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Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein batteriebetriebenes elektrisches Fahrzeug mit mehreren, durch Verschaltung von steuerbaren Ventilen variablen Teilkreisläufen in einem Sekundärkreislaufsystem, ein entsprechendes Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Steuern des Wärmemanagementsystems.
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Batteriebetriebene elektrische Fahrzeuge (BEV) benötigen ein effektives Kühlsystem bei möglichst geringem Energieverbrauch. Besonders wird dafür ein sogenanntes Sekundärkreislauf-Wärmepumpen-System verwendet. Darin wird ein Zwischenmedium zum Anbinden eines Primärkreislaufs genutzt, der ein kompakter Kreislauf zum Bereitstellen einer Heiz- oder Kühlleistung ist, an elektrische Antriebskomponenten des Fahrzeugs, den Fahrzeuginnenraum und ggf. der Umgebung. Ein solches System weist herkömmlicherweise eine komplexe Topologie auf, um ein Kühlmittel mit verschiedener Temperatur je nach Bedarf an verschiedene Komponenten bzw. Bauteile des Fahrzeugs, wodurch verschiedene thermische Modi einstellbar sind. Nachteilig ist, dass die thermischen Modi üblicherweise nur unter Verwendung von mindestens 10 verschiedenen Steuerventilen zu verwirklichen sind. Bei weniger Steuerventilen wären wesentliche komplexere Bauweisen notwendig, die kosten- und entwicklungsaufwändig sowie anfällig sind.
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Es besteht die Aufgabe, ein robustes Wärmemanagementsystem mit flexiblen Einstellmöglichkeiten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1, ein Fahrzeug gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind auf vorteilhafte Weise kombinierbar.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein batteriebetriebenes elektrisches Fahrzeug, das einen von Kältemittel durchströmten, mindestens einen indirekten Verdampfer und mindestens einen indirekten Kondensator aufweisenden Primärkreislauf und einen Sekundärkreislauf aufweist, der mindestens einen ersten Teilkreislauf mit einer Kabinenkühleinrichtung, mindestens einen zweiten Teilkreislauf mit einer Kabinenheizeinrichtung, mindestens einen dritten, eine Batterie umströmenden Teilkreislauf und mindesten einen vierten, Bauteile der Leistungselektronik umströmenden und eine Wärmetauscheinrichtung durchfließenden Teilkreislauf umfasst, sowie eine Steuerungseinrichtung aufweist, wobei zum Antreiben eines Flüssigkeitsstroms in den Kreisläufen eine Anzahl von Pumpen und zum Regeln des Flüssigkeitsstroms im Sekundärkreislauf eine Anzahl von steuerbaren Ventilen im System angeordnet sind. Im System ist eine maximale Anzahl von fünf steuerbaren Ventilen angeordnet. Die Teilkreisläufe sind durch verschiedene Schaltmodi der steuerbaren Ventile miteinander verbindbar.
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Das erfindungsgemäße System ist vorteilhaft, weil eine volle Funktionalität mit einer relativ geringen Anzahl von steuerbaren Ventilen ermöglicht wird. Dabei ist die Ausbildung des Systems wesentlich; neuartige Bauteile, z.B. Ventile, müssen nicht bereitgestellt werden. Das System weist eine geringere Komplexität als vergleichbare herkömmliche Systems auf. Dadurch ist es weniger reparaturanfällig und robuster, wodurch es besonders kostengünstig ist.
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Die Erfindung stellt ein Wärmemanagementsystem bereit, bei dem die steuerbaren Ventile derart angeordnet sind, dass eine maximale Anzahl von fünf steuerbaren Ventilen zur Einstellen aller notwendigen thermischen Modi ausreichend ist. Steuerbare Ventile sind hier Ventile, deren Öffnungs- und Schließmodi durch Ansteuern über eine Steuerungseinrichtung eingestellt werden, im Unterschied zu Rückschlagventilen, die druckgesteuert funktionieren und nicht aktiv angesteuert werden müssen. Zum Vereinfachen werden sie hier synonym auch als Steuerventile bezeichnet.
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Durch den Primärkreislauf kann sowohl Kühlleistung als auch Heizleistung erzeugt werden, der indirekte Kondensator stellt dabei die „warme“ Seite und die indirekten Verdampfer (auch als „Chiller“ bezeichnet) stellen die „kalte“ Seite des Primärkreislaufs dar. Der Primärkreislauf ist so gesehen eine Baueinheit, die auch als „kompaktes Kältemittelsystem“ bezeichnet wird, weil darin Kältemittel fließt. Außerhalb dieser Baueinheit befindet sich in dem Wärmemanagementsystem der Sekundärkreislauf, in dem nur Kühlmittel fließt.
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Die Teilkreisläufe sind dabei keine fixen Kreisläufe, sondern durch Variationen der Strömung mittels verschiedene Ventileinstellungen variierbar. So kann ein Abschnitt eines bestimmten Teilkreislaufes (also eine bestimmte Leitung oder mehrere Leitungen) durch bestimmte Einstellungen der steuerbaren Ventile auch Teil eines anderen Teilkreislaufes werden.
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Vorzugsweise liegen die steuerbaren Ventile in zwei verschiedenen Ausbildungsformen vor. Zwei verschiedene Ausbildungsformen der besagten Ventile ermöglichen vorteilhaft ein Steuern des Systems, so dass alle notwendigen thermischen Modi eingestellt werden können. Besonders bevorzugt ermöglichen dabei ein erstes, zweites, drittes und viertes steuerbares Ventil fünf verschiedene Schaltungsmodi, und ein fünftes steuerbares Ventil drei verschiedene Schaltungsmodi.
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Vorzugsweise ist in dem System durch eine Schaltung des ersten steuerbaren Ventils ein Fluss durch den zweiten und/oder den dritten Teilkreislauf steuerbar. Diese Anordnung ermöglicht vorteilhafterweise eine Erwärmen der Batterie und des Fahrzeugsinnenraums, z.B. zum Betriebsstart des Fahrzeugs, wenn die Teilkreisläufe durch das erste Steuerventil zusammengeschaltet sind, oder ein Kühlen der Batterie und Erwärmen des Fahrzeuginnenraums, wenn die Teilkreisläufe durch das erste Steuerventil getrennt sind.
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Vorzugsweise ist in dem System durch eine Schaltung des zweiten steuerbaren Ventils ein Fluss durch den vierten und/oder den dritten Teilkreislauf steuerbar oder durch den vierten und/oder den ersten Teilkreislauf steuerbar. Diese Schaltung ermöglicht z.B. vorteilhaft ein Steuern des Flusses zum Kühlen der Batterie über den Wärmetauscher, während gleichzeitig der Fahrzeuginnenraum über den zweiten Teilkreislauf erwärmt werden kann (wenn der vierte und der dritte Teilkreislauf verbunden sind). Weiterhin ermöglicht diese Schaltung z.B. vorteilhaft ein Steuern des Flusses Kühlen des Fahrzeuginnenraums über den oder die indirekten Verdampfer und ein gleichzeitiges Kühlen der Bauteile der Leistungselektronik über den Wärmetauscher (wenn der erste und der dritte Teilkreislauf durch das zweite Steuerventil verlaufen, aber nicht verbunden sind).
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Vorzugsweise ist in dem System durch eine Schaltung des dritten steuerbaren Ventils ein Fluss durch den dritten und/oder den vierten Teilkreislauf steuerbar. Diese Schaltung ermöglicht z.B. vorteilhaft ein Steuern des Flusses zum Zwecke einer effektiven Kühlung der Batterie.
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Vorzugsweise ist in dem System durch eine Schaltung des vierten steuerbaren Ventils der Fluss durch den zweiten oder den vierten Teilkreislauf steuerbar. Mit anderen Worten wird hier wahlweise der Fluss durch den zweiten Teilkreislauf oder den vierten Teilkreislauf gesteuert. Dadurch wird vorteilhaft ein Steuern des Flusses zum Heizen oder Kühlen von Leistungselektronik und/oder zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums ermöglicht.
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Vorzugsweise ist in dem System durch eine Schaltung des fünften steuerbaren Ventils der Fluss durch den ersten oder den vierten Teilkreislauf steuerbar ist. Mit anderen Worten wird hier wahlweise der Fluss durch den ersten Teilkreislauf oder den dritten und/oder vierten Teilkreislauf gesteuert. Dadurch kann vorteilhaft ein Kühlen oder Erwärmen von Fahrzeuginnenraum und der Batterie gesteuert werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystem.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems, mit den Schritten:
- - Ermitteln der Temperaturen in Einrichtungen des Fahrzeugs umfassend die Antriebsbatterie, Bauteile der Leistungselektronik und Fahrzeuginnenraum,
- - Bestimmen der Erfordernisse zum Kühlen oder Heizen der besagten Einrichtungen des Fahrzeugs,
- - Senden eines Steuerbefehls an die steuerbaren Ventile,
- - Schalten der steuerbaren Ventile, so dass je nach Anforderung die besagten Einrichtungen des Fahrzeugs beheizt oder gekühlt werden.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 Schaltschema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems.
- 2 Ausführungsformen der im Schaltschema gemäß 1 verwendeten steuerbaren Ventile.
- 3 Fließdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 Schaltschema gemäß 1 in einem ersten Schaltstatus.
- 5 Schaltschema gemäß 1 in einem zweiten Schaltstatus.
- 6 Schaltschema gemäß 1 in einem dritten Schaltstatus.
- 7 Schaltschema gemäß 1 in einem vierten Schaltstatus.
- 8 Schaltschema gemäß 1 in einem fünften Schaltstatus.
- 9 Schaltschema gemäß 1 in einem sechsten Schaltstatus.
- 10 Schaltschema gemäß 1 in einem siebten Schaltstatus.
- 11 Schaltschema gemäß 1 in einem achten Schaltstatus.
- 12 Schaltschema gemäß 1 in einem neunten Schaltstatus.
- 13 Schaltschema gemäß 1 in einem zehnten Schaltstatus.
- 14 Schaltschema gemäß 1 in einem elften Schaltstatus.
- 15 Schaltschema gemäß 1 in einem zwölften Schaltstatus.
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In 1 ist ein Schaltschema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 1 dargestellt. Das Wärmemanagementsystems 1 ist in einem Elektrofahrzeug angeordnet, d.h. in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
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Das Wärmemanagementsystem 1 weist einen Primärkreislauf 50 und einen Sekundärkreislauf auf; es wird deshalb auch als Sekundärkreislaufsystem bezeichnet. Der Primärkreislauf 50 wird von einem Kältemittel durchströmt. In dem Primärkreislauf 50 sind ein erster und zweiter Chiller 51, 52 (auch als indirekter Verdampfer bezeichnet) und ein indirekter Kondensator 53 (auch als indirekter Verflüssiger oder iCond bezeichnet) angeordnet sind. Der erste Chiller 51 ist über eine Leitung mit einem Verdichter 54 sowie über eine Leitung mit einer Drossel 55 mit dem indirekten Kondensator 53 verbunden. Der indirekte Kondensator 53 ist dabei zum Bereitstellen von wärmeren Temperaturen und die Chiller 51 u. 52 zum Bereitstellen von kühleren Temperaturen vorgesehen. Der Primärkreislauf 50 wird auch als „kompaktes Kältemittelsystem“ bezeichnet.
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Der Sekundärkreislauf wird von den im Folgenden beschriebenen Teilkreisläufen gebildet, in denen Kühlmittel strömt. Als Kühlmittel wird ein Wasser-Glykol-Gemisch oder ein anderes, dem Fachmann geläufiges, zweckmäßiges Kühlmittel verwendet. Dabei wird die über einen ersten Teilkreislauf 10 eine Kühlung der Kabine (Fahrzeuginnenraum, Fahrgastzelle) bereitgestellt, in dem eine Kühleinrichtung 11 zum Erzeugen der entsprechenden Kühlleistung angeordnet ist. Ein Beheizen der Kabine wird über einen zweiten Teilkreislauf 20 bereitgestellt, in dem eine Heizeinrichtung 21 zum Erzeugen der entsprechenden Heizleistung angeordnet ist.
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In dem Wärmemanagementsystem 1 wird über einen dritten Teilkreislauf 30 eine Batterie 31 angeströmt. Die Batterie 31 ist zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. Weiterhin werden über einen vierten Teilkreislauf 40 Bauteile der Leistungselektronik 41 und eine Wärmetauscheinrichtung 42 angeströmt. Der Sekundärkreislauf ist damit vorgesehen, die Kälte- oder Heizleistung des Primärkreislaufs an die Antriebskomponenten des Fahrzeugs zu übertragen bzw. auch die Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum und Umgebung des Fahrzeugs zu bewirken.
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Zum Erzeugen einer Strömung sind im Wärmemanagementsystem 1 vier Pumpen 60 angeordnet. Eine erste Pumpe 61 ist stromaufwärts der Bauteile der Leistungselektronik 41 angeordnet. Eine zweite Pumpe 62 ist stromaufwärts der Batterie 31 angeordnet. Eine dritte Pumpe 63 ist stromaufwärts des indirekten Kondensators 53 angeordnet. Eine vierte Pumpe 64 ist stromaufwärts des ersten Chillers 51 angeordnet.
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In dem Wärmemanagementsystem 1 sind fünf Steuerventile 70 angeordnet, über die sich die Strömung des Kühlmittels für alle relevanten Modi zum Kühlen oder Erwärmen besonders der Batterie 31, der Bauteile der Leistungselektronik 41 und des Fahrzeuginnenraums (nicht gezeigt) einstellen lässt. Ein erstes Steuerventil 71 ist stromabwärts der Batterie 31 angeordnet.
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Dabei kann es vom dritten Teilkreislauf 30 und dem zweiten Teilkreislauf 20 durchströmt werden.
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Ein zweites Steuerventil 72 ist stromabwärts der Bauteile der Leistungselektronik 41 angeordnet. Dabei kann es vom vierten 40 und vom ersten Teilkreislauf 10 durchströmt werden.
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Ein drittes Steuerventil 73 ist stromabwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 zwischen dem ersten steuerbaren Ventil 71 und der Wärmetauscheinrichtung 42 angeordnet.
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Ein viertes Steuerventil 74 ist stromabwärts des indirekten Kondensators 53 angeordnet, so dass es je nach Schaltung eine Strömung zur Heizeinrichtung 21 oder zum Wärmetauscher 42 ermöglicht. Weiterhin ist über das vierte Steuerventil 74 eine Strömung von der Wärmetauscheinrichtung 43 zum indirekten Kondensator 53 möglich.
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Die steuerbaren Ventile 71, 72, 73 und 74 sind dabei derart ausgebildet, dass sie fünf Schaltmodi ermöglichen.
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Ein fünftes Steuerventil 75 ist stromabwärts des ersten Chillers 51 angeordnet, so dass es je nach Schaltung eine fluide Verbindung zum Kühleinrichtung 11, zur Batterie 31 oder gleichzeitig sowohl zur Kühleinrichtung 11 als auch zur Batterie 31 ermöglicht. Das fünfte Steuerventil 75 ist damit derart ausgebildet, dass es drei Schaltmodi ermöglicht.
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Die Ausbildungen der fünf Steuerventile 70 sind anhand von 2 detailliert dargestellt. Die Steuerventile 70 sind anhand ihrer Ausbildung in zwei Gruppen einteilbar: die Steuerventile 71 - 74 sind als 5/2-Wege-Ventil ausgebildet und ermöglichen fünf Schaltmodi; das Steuerventil 75 ist als Zweiwege-Verteilerventil ausgebildet und ermöglicht drei Schaltmodi.
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Die Steuerventile 71 - 74 weisen jeweils im links dargestellten ersten Weg einen Einlass und drei Anschlüsse A, B, und C, und im rechts dargestellten zweiten Weg einen Einlass und zwei Anschlüsse D und E auf. In Modus 1 ist der erste Weg auf Isolation eingestellt und der zweite Weg auf Intern. In Modus 2 ist der erste Weg auf Geteilt eingestellt und der zweite Weg auf Intern. In Modus 3 ist der erste Weg auf Geteilt eingestellt und der zweite Weg auf Extern. In Modus 4 ist der erste Weg auf Isolation eingestellt und der zweite Weg auf Extern. In Modus 5 ist der erste Weg so eingestellt, dass alle Anschlüsse geschlossen sind, und der zweite Weg auf Extern.
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Das fünfte Steuerventil 75 weist einen Eingang (In) sowie zwei ausgehende Anschlüsse 1 und 2 auf. In Modus 1 wird das Steuerventil 75 vom Eingang zum Anschluss 1 auf Durchlass eingestellt, und damit zum Anschluss 2 gesperrt. In Modus 2 wird das Steuerventil 75 vom Eingang zum Anschluss 2 auf Durchlass eingestellt, und damit zum Anschluss 1 gesperrt. In Modus 3 wird das Steuerventil 75 vom Eingang zu beiden Anschlüssen 1 und 2 auf Durchlass eingestellt.
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Im Wärmemanagementsystem 1 ist zwischen dem dritten steuerbaren Ventil 73 und der Wärmetauscheinrichtung 42 ein erstes Rückschlagventil 76 sowie zwischen dem ersten steuerbaren Ventil 71 und der Wärmetauscheinrichtung 42 ein zweites Rückschlagventil 77 angeordnet.
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Die Wärmetauscheinrichtung 42 ist über eine erste Ausgleichsleitung 81 mit einem Ausgleichsbehälter 80 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 80 ist über eine zweite 82, dritte 83, vierte 84 und fünfte Ausgleichsleitung 85 mit den Rohren der Kreisläufe des Wärmemanagementsystems 1 verbunden. In den Ausgleichsleitungen 82, 83, 84 und 85 ist jeweils ein Ausgleichsleitung-Rückschlagventil 86 angeordnet.
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Im Wärmemanagementsystems 1 sind die Leitungen an Knotenpunkten 101 - 113 verbunden, so dass sie an diesen Stellen Verzweigungen und Mündungen ausbilden.
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In einem Verfahren zum Steuern eines erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 1 gemäß 3 werden in einem ersten Schritt S1 die Temperaturen in Einrichtungen des Fahrzeugs umfassend die Antriebsbatterie 31, Bauteile der Leistungselektronik 41 und Fahrzeuginnenraum (nicht gezeigt) erfasst. Dabei werden die Temperaturen durch entsprechende Sensoren ermittelt und an eine Steuerungseinrichtung 90 übermittelt.
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In einem zweiten Schritt S2 werden durch die Steuerungseinrichtung 90 die Erfordernisse zum Kühlen oder Heizen der besagten Einrichtungen des Fahrzeugs ermittelt. Ist die Temperatur höher als ein gesetzter Normwert, wird bestimmt, dass ein Kühlen erforderlich ist. Ist die Temperatur niedriger als ein gesetzter Normwert, wird bestimmt, dass ein Heizen erforderlich ist. Entspricht die Temperatur dem gesetzten Normwert, ist keine Änderung der Temperatur notwendig.
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In einem dritten Schritt S3 wird durch die Steuereinrichtung 90 Steuerbefehle an die steuerbaren Ventile 70 gesendet, die in einem vierten Schritt S4 so eingestellt werden, dass das Kühlmittel die besagten Einrichtungen des Fahrzeugs je nach Anforderung beheizt oder kühlt.
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Im Folgenden werden anhand der 4 - 15 verschiedene Varianten von Einstellungen der Steuerventile 70 dargestellt, und wie entsprechend der Anforderungen zum Heizen oder Kühlen die Strömung im Wärmemanagementsystem 1 gesteuert wird. Es werden jeweils nur die Teilkreisläufe gekennzeichnet, die durchströmt werden. Dabei sind der erste Teilkreislauf 10 mit einer starken durchgezeichneten Linienführung, der zweite Teilkreislauf 20 mit einer gestrichelten Linienführung, der dritte Teilkreislauf 30 mit einer Punkt-Strich-Linienführung und der vierte Teilkreislauf 40 mit einer gepunkteten Linienführung gekennzeichnet.
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Ein erster Schaltstatus gemäß 4 stellt dabei einen Sicherheitsmodus dar, in dem die Batterie 31 und die Bauteile der Leistungselektronik 41 mittels der Wärmetauscheinrichtung 42 gekühlt werden können. Zum Antreiben der Strömung im System sind die erste und zweite Pumpe 61, 62 angeschaltet. Das erste Steuerventil 71 ist auf Modus 4 geschaltet. Das zweite Steuerventil 72 ist in den Modus 2 geschaltet. Das dritte Steuerventil 73 ist in den Modus 2 geschaltet. Das vierte Steuerventil 74 ist in den Modus 5 geschaltet und das fünfte Steuerventil 75 in den Modus 2. Die Strömung des Kühlmittels verläuft damit von der Wärmetauscheinrichtung 42 zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41, dann durch Steuerventil 72 zum zweiten Chiller 52, von dort direkt zur Batterie 31, und von dort durch Steuerventil 71 und 73 zur Wärmetauscheinrichtung 42. Die Kühlung der Bauteile der Leistungselektronik 41 wird dabei in erster Linie durch die Wärmetauscheinrichtung 42 und die Kühlung der Batterie 31 durch den zweiten Chiller 52 bewirkt.
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In einem zweiten Schaltstatus gemäß 5 ist das erste Steuerventil 71 in Modus 1 geschaltet. Das zweite Steuerventil 72 ist in Modus 4 geschaltet. Die Steuerventile 73 und 75 sind jeweils in ihren Modus 1 geschaltet und das vierte Steuerventil in Modus 5. Es wird eine zirkulierende Strömung von Fluid im dritten Teilkreislauf 30 um die Batterie 31 herum bewirkt. Dabei ist die zweite Pumpe 52 angeschaltet. Zusätzlich werden im vierten Teilkreislauf 40 die Bauteile der Leistungselektronik 41 und die Wärmetauscheinrichtung 42 angeströmt. Dadurch wird eine Kühlung der Bauteile der Leistungselektronik 41 durch die Wärmetauscheinrichtung 42 bewirkt. Dabei ist die erste Pumpe 51 angeschaltet.
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In einem dritten Schaltstatus gemäß 6 sind das erste und zweite Steuerventil 71, 72 jeweils in Modus 4, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 2 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Dabei wird der dritte Teilkreislauf 30 mit der Batterie 31 durchströmt, wobei die Strömung von der Batterie 31 durch das erste und zweite Steuerventil 71, 72 zum ersten und zweiten Chiller 51, 52 und von dort vom ersten Chiller 51 über das fünfte Steuerventil 75 und vom zweiten Chiller 52 direkt zur Batterie 31 gelenkt wird, wobei sich die Leitungen vom ersten Chiller 51 stromabwärts des fünften Steuerventils 75 im Knotenpunkt 101 in die Leitung vom zweiten Chiller 52 mündet. Die Strömung des Kühlmittels wird dabei durch die zweite Pumpe 62 angetrieben. Dabei wird die Batterie 31 durch die beiden Chiller 51, 52 gekühlt.
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Weiterhin wird zusätzlich der vierte Teilkreislauf mit der Wärmetauscheinrichtung 42 und den Bauteilen der Leistungselektronik 41 durchströmt. Dadurch wird eine Kühlung der Bauteile der Leistungselektronik 41 durch die Wärmetauscheinrichtung 42 bewirkt. Dabei wird die Strömung des Kühlmittels durch die erste Pumpe 61 und die dritte Pumpe 63 bewirkt, die angeschaltet sind. Die Strömung verläuft von der Wärmetauscheinrichtung 42 direkt zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41 und von dort durch das zweite Steuerventil 72 zurück Wärmetauscheinrichtung 42. Zusätzlich wird eine stromabwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 abzweigende Leitung durchströmt, die über das vierte Steuerventil 74 zum indirekten Verflüssiger 53 und von dort wieder durch das vierte Steuerventil 74 wieder zurück zur Wärmetauscheinrichtung 42, wobei sich die Leitungen vom vierten Steuerventil 74 und zweiten Steuerventil 72 stromaufwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 im Knotenpunkt 112 vereinigen.
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In einem vierten Schaltstatus gemäß 7 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 4, das zweite Steuerventil 72 in Modus 3, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 2 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 2 geschaltet. Dabei wird der erste Teilkreislauf 10 mit der Kühleinrichtung 11 und der dritte Teilkreislauf 30 mit der Batterie 31 durchströmt. Dies dient zum aktiven Kühlen des Fahrzeuginnenraums und der Batterie 31. Dabei verläuft die Strömung im ersten Teilkreislauf 10 von der Kühleinrichtung 11 direkt zum ersten Chiller 51 und von dort durch das fünfte Steuerventil 75 wieder zur Kühlereinrichtung 11. Die Strömung im ersten Teilkreislauf 10 wird durch die angeschaltete vierte Pumpe 64 bewirkt. Die Strömung im dritten Teilkreislauf 30 wird die zweite Pumpe 62 bewirkt und verläuft von der Batterie 31 über das erste Steuerventil 71 zum zweiten Chiller 52 und von dort direkt zurück zur Batterie 31. Weiterhin wird im vierten Schaltstatus zusätzlich der vierte Teilkreislauf 40 zum Kühlen der Bauteile der Leistungselektronik 41 betrieben wie zu 6 beschrieben.
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In einem fünften Schaltstatus gemäß 8 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 4, das zweite Steuerventil 72 in Modus 2, das dritte Steuerventil 73 in Modus 2, das vierte Steuerventil 74 in Modus 2 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 2 geschaltet. Dabei werden der erste Teilkreislauf 10 mit der Kühleinrichtung 11 und der dritte Teilkreislauf 30 und vierte Teilkreislauf 40 mit der Batterie 31 durchströmt. Auf diese Weise wird der Fahrzeuginnenraum aktiv und die Batterie 31 sowohl aktiv (Kühlung mit Kältemittel im Primärkreislauf 50, d.h. Chiller 52 ist aktiv) als auch passiv (nur mit der Wärmetauscheinrichtung 42) gekühlt. Sämtliche Pumpen 60 sind angeschaltet, um die Strömung des Kühlmittels anzutreiben.
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Dabei verläuft die Strömung im ersten Teilkreislauf 10 von der Kühleinrichtung 11 direkt zum ersten Chiller 51 und von dort durch das fünfte Steuerventil 75 wieder zur Kühlereinrichtung. Die Strömung im ersten Teilkreislauf 10 wird durch die angeschaltete vierte Pumpe 64 bewirkt.
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Der dritte und der vierte Teilkreislauf 30, 40 sind hier zusammengeschaltet. Dabei verläuft die Strömung des Kühlmittels von der Batterie 31 über das erste und das dritte Steuerventil 71, 73 zur Wärmetauscheinrichtung 42, von dort zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41, von dort zum zweiten Chiller 52 und von dort direkt wieder zur Batterie 31. Zusätzlich wird die stromabwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 abzweigende Leitung durchströmt, die über das vierte Steuerventil 74 zum indirekten Verflüssiger 53 führt, von wo das Kühlmittel durch das vierte Steuerventil 74 wieder zurück zur Wärmetauscheinrichtung 42 strömt.
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In einem sechsten Schaltstatus gemäß 9 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 4, das zweite Steuerventil 72 in Modus 2, das dritte Steuerventil 73 in Modus 2, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 2 geschaltet. Dabei werden der erste, zweite und dritte Teilkreislauf 10, 20, 30 sowie teilweise der vierte Teilkreislauf 40 durchströmt. Auf diese Weise wird der Fahrzeuginnenraum beheizt und entlüftet sowie die Batterie 31 gekühlt. Sämtliche Pumpen 60 sind angeschaltet, um die Strömung des Kühlmittels anzutreiben.
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Dabei verläuft die Strömung des Kühlmittels im ersten Teilkreislauf 10 von der Kühleinrichtung 11 direkt zum ersten Chiller 51 und von dort durch das fünfte Steuerventil 75 wieder zur Kühlereinrichtung. Die Strömung im ersten Teilkreislauf 10 wird durch die angeschaltete vierte Pumpe 64 bewirkt.
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Die Strömung des Kühlmittels im zweiten Teilkreislauf 20 verläuft von der Heizeinrichtung 21 durch das erste Steuerventil 71 zum indirekten Verflüssiger 53 und von dort durch das vierte Steuerventil 74 wieder zur Heizeinrichtung 21. Die Strömung im zweiten Teilkreislauf 20 wird vom der dritten Pumpe 63 bewirkt.
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Die Strömung des Kühlmittels im dritten Teilkreislauf 30 verläuft von der Batterie 31 durch das erste Steuerventil 71 zum dritten Steuerventil 73, von dort zur Wärmetauscheinrichtung 42, von dort zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41, von dort durch das zweite Steuerventil 72 zum zweiten Chiller 52 und von dort direkt wieder zur Batterie 31. Die Strömung wird dabei durch die erste und zweite Pumpe 61, 62 bewirkt.
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In einem siebten Schaltstatus gemäß 10 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 2, das zweite Steuerventil 72 in Modus 1, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Dabei werden der zweite, dritte und vierte Teilkreislauf 20, 30, 40 durchströmt. Auf diese Weise werden der Fahrzeuginnenraum und die Batterie 31 beheizt sowie die Bauteile der Leistungselektronik 41 gekühlt. Es sind die erste, zweite und dritte Pumpe 61, 62 und 63 eingeschaltet.
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Zum Heizen strömt das Kühlmittel von der Heizeinrichtung 21 über das erste Steuerventil 71 zur Batterie und von dort wieder zum ersten Steuerventil 71 zum indirekten Verflüssiger 53 und von dort über das vierte Steuerventil 74 wieder zur Heizeinrichtung. Die Strömung wird dabei von der zweiten und dritten Pumpe 62, 63 bewirkt. Es kann hier zwei Modi unterschieden werden, indem in einem ersten Modus ein (nicht gezeigtes) Gebläse verwendet wird und in einem zweiten nicht.
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Weiterhin wird eine Strömung vom der Wärmetauscheinrichtung 42 zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41, von dort zum zweiten Steuerventil 72 durch die erste Pumpe 61 bewirkt. Im Bereich des zweiten Steuerventils 71 verzweigt sich die Leitung des vierten Teilkreislauf 40 derart, dass das Kühlmittel durch die eine Leitung direkt zum ersten Chiller 51 und durch die andere Leitung durch das zweite Steuerventil 72 zum zweiten Chiller 52 strömt. Vom zweiten Chiller 52 strömt das Kühlmittel durch das fünfte Steuerventil 75, stromabwärts vom fünften Steuerventil 75 vereinigt sich die entsprechende Leitung mit der vom ersten Chiller 51 kommenden Leitung, die dann über das dritte Steuerventil 73 wieder zur Wärmetauscheinrichtung 42 führt.
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In einem achten Schaltstatus gemäß 11 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 2, das zweite Steuerventil 72 in Modus 1, das dritte Steuerventil 73 in Modus 4, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Dabei werden der zweite, dritte und vierte Teilkreislauf 20, 30, 40 durchströmt. Auf diese Weise werden der Fahrzeuginnenraum und die Batterie 31 beheizt sowie die Bauteile der Leistungselektronik 41 durch die beiden Chiller 51, 52 gekühlt. Es sind die erste, zweite und dritte Pumpe 61, 62 und 63 eingeschaltet. Es sind zwei Modi möglich, wobei in dem einen das Gebläse der Wärmetauscheinrichtung 41 eingeschaltet ist und in dem anderen nicht.
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Zum Erwärmen der Batterie und des Fahrzeuginnenraums strömt Kühlmittel von der Heizeinrichtung 21 über das erste Steuerventil 71 zur Batterie und von dort wieder zum ersten Steuerventil 71 zum indirekten Verflüssiger 53 und von dort über das vierte Steuerventil 74 wieder zur Heizeinrichtung. Die Strömung wird dabei von der zweiten und dritten Pumpe 62, 63 bewirkt. Es werden der zweite, dritte und vierte Teilkreislauf 20, 30, 40 durchströmt.
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Weiterhin strömt Kühlmittel von den Bauteilen der Leistungselektronik 41 über das zweite Steuerventil 72 zum ersten und zum zweiten Chiller 51, 52 (wobei sich die Leitungen im Bereich des zweiten Steuerventils verzweigen, wobei eine Leitung nach einem erstmaligen Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 abzweigt und direkt zum ersten Chiller 51 führt, und die andere Leitung nach einem weiteren Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 zum zweiten Chiller 52 führt. Vom zweiten Chiller 52 strömt das Kühlmittel durch das fünfte Steuerventil 75, stromabwärts vom fünften Steuerventil 75 vereinigt sich die entsprechende Leitung mit der vom ersten Chiller 51 kommenden Leitung, die dann über das dritte Steuerventil 73 unter Umgehung der Wärmetauscheinrichtung 42 wieder zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41 führt. Die Strömung wird dabei von der ersten Pumpe 61 bewirkt.
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In einem neunten Schaltstatus gemäß 12 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 4, das zweite Steuerventil 72 in Modus 1, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Dabei werden der zweite, dritte und vierte Teilkreislauf 20, 30, 40 durchströmt. Dabei wird der Fahrzeuginnenraum beheizt, indem die Heizeinrichtung 21 und Abwärme von Batterie 31 und den Bauteilen der Leistungselektronik 41 genutzt. Es sind die erste, zweite und dritte Pumpe 61, 62, 63 eingeschaltet.
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Kühlmittel strömt im ersten Teilkreislauf 20 von der Heizeinrichtung 21 über das erste Steuerventil 71 zum indirekten Verflüssiger 53 und von dort über das vierte Steuerventil wieder zur Heizeinrichtung 21. Im dritten Teilkreislauf 30 strömt Kühlmittel von der Batterie 31 über das erste Steuerventil 71 zum zweiten Chiller 52 und von dort direkt wieder zur Batterie 31. Im vierten Teilkreislauf strömt Kühlmittel von den Bauteilen der Leistungselektronik 41 über das zweite Steuerventil 72 zum ersten und zum zweiten Chiller 51, 52 (wobei sich die Leitungen im Bereich des zweiten Steuerventils 72 verzweigen, wobei eine Leitung nach einem erstmaligen Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 abzweigt und direkt zum ersten Chiller 51 führt, und die andere Leitung nach einem weiteren Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 zum zweiten Chiller 52 führt. Vom zweiten Chiller 52 strömt das Kühlmittel durch das fünfte Steuerventil 75, stromabwärts vom fünften Steuerventil 75 vereinigt sich die entsprechende Leitung mit der vom ersten Chiller 51 kommenden Leitung, die dann über das dritte Steuerventil 73 zur Wärmetauscheinrichtung 42 und von dort wieder zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41. Der dritte und der vierte Teilkreislauf 30, 40 teilen sich einen Abschnitt des Strömungsweges: dabei mündet die zum zweiten Chiller 52 führende Leitung des vierten Teilkreislaufs 40 stromaufwärts des zweiten Chillers 52 in den dritten Teilkreislauf 30 und zweigt stromabwärts des zweiten Chillers 52 wieder vom dritten Teilkreislauf 30 ab.
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In einem zehnten Schaltstatus gemäß 13 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 4, das zweite Steuerventil 72 in Modus 1, das dritte Steuerventil 73 in Modus 4, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Dabei entspricht der gezeigte Schaltstatus dem neunten Schaltstatus gemäß 12 mit dem wesentlichen Unterschied, dass das dritte Steuerventil 73 so geschaltet ist, dass die Wärmetauscheinrichtung 42 umgangen wird, also nicht verwendet wird. Wie in 12 wird der Fahrzeuginnenraum beheizt, indem die Heizeinrichtung 21 und Abwärme von Batterie 31 und den Bauteilen der Leistungselektronik 41 genutzt. Es sind die erste, zweite und dritte Pumpe 61, 62, 63 eingeschaltet.
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In einem elften Schaltstatus gemäß 14 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 1, das zweite Steuerventil 72 in Modus 4, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 2 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 3 geschaltet. Es werden der erste, dritte und vierte Teilkreislauf 10, 30, 40 durchströmt. Dabei ist dieser Status vor allem ein Kühlstatus: Es wird der Fahrzeuginnenraum unter Verwendung der Kühleinrichtung 11 und beider Chiller 51, 52 gekühlt. Die Bauteile der Leistungselektronik 41 werden unter Verwendung der Wärmetauscheinrichtung 42 gekühlt. Es sind alle Pumpen 60 angeschaltet.
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Im ersten Teilkreislauf 10 strömt Kühlmittel von der Kühleinrichtung 11 in Richtung des ersten Chillers 51, wobei sich der Strömungsweg stromabwärts der vierten Pumpe 64 am Knotenpunkt 111 verzweigt, wobei der eine Strömungsweg zum ersten Chiller 51 und der zweite Strömungsweg über das zweite Steuerventil 72 zum zweiten Chiller 52 führt, sich beide Strömungswege stromabwärts des ersten und zweiten Chillers 51, 52 im fünften Steuerventil 75 wieder in eine gemeinsame Leitung münden, die von dort wieder zur Kühleinrichtung 11 führt. Die Strömung des Kühlmittels wird von der vierten Pumpe 64 bewirkt.
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Im dritten Teilkreislauf 30 zirkuliert Kühlmittel von der Batterie 31 zum ersten Steuerventil 71 und von dort direkt wieder zur Batterie 31. Die Strömung des Kühlmittels wird von der zweiten Pumpe 62 bewirkt.
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Im vierten Teilkreislauf 40 strömt Kühlmittel von der Wärmetauscheinrichtung 42 sowohl zum indirekten Verflüssiger 53 als auch zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41. Dazu verzweigt sich die Leitung stromabwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 im Knotenpunkt 113. Eine erste Leitung führt direkt zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41, von dort zum zweiten Steuerventil 72 und von dort direkt wieder zur Wärmetauscheinrichtung 42. Eine zweite Leitung führt über das vierte Steuerventil 74 zum indirekten Verflüssiger und von dort wieder durch das vierte Steuerventil 74 zur Wärmetauscheinrichtung 42. Die beiden Leitungen münden stromaufwärts der Wärmetauscheinrichtung 42 an Knotenpunkt 109 wieder in eine gemeinsame Leitung. Die Strömung des Kühlmittels wird von der ersten und dritten Pumpe 61, 63 bewirkt.
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In einem zwölften Schaltstatus gemäß 15 sind das erste Steuerventil 71 in Modus 1, das zweite Steuerventil 72 in Modus 1, das dritte Steuerventil 73 in Modus 1, das vierte Steuerventil 74 in Modus 5 und das fünfte Steuerventil 75 in Modus 1 geschaltet. Es werden der zweite, dritte und vierte Teilkreislauf 20, 30, 40 durchströmt. Dabei ist der zwölfte Schaltstatus vor alles ein Heizstatus: es wird der Fahrzeuginnenraum durch Wirkung der Heizeinrichtung 21 und Nutzung der Abwärme der Bauteile der Leistungselektronik 41 erwärmt. Die erste, zweite und dritte Pumpe 61, 62, 63 sind angeschaltet.
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Im zweiten Teilkreislauf 20 strömt Kühlmittel von der Heizeinrichtung 21 über das erste Steuerventil 71 zum indirekten Verflüssiger und von dort über das vierte Steuerventil 74 zurück zur Heizeinrichtung 21. Die Strömung des Kühlmittels wir durch die dritte Pumpe 63 bewirkt.
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Im dritten Teilkreislauf 30 zirkuliert Kühlmittel von der Batterie 31 zum ersten Steuerventil 71 und von dort direkt wieder zur Batterie 31. Die Strömung des Kühlmittels wird von der zweiten Pumpe 62 bewirkt.
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Im vierten Teilkreislauf 40 strömt Kühlmittel von den Bauteilen der Leistungselektronik 41 über das zweite Steuerventil 72 zum ersten und zum zweiten Chiller 51, 52 (wobei sich die Leitungen im Bereich des zweiten Steuerventils 72 verzweigen, wobei eine Leitung nach einem erstmaligen Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 im Knotenpunkt 107 abzweigt und direkt zum ersten Chiller 51 führt, und die andere Leitung nach einem weiteren Durchströmen des zweiten Steuerventils 72 zum zweiten Chiller 52 führt. Vom zweiten Chiller 52 strömt das Kühlmittel durch das fünfte Steuerventil 75; stromabwärts vom fünften Steuerventil 75 vereinigt sich die entsprechende Leitung mit der vom ersten Chiller 51 kommenden Leitung im Knotenpunkt 105, von wo das Kühlmittel über das dritte Steuerventil 73 zur Wärmetauscheinrichtung 42 und von dort wieder zu den Bauteilen der Leistungselektronik 41 strömt. Die Strömung des Kühlmittels wird von der ersten Pumpe 61 bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmemanagementsystem
- 10
- erster Teilkreislauf
- 11
- Kühleinrichtung
- 20
- zweiter Teilkreislauf
- 21
- Heizeinrichtung
- 30
- dritter Teilkreislauf
- 31
- Batterie
- 40
- vierter Teilkreislauf
- 41
- Bauteile der Leistungselektronik
- 42
- Wärmetauscheinrichtung
- 50
- Primärkreislauf
- 51
- erster Chiller
- 52
- zweiter Chiller
- 53
- indirekter Kondensator
- 54
- Verdichter
- 55
- Drossel
- 60
- Pumpen
- 61
- erste Pumpe
- 62
- zweite Pumpe
- 63
- dritte Pumpe
- 64
- vierte Pumpe
- 70
- Steuerventil
- 71
- erstes Steuerventil
- 72
- zweites Steuerventil
- 73
- drittes Steuerventil
- 74
- viertes Steuerventil
- 75
- fünftes Steuerventil
- 76
- erstes Rückschlagventil
- 77
- zweites Rückschlagventil
- 80
- Ausgleichsbehälter
- 81
- erste Ausgleichsleitung
- 82
- zweite Ausgleichsleitung
- 83
- dritte Ausgleichsleitung
- 84
- vierte Ausgleichsleitung
- 85
- fünfte Ausgleichsleitung
- 86
- weiteres Rückschlagventil
- 90
- Steuerungseinrichtung
- 101
- erster Knotenpunkt
- 102
- zweiter Knotenpunkt
- 103
- dritter Knotenpunkt
- 104
- vierter Knotenpunkt
- 105
- fünfter Knotenpunkt
- 106
- sechster Knotenpunkt
- 107
- siebter Knotenpunkt
- 108
- achter Knotenpunkt
- 109
- neunter Knotenpunkt
- 110
- zehnter Knotenpunkt
- 111
- elfter Knotenpunkt
- 112
- zwölfter Knotenpunkt
- 113
- dreizehnter Knotenpunkt
