Heizanordnung kann die Kabinenheizung einen mit dem Kühlmittel durchströmbaren Heizkörper und ein Gebläse zum Fördern der Luft durch den Heizkörper umfassen. Der Heizkörper ist dabei durch das in dem Kühlmittelheizer aufgeheizte Kühlmittel durchströmbar, das die gespeicherte Wärmeenergie an die durch den Heizkörper geförderte Luft abgeben kann. Das Gebläse kann dabei sowohl vor als auch nach dem Heizkörper angeordnet sein. Ferner kann die Kabinenheizung eine Luftklappe umfassen, die vor oder nach dem Gebläse angeordnet ist. Die Luftklappe kann die Luftdurchlassmenge - also die Menge der durch die Kabinenheizung durchströmenden Luft - abhängig von ihrer Stellung - beispielsweise ihrer Winkellage - verändern. Vorteilhafterweise kann die Kabinenheizung ein Teil einer Klimaanlage des Elektro- oder Hybridraftfahrzeugs sein.
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Zusammenfassend kann in der erfindungsgemäßen Heizanordnung der Kühlmittelheizer bedarfsabhängig durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung gesteuert oder geregelt werden. Insbesondere kann dadurch die Energie der Traktionsbatterie zum Heizen der Traktionsbatterie und der Fahrgastkabine eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Heizanordnung in einer ersten Ausführungsform in einem Gesamtheizmodus;
- 2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Heizanordnung in der ersten Ausführungsform in einem Batterieheizmodus;
- 3 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Heizanordnung in der ersten Ausführungsform in einem Kabinenheizmodus;
- 4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Heizanordnung in einer zweiten Ausführungsform in einem Gesamtheizmodus;
- 5 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Heizanordnung in der zweiten Ausführungsform in einem Batterieheizmodus;
- 6 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Heizanordnung in der zweiten Ausführungsform in einem Kabinenheizmodus;
- 7 Verfahrensschritte zum Bestimmen einer Batterieabgabeleistung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
- 8 Verfahrensschritte zum Bestimmen einer Kabinenabgabeleistung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 bis 3 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Heizanordnung 1 in einer ersten Ausführungsform. Die Heizanordnung 1 weist dabei einen Kühlmittelheizer 2 auf, der durch ein Kühlmittel 3 - beispielweise ein Wasser-Glysantin Gemisch - durchströmbar ist. Der Kühlmittelheizer 2 kann beispielweise ein elektrischer Heizer sein, in dem das Kühlmittel 3 aufheizbar ist. Ferner weist die Heizanordnung 1 eine Batterieheizung 4, die dem Kühlmittelheizer 2 stromab angeschlossen ist. Die Batterieheizung 4 kann mehrere Kühlmittelkanäle umfassen, die mit einer Traktionsbatterie 5 beziehungsweise mit einzelnen Batteriezellen der Traktionsbatterie 5 wärmeübertragend verbunden sind. Die Batterieheizung 4 ist durch das aufgeheizte Kühlmittel 3 durchströmbar, so dass die in dem aufgeheizten Kühlmittel 3 gespeicherte Wärmeenergie an die Traktionsbatterie 5 beziehungsweise an die einzelnen Batteriezellen der Traktionsbatterie 5 abgeben werden kann. Ferner weist die Heizanordnung 1 eine Kabinenheizung 6, die hier einen Heizkörper 7 und ein Gebläse 8 zum Fördern der Luft 9 durch den Heizkörper 7 umfasst. Der Heizkörper 7 ist ferner durch das Kühlmittel 3 durchströmbar, so dass die in dem Kühlmittel 3 gespeicherte Wärmeenergie an die Luft 9 abgegeben werden kann. Die in der Kabinenheizung 6 aufgeheizte Luft 9 kann anschließend in eine Fahrgastkabine 11 strömen und diese aufheizen. Die Kabinenheizung 6 ist dem Kühlmittelheizer 2 stromab angeschlossen und kann beispielweise ein Teil einer Klimaanlage 10 sein. Die Heizanordnung 1 weist ferner eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 auf, die signalübertragend - hier nicht gezeigt - mit dem Kühlmittelheizer 2, der Batterieheizung 4 und der Kabinenheizung 6 verbunden ist. Ferner kann die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 auch mit weiteren Bestandteilen der Heizanordnung 1 und/oder mit externen Bestandteilen eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs signalübertragend verbunden sein.
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In einem Kühlmittelkreislauf 13 wird der Kühlmittelheizer 2 über eine Kühlmittelheizleitung 14a und 14b, die Batterieheizung 4 über eine Batterieheizleitung 15a und 15b und die Kabinenheizung 6 über eine Kabinenheizleitung 16a und 16b durch das Kühlmittel 3 durchströmt, wie mit Pfeilen angedeutet ist. Die Batterieheizleitung 15a und die Kabinenheizleitung 16a sind in einem Verteilerknoten 17a und die Batterieheizleitung 15b und die Kabinenheizleitung 16b in einem Sammelknoten 17b fluidisch an den Kühlmittelkreislauf 13 angeschlossen. Der Verteilerknoten 17a liegt dabei dem Kühlmittelheizer 2 stromab, so dass das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in die Batterieheizung 4 und in die Kabinenheizung 6 strömen kann. Nach dem Durchströmen der Batterieheizung 4 und der Kabinenheizung 6 kann das Kühlmittel 3 ab dem Sammelknoten 17b über eine Sammelleitung 18 weiter zu dem Kühlmittelheizer 2 strömen. Die Heizanordnung 1 weist ferner eine Bypassleitung 19 auf, die an einer ersten Bypassstelle 19a stromauf und an einer zweiten Bypassstelle 19b stromab der Batterieheizung 4 und der Kabinenheizung 6 angeschlossen ist. Die erste Bypassstelle 19a und die zweite Bypassstelle 19b sind beide dem Kühlmittelheizer 2 stromab angeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel fällt die erste Bypassstelle 19a mit dem Verteilerknoten 17a zusammen und die zweite Bypassstelle 19b ist der Kabinenheizung 6 stromab und dem Sammelknoten 17b stromauf an die Kabinenheizleitung 16b angeschlossen.
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Ferner weist die Heizanordnung 1 eine erste steuerbare oder regelbare Ventilanordnung 20a mit einem schaltbaren oder steuerbaren oder regelbaren 4/2-Wegeventil 21 auf. Die erste Ventilanordnung 20a ist dem Kühlmittelheizer 2 stromab und der Batterieheizung 4 und der Kabinenheizung 6 stromauf angeschlossen. Das 4/2-Wegeventil 21 ist in dem Verteilerknoten 17a angeordnet und verbindet fluidisch die Kühlmittelheizleitung 14b, die Batterieheizleitung 15a, die Kabinenheizleitung 16a und die Bypassleitung 19. Eine zweite steuerbare oder regelbare Ventilanordnung 20a der Heizanordnung 1 ist stromab der Batterieheizung 4 und der Kabinenheizung 6 an den Kühlmittelkreislauf 13 angeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Ventilanordnung 20b zwei Absperrventile 22a und 22b. Das eine Absperrventil 22a ist dabei zwischen der zweiten Bypassstelle 19b und dem Sammelknoten 17b an die Kabinenheizleitung 16b angeschlossen. Das andere Absperrventil 22b ist an der Bypassleitung 19 zwischen der ersten Bypassstelle 19a und der zweiten Bypassstelle 19b angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Heizanordnung 1 ist zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens 23 ausgestaltet. In dem erfindungsgemäßen Verfahren 23 wird die Heizanordnung 1 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt. Dadurch kann die Energie der Traktionsbatterie 5 zum Heizen der Traktionsbatterie 5 und der Fahrgastkabine 11 eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann die Heizanordnung 1 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 in einen Gesamtheizmodus, in einen Batterieheizmodus und in einen Kabinenheizmodus umgeschaltet werden.
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1 zeigt die Heizanordnung 1 in der ersten Ausführungsform in dem Gesamtheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Gesamtheizmodus gemäß 1 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 4/2-Wegeventil 21 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Kabinenheizleitung 16a und weiter über die Kabinenheizung 6 in die Kabinenheizleistung 16b zu der Bypassstelle 19b geleitet. Das Absperrventil 22a ist geschlossen, so dass das Kühlmittel 3 von der Bypassstelle 19b über das geöffneten Absperrventil 22b der zweiten Ventilanordnung 22b zu der ersten Bypassstelle 19a beziehungsweise zu dem Verteilerknoten 17a strömt. In dem Verteilerknoten 17a wird das Kühlmittel 3 durch das 4/2-Wegeventil 21 der ersten Ventilanordnung 20a in die Batterieheizleitung 15a geleitet. Das Kühlmittel 3 strömt weiter zu der Batterieheizung 4, über die Batterieheizleitung 15b zu dem Sammelknoten 17b und anschließend in die Sammelleitung 18. In dem Gesamtheizmodus sind die Kabinenheizung 6 und die Batterieheizung 4 in Reihe angeschlossen und werden durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 nacheinander durchströmt. Entsprechend werden in dem Gesamtheizmodus die Fahrgastkabine 11 und die Traktionsbatterie 5 geheizt.
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2 zeigt die Heizanordnung 1 in der ersten Ausführungsform in dem Batterieheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Batterieheizmodus gemäß 2 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 4/2-Wegeventil 21 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Batterieheizleitung 15a und weiter über die Batterieheizung 4 in die Batterieheizleitung 15b zu dem Sammelknoten 17b geleitet. Das Absperrventil 22a bleibt geschlossen, so dass das Kühlmittel 3 von dem Sammelknoten 17b in die Sammelleitung 18 strömt. In dem Batterieheizmodul ist die Kabinenheizung 6 aus dem Kühlmittelkreislauf 13 ausgeschlossen und nur die Batterieheizung 4 wird durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 durchströmt. Entsprechend wird in dem Batterieheizmodul nur die Traktionsbatterie 5 geheizt.
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3 zeigt die Heizanordnung 1 in der ersten Ausführungsform in dem Kabinenheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Kabinenheizmodus gemäß 3 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 4/2-Wegeventil 21 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Kabinenheizleitung 16a und weiter über die Kabinenheizung 6 in die Kabinenheizleistung 16b zu der Bypassstelle 19b geleitet. Das Absperrventil 22b der zweiten Ventilanordnung 20b bleibt geschlossen, so dass das Kühlmittel 3 von der Bypassstelle 19b über das geöffnete Absperrventil 22a der zweiten Ventilanordnung 20b zu dem Sammelknoten 17a und weiter in die Sammelleitung 18 strömt. In dem Kabinenheizmodus ist die Batterieheizung 4 aus dem Kühlmittelkreislauf 13 ausgeschlossen und nur die Kabinenheizung 6 wird durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 durchströmt. Entsprechend wird in dem Kabinenheizmodus nur die Fahrgastkabine 11 geheizt.
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4 bis 6 zeigen schematische Ansichten der erfindungsgemäßen Heizanordnung 1 in einer zweiten Ausführungsform. In der Heizanordnung 1 in der zweiten Ausführungsform weist die erste Ventilanordnung 20a ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares 3/2-Wegeventil 24 auf. Das 3/2-Wegeventil 24 ist in dem Verteilerknoten 17a festgelegt und verbindet die Kühlmittelheizleitung 14b, die Batterieheizleitung 15a und die Kabinenheizleitung 16a fluidisch miteinander. Die Bypassleitung 19 ist hier an der ersten Bypassstelle 19a an die Batterieheizleitung 15a angeschlossen. Die zweite Ventilanordnung 20b umfasst hier ein 3/2-Wegeventil 25, der an der Bypassstelle 19b angeschlossen ist und die Bypassleitung 19 an die Kabinenheizleitung 16b anschließt. Im Übrigen entspricht die hier gezeigte Heizanordnung 1 in der zweiten Ausführungsform der in 1 bis 3 gezeigten Heizanordnung 1 in der ersten Ausführungsform.
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Die Heizanordnung 1 ist zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens 23 ausgestaltet, in dem die Heizanordnung 1 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt wird. Dadurch kann die Energie der Traktionsbatterie 5 zum Heizen der Traktionsbatterie 5 und der Fahrgastkabine 11 eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann die Heizanordnung 1 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 in den Gesamtheizmodus, in den Batterieheizmodus und in den Kabinenheizmodus umgeschaltet werden.
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4 zeigt die Heizanordnung 1 in der zweiten Ausführungsform in dem Gesamtheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Gesamtheizmodus gemäß 4 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 3/2-Wegeventil 24 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Kabinenheizleitung 16a und weiter über die Kabinenheizung 6 in die Kabinenheizleistung 16b zu der Bypassstelle 19b geleitet. Das 3/2-Wegeventil 25 der zweiten Ventilanordnung 20b leitet das Kühlmittel 3 von der Bypassstelle 19b über die Bypassleitung 19 zu der ersten Bypassstelle 19a. An der Bypassstelle 19a strömt das Kühlmittel 3 in die Batterieheizleitung 15a und weiter zu der Batterieheizung 4. Über die Batterieheizleitung 15b strömt das Kühlmittel 3 weiter zu dem Sammelknoten 17b und anschließend in die Sammelleitung 18. In dem Gesamtheizmodus sind die Kabinenheizung 6 und die Batterieheizung 4 in Reihe angeschlossen und werden durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 nacheinander durchströmt. Entsprechend werden in dem Gesamtheizmodus die Fahrgastkabine 11 und die Traktionsbatterie 5 geheizt.
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5 zeigt die Heizanordnung 1 in der zweiten Ausführungsform in dem Batterieheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Batterieheizmodus gemäß 5 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 3/2-Wegeventil 24 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Batterieheizleitung 15a und weiter über die Batterieheizung 4 in die Batterieheizleitung 15b zu dem Sammelknoten 17b geleitet. Das 3/2-Wegeventil 25 bleibt derart geschlossen, dass das Kühlmittel 3 von dem Sammelknoten 17b in die Sammelleitung 18 strömt. In dem Batterieheizmodul ist die Kabinenheizung 6 aus dem Kühlmittelkreislauf 13 ausgeschlossen und nur die Batterieheizung 4 wird durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 durchströmt. Entsprechend wird in dem Batterieheizmodul nur die Traktionsbatterie 5 geheizt.
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6 zeigt die Heizanordnung 1 in der zweiten Ausführungsform in dem Kabinenheizmodus. Die durch das Kühlmittel 3 durchströmbaren Leitungen sind mit durchgezogenen Linien und die durch das Kühlmittel 3 nicht durchströmbaren Leitungen sind hier mit unterbrochenen Linien angedeutet. In dem Kabinenheizmodus gemäß 6 wird das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 in dem Verteilerknoten 17a durch das 3/2-Wegeventil 24 der ersten Ventilanordnung 20a aus der Kühlmittelheizleitung 14b in die Kabinenheizleitung 16a und weiter über die Kabinenheizung 6 in die Kabinenheizleistung 16b zu der Bypassstelle 19b geleitet. Das 3/2-Wegeventil 25 ist so geöffnet, dass das Kühlmittel 3 von der Bypassstelle 19b über das 3/2-Wegeventil 25 der zweiten Ventilanordnung 22b zu dem Sammelknoten 17a strömt. Das 3/2-Wegeventil 24 der ersten Ventilanordnung 20a ist so geschlossen, dass das Kühlmittel 3 weiter in die Sammelleitung 18 strömt. In dem Kabinenheizmodus ist die Batterieheizung 4 aus dem Kühlmittelkreislauf ausgeschlossen und nur die Kabinenheizung 6 wird durch das in dem Kühlmittelheizer 2 aufgeheizte Kühlmittel 3 durchströmt. Entsprechend wird in dem Kabinenheizmodus nur die Fahrgastkabine 11 geheizt.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren 23 wird die Heizanordnung 1 bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt. Die entsprechenden Verfahrensschritte des Verfahrens 23 werden anhand 7 und 8 erläutert. Zum bedarfsgerechten Steuern oder Regeln der erfindungsgemäßen Heizanordnung 1 werden in dem Verfahren 23 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 eine in der Batterieheizung 4 tatsächlich abgegebene Batterieabgabeleistung QB gemäß 7 und eine in der Kabinenheizung 6 tatsächlich abgegebene Kabinenabgabeleistung QHK gemäß 8 bestimmt. Nachfolgend wird durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 eine Bedarfsheizleistung QH des Kühlmittelheizers aus einer Summe der Batterieabgabeleistung QB und der Kabinenabgabeleistung QHK bestimmt. Anschließend wird der Kühlmittelheizer 2 durch die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 12 auf die Bedarfsheizleistung QH gesteuert oder geregelt. Auf diese vorteilhafte Weise kann die Heizanordnung 1 bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt und die Energieverluste in der Heizanordnung 1 reduziert werden. Insbesondere kann die Leistung des Kühlmittelheizers 2 auf ein aktuell notwendiges Minimum - also auf die Bedarfsheizleistung QH - reduziert werden, wodurch die Energie der Traktionsbatterie 5 zum Heizen der Traktionsbatterie 5 und der Fahrgastkabine 11 eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
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7 zeigt nun Verfahrensschritte zum Bestimmen der Batterieabgabeleistung QB in dem erfindungsgemäßen Verfahren 23. Die Batterieabgabeleistung QB wird dabei aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur TKMBA des Kühlmittels 3 am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie 5, von einer Temperatur TKMBE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie 5 und von einem Massenstrom mKMB des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 bestimmt. Alternativ kann die Batterieabgabeleistung QH abhängig von einer Temperatur TKMBA des Kühlmittels 3 am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie 5 und von einer Temperatur TKMBE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie 5, von einem Massenstrom mKMB des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 und von einer spezifischen Wärmekapazität cpKM des Kühlmittels 3 berechnet wird. Dabei kann zuerst eine Differenz der Temperaturen TKMBE und TKMBA berechnet und diese anschließend mit dem Massenstrom mKMB und der spezifischen Wärmekapazität cpKM multipliziert werden.
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Die Temperatur TKMBA des Kühlmittels 3 am Kühlmittelaustritt der Traktionsbatterie 5 wird dabei aus einer Temperatur TZBA einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie 5 am Kühlmittelaustritt des Kühlmittels 3 mit einer wärmeverlustabhängigen Korrektur berechnet. Die Temperatur TKMBE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Traktionsbatterie 5 wird aus einer Temperatur TZBE einzelner Batteriezellen in der Traktionsbatterie 5 am Kühlmitteleintritt des Kühlmittels 3 mit einer wärmeverlustabhängigen Korrektur berechnet. Zum Bestimmen des Massenstroms mKMB des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 wird ein Massenstrom mKM des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur TKMHKE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung 6 und von einer Temperatur TKMHA des Kühlmittels 3 am Kühlmittelaustritt des Kühlmittelheizers 2 und von einer Spannung an einer das Kühlmittel fördernden Pumpe bestimmt. Anschließend wird der Massenstrom mKM des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 mit einer Temperatur TU der Umgebung zu dem Massenstrom mKMB des Kühlmittels 3 durch die Traktionsbatterie 5 wärmeverlustabhängig korrigiert.
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8 zeigt nun Verfahrensschritte zum Bestimmen der Kabinenabgabeleistung QHK in dem erfindungsgemäßen Verfahren 23. Die Kabinenabgabeleistung QHK wird dabei aus einem Kennfeld abhängig von einer Temperatur TLHKE der die Kabinenheizung 6 durchströmenden Luft 9 am Lufteintritt der Kabinenheizung 6, von einer Temperatur TKMHKE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung 6 und von einem Massenstrom mLHK der Luft 9 durch die Kabinenheizung 6 bestimmt. Die Temperatur TLHKE der die Kabinenheizung 6 durchströmenden Luft 9 am Lufteintritt der Kabinenheizung 6 kann mit einem Temperatursensor oder einem Verdampferfühler bestimmt werden. Alternativ kann die Temperatur TLHKE der die Kabinenheizung 6 durchströmenden Luft 9 am Lufteintritt der Kabinenheizung 6 gleich der Temperatur TU der Umgebung gesetzt werden. Die Temperatur TKMHKE des Kühlmittels 3 am Kühlmitteleintritt der Kabinenheizung 6 wird ferner aus einer Temperatur TKMHA des Kühlmittels 3 am Kühlmittelaustritt des Kühlmittelheizers 2 mit einer wärmeverlustabhängigen Korrektur berechnet. Der Massenstrom mLHK der Luft 9 durch die Kabinenheizung 6 wird aus einem Kennfeld abhängig von einer Spannung an dem die Luft 9 durch die Kabinenheizung 6 fördernden Gebläse 8, von einem Druckabfall dpHK der Luft 9 in der Kabinenheizung 6 und von einer Temperatur TU der Umgebung mit einer von einer Luftdurchlassmenge der Kabinenheizung 6 abhängigen Korrektur bestimmt.
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Zusammenfassend kann durch das erfindungsgemäße Verfahren 23 der Kühlmittelheizer 2 auf ein aktuell notwendiges Minimum und die Heizanordnung 1 bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt werden. Insbesondere können dadurch die Energie der Traktionsbatterie 5 zum Heizen der Traktionsbatterie 5 und der Fahrgastkabine 11 eingespart und dem Vortrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt werden.
