-
Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Wärmemanagement eines Kraftfahrzeugs.
-
Es sind Wärmemanagementsysteme für elektrifizierte Kraftfahrzeuge bekannt, die eine Heizleistung für einen Fahrzeuginnenraum mittels einer Wärmepumpenfunktionalität bereitstellen, in der vorhandene Wärmequellen, z.B. Elektromotor und Hochvoltspeicher, genutzt werden.
-
Aus der
DE 10 2019 132 688 A1 ist ein Wärmemanagementsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung dieses bekannte Wärmemanagementsystem kostengünstiger zu gestalten. Diese Aufgabe wird durch ein Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Stand der Technik weiterentwickelt, indem für das Heizstrangventil ein 3/2-Wege-Ventil verwendet wird. Durch das verwendete 3/2-Wege-Ventil ergibt sich der Vorteil, dass es sich bei dem 3/2-Wege-Ventil um ein Ventil handelt, welches in seiner Schaltstellung verbleibt, ohne dass dauerhaft Strom zugeführt werden muss. Dadurch kann Energie eingespart werden, was sich wiederum positiv auf die Energiebilanz des Fahrzeugs auswirkt. Außerdem könnte dadurch ein Rückschlagventil in der Heiz-Rückleitung eingespart werden kann.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 zeigt schematisch einen Kältekreislauf des Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Wärmemanagementsystem ist vorzugsweise in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, beispielsweise einem Elektrofahrzeug installiert. Die Heiz- und Kühlkreisläufe des Wärmemanagementsystems umfassen einen Motor-Kühlkreis 1, in dem Elektromotoren 2 und 3 sowie Leistungselektronik-Komponenten 4 angeordnet sind. Die Elektromotoren 2 und 3 sind Traktionsmotoren zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, wobei selbstverständlich auch nur ein einziger oder mehr als zwei solcher Elektromotoren vorgesehen sein können. Die Leistungselektronik-Komponenten 4 umfassen beispielsweise jeweilige, den Elektromotoren 2, 3 zugeordnete Inverter, einen Gleichstromwandler, eine Batteriesteuerung sowie ein On-Board-Ladegerät. Genauer sind der Elektromotor 2 und die Leistungselektronik-Komponente 4 im Motor-Kühlkreis 1 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltungen ist wiederum im Motor-Kühlkreis 1 parallel zum Elektromotor 3 geschaltet. Ebenso können die Leistungselektronik-Komponenten 4 parallel zu den Elektromotoren 2, 3 angeordnet sein. Stromab dieser Parallelschaltung sind ein Chiller-Ventil 7, ein HT-Kühler 11, eine Kühler-Pumpe 12 sowie ein Rückschlagventil 37 angeordnet. In dem Motor-Kühlkreis 1 ist bei entsprechend geöffnetem Chiller-Ventil 7 und aktivierter Kühler-Pumpe 12 ein Kühlmittel zirkulierbar, beispielsweise ein mit Additiven versetztes Wasser.
-
Parallel zu den Elektromotoren 2, 3 sowie den Leistungselektronik-Komponenten 4 ist ein Heizstrang 13 vorgesehen. Genauer zweigt zwischen der Kühler-Pumpe 12 und den im Motor-Kühlkreis 1 zu kühlenden Komponenten (d.h. den Elektromotoren 2, 3 und den Leistungselektronik-Komponenten 4) der Heizstrang 13 vom Motor-Kühlkreis 1 ab. Zwischen dem Chiller-Ventil 7 und dem HT-Kühler 11 mündet der Heizstrang 13 wieder in den Motor-Kühlkreis 1.
-
Der Heizstrang 13 weist einen NT-Kühler 14, ein Heizstrang-Ventil 8, einen wassergekühlten Kondensator 15, eine Heizkreis-Pumpe 16, einen elektrischen Heizer 17 sowie einen Innenraumwärmetauscher 18 auf. Diese Komponenten werden im Betrieb des Heizstrangs 13 üblicherweise in dieser genannten Reihenfolge durchströmt. Das Heizstrang-Ventil 8 ist ein 3/2-Wege-Ventil, insbesondere ein 3/2-Wege-Proportionalventil, und stromaufwärts des Kondensators 15 angeordnet.
-
Der Innenraumwärmetauscher 18 ist innerhalb einer angedeuteten Luftführung 19, beispielsweise einem Luftströmungskanal, angeordnet, mit der Luft in einen nicht dargestellten Insassenraum des Kraftfahrzeugs geführt wird, so dass mittels des Innenraumwärmetauschers 18 der Insassenraum beheizt werden kann.
-
Der NT-Kühler 14 und der HT-Kühler 11 sind von Umgebungsluft durchströmbar angeordnet, so dass diese durch Fahrtwind gekühlt werden können. Insbesondere sind die beiden Kühler 11, 14 in Fahrzeuglängsrichtung gesehen hintereinander angeordnet, wobei der NT-Kühler 14 vor dem HT-Kühler 11 angeordnet ist. Den beiden Kühlern 11, 14 ist ein Gebläse 20 zugeordnet, um zusätzlich zum Fahrtwind eine Luftströmung durch diese zu fördern. In bekannter Weise ist den beiden Kühlern 11, 14 ein Ausgleichsbehälter 21 zugeordnet.
-
Zum Ausbilden eines EDH-Heizkreises 22 (mit einer gestrichelter Linie eingezeichnet) ist eine Heiz-Rückleitung 23 vorgesehen, die einen stromabwärtigen Ausgang des Innenraumwärmetauschers 18 mit einem Anschluss des Heizstrang-Ventils 8 verbindet, so dass je nach Schaltstellung des Heizstrang-Ventils 8 die Heiz-Rückleitung 23 den stromabwärtigen Ausgang des Innenraumwärmetauschers 18 mit einem stromaufwärtigen Eingang des Kondensators 15 fluidisch leitend miteinander verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Heiz-Rückleitung kein Rückschlagventil vorgesehen. Mittels des EDH-Heizkreises 22 kann der Insassenraum geheizt werden, indem das mittels der Heizkreis-Pumpe 16 zirkulierte Kühlmittel zumindest vom elektrischen Heizer 17 erwärmt wird und diese Wärmeenergie an den Innenraumwärmetauscher 18 abgegeben wird. In anderen Betriebszuständen wird das Kühlmittel zusätzlich oder alternativ vom Kondensator 15 erwärmt, beispielsweise durch Abwärme von einem elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), den Elektromotoren 2, 3 und/oder den Leistungselektronik-Komponenten 4, je nachdem welche Wärmemengen von diesen Komponenten zur Verfügung stehen.
-
Das Heizstrang-Ventil 8 weist zumindest zwei Schaltstellungen auf. In einer ersten Schaltstellung ist der Heizstrang 13 so mit dem Motor-Kühlkreis 1 verbunden, dass Kühlmittel vom Motor-Kühlkreis 1 in den Heizstrang 13 strömen kann, während der EDH-Heizkreis 22 vom Heizstrang-Ventil 8 gesperrt wird. In der zweiten Schaltstellung wird der EDH-Heizkreis 22 ausgebildet, während das Heizstrang-Ventil 8 die Verbindung des Heizstrangs 13 zum Motor-Kühlkreis 1 sperrt. In Zwischenstellungen werden die Kühlmittelströme entsprechend aufgeteilt.
-
Darüber hinaus weist das Wärmemanagementsystem einen HVS-Strang 9 auf, der eine HVS-Pumpe 10, ein HVS-Ventil 26, den elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), ein Rückschlagventil 27 sowie HVS-Umschaltmittel 32 aufweist, welche an einer Verzweigung 28 positioniert sind. Die genannten Elemente werden im Betrieb des HVS-Stangs 9 insbesondere in der genannten Reihenfolge durchströmt.
-
Ferner ist im Wärmemanagementsystem ein Chiller-Strang 30 vorgesehen, der den Chiller 29 sowie das Chiller-Ventil 7 aufweist.
-
Auf der Chiller-Ventil abgewandten Seite ist der Chiller 29 mit einer Eingangsseite der HVS-Pumpe 10 verbunden, von diesem Verbindungsabschnitt führt eine Verbindungsleitung 31 zum Motor-Kühlkreis 1 und zwar an eine Stelle zwischen der Einmündung des Heizstrangs 13 in den Motor-Kühlkreis 1 und dem Chiller-Ventil 7.
-
Zwischen dem Chiller 29 und dem Chiller-Ventil 7 zweigt eine Bypassleitung 34 ab, die zu der Verzweigung 28 bzw. den HVS-Umschaltmitteln 32 führt. Ein weiterer Anschluss der Verzweigung 28 bzw. der HVS-Umschaltmittel 32 ist mit einer Verbindungsleitung 35 verbunden, die in den Motor-Kühlkreis 1 mündet und zwar an einer Stelle stromaufwärts der Parallelschaltung aus Elektromotoren 2, 3 und Leistungselektronik-Komponenten 4 und stromabwärts der Kühler-Pumpe 12.
-
2 zeigt schematisch einen Kältekreislauf 40 des Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kältekreislauf 40 umfasst den wassergekühlten Kondensator 15, den Chiller 29 sowie einen Klima-Verdampfer 41, welcher in der Luftführung 19 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass es sich nicht notwendiger Weise um einen wassergekühlten Kondensator handeln muss, sondern dass die Erfindung auch vorteilhaft im Zusammenhang mit einem luftgekühlten Kondensator verwendet werden kann. Durch diese Komponenten zirkuliert ein Kältemittel, beispielsweise R134a, R1234yf, R1234ze oder dergleichen. Der Chiller 29 ist ein Wärmetauscher bzw. Wärmeüberträger, der Wärmeenergie zwischen dem Kältemittel des Kältekreislaufs 40 und dem Kühlmittel im Chiller-Strang 26 überträgt. Dazu durchströmen das Kältemittel und das Kühlmittel fluidisch getrennt voneinander den Chiller 29. Der Klima-Verdampfer 41 ist ein Wärmetauscher bzw. Wärmeüberträger, der Wärmeenergie zwischen dem Kältemittel des Kältekreislaufs 40 und einer in der Luftführung 19 strömenden Luft überträgt. Dazu durchströmen das Kältemittel und die Luft fluidisch getrennt voneinander den Klima-Verdampfer 41. Der Klima-Verdampfer 41 ist im Kältekreislauf 40 parallel zum Chiller 29 geschaltet. Zum Einstellen der Kühlleistung des Klima-Verdampfers 41 ist diesem ein selbstregelndes und elektrisch absperrbares Expansionsventil 42 vorgeschaltet. Dem Chiller 29 ist ein Expansionsventil 43 vorgeschaltet. Der Innenraumwärmetauscher 18 und der Klima-Verdampfer 41 sind beide in der Luftführung 19 angeordnet. Mit ihnen kann der Insassenraum beheizt, gekühlt und/oder entfeuchtet werden.
-
Ferner weist der Kältekreislauf 40 einen elektrischen Verdichter 44 auf, mit dem das Kältemittel verdichtet und gefördert werden kann. Der Kältekreislauf 40 in 2 weist zusätzlich zwei innere Wärmetauscher 45, 46 auf, von denen einer dem Klima-Verdampfer 41 und der andere dem Chiller 29 zugeordnet ist. Die inneren Wärmetauscher 45, 46 haben jeweils zwei in Wärmekontakt, aber fluidisch voneinander getrennt durchströmbare Kammern. Dabei ist eine Kammer dem Chiller oder Klima-Verdampfer vorgeschaltet und die andere Kammer dem Chiller/Klima-Verdampfer nachgeschaltet. Die Kammern werden in entgegengesetzter Richtung durchströmt und bilden somit einen Gegenstromwärmetauscher aus. Die inneren Wärmetauscher durchströmt somit in einer Kammer das vom Verdichter kommende, überwiegend flüssige Kältemittel und in der anderen Kammer das vom Chiller oder Klima-Verdampfer kommende überwiegend gasförmige Kältemittel. Stromab des Klima-Verdampfers 41 ist ein Rückschlagventil 47 bzw. Einwegeventil angeordnet.
-
Stromabwärts des Kondensators 15 zweigt sich der Kältekreislauf 40 in die parallelen Stränge auf, von denen einer zu dem Klima-Verdampfer 41 und der andere zu dem Chiller 29 führt. Von diesem Punkt wird in dieser Reihenfolge im einen Strang der innere Wärmetauscher 45, das Expansionsventil 42, der Klima-Verdampfer 41, der innere Wärmetauscher 45, das Rückschlagventil 47 und der Verdichter 44 durchströmt. Im anderen Strang wird in dieser Reihenfolge der innere Wärmetauscher 46, das Expansionsventil 43, der Chiller 29, der innere Wärmetauscher 46 und der Verdichter 44 durchströmt. Die parallelen Stränge werden stromaufwärts des Verdichters 44 wieder zusammengeführt.
-
Nachfolgend sollen einige Betriebsmodi dieses Wärmemanagementsystems beschreiben werden.
-
In Kühlfällen in denen der HT-Kühler 11 zur Wärmeabgabe an die Umgebung genutzt werden soll, wird der Motor-Kühlkreis 1 betrieben, so dass Abwärme der Elektromotoren 2, 3 und/oder der Leistungselektronik-Komponenten 4 über den HT-Kühler 11 an die Umgebungsluft abgegeben wird.
-
Mit der in 1 dargestellten Schaltung lässt sich ein HVS-Chiller-Kreislauf 6 (entlang der gestrichelten Linie) ausbilden. Dabei wird mittels der aktivierten HVS-Pumpe 10 Kühlmittel vom Energiespeicher 25 entlang der Bypassleitung 34 zum Chiller 29 geführt. Nach dem Durchströmen des Chillers 29 fördert die HVS-Pumpe 10 das Kühlmittel wieder zurück zum Energiespeicher 25 usw. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Abwärme des Energiespeichers 25 in den Chiller 29 eingetragen werden und von dort über den Kältekreis 40 über den Kondensator 15 in den Heizstrang 13 oder den EDH-Heizkreis 22 eingetragen werden. Dadurch wird der Energiespeicher 25 gekühlt während die Abwärme für Heizzwecke verwendet werden kann.
-
Darüber hinaus lässt sich ein Motor-Chiller-Kreislauf 36 (entlang der Strich-Punkt-Linie) ausbilden. Dabei wird mittels der aktivierten HVS-Pumpe 10 Kühlmittel vom Energiespeicher 25, über die Elektromotoren 2, 3 sowie die Leistungselektronik-Komponenten 4 zum Chiller 29 gefördert. Von dort fördert die HVS-Pumpe 10 das Kühlmittel wieder zurück zum Energiespeicher 25 usw. Durch Betrieb des Motor-Chiller-Kreislaufs 36 wird eine Abwärme des Elektromotors 2, 3 in den Energiespeicher 25 eingetragen, um den Energiespeicher bei kalten Umgebungsbedingungen zu heizen. In diesem Betriebszustand sind der Chiller 29 und der Kältekreis 40 vorzugsweise ausgeschaltet. Abhängig von den Umgebungs- und Betriebsbedingungen können der Chiller 29 und der Kältekreis 40 aber auch in Betrieb sein.
-
Mit den HVS-Umschaltmitteln 32 kann ein vom elektrischen Energiespeicher 25 kommender Kühlmittelstrom in die Verbindungsleitung 35 geleitet werden, wobei dieser Kühlmittelanteil als Motor-Anteil bezeichnet wird. Ferner kann mit den HVS-Umschaltmitteln 32 der vom elektrischen Energiespeicher 25 kommende Kühlmittelstrom in die Verbindungsleitung 36 geleitet werden, wobei dieser Kühlmittelanteil als Bypass-Anteil bezeichnet wird, weil dieser an den Elektromotoren 2, 3 vorbeigeführt wird.
-
Mit den HVS-Umschaltmitteln 32 kann der gesamte vom elektrischen Energiespeicher 25 kommende Kühlmittelstrom, d.h. der an einem Eingang der HVS-Umschaltmittel 32 vorliegende Kühlmittelstrom, in die Bypassleitung 34 geführt werden, während eine Durchströmung der Verbindungsleitung 35 gesperrt wird. Damit wird der HVS-Chiller-Kreislauf 6 ausgebildet während der Motor-Chiller-Kreislauf 36 nicht aktiv ist.
-
Ferner kann mit den HVS-Umschaltmitteln 32 der gesamte vom elektrischen Energiespeicher 25 kommende Kühlmittelstrom, d.h. der an einem Eingang der HVS-Umschaltmittel 32 vorliegende Kühlmittelstrom, in die Verbindungsleitung 35 geführt werden, während eine Durchströmung der Bypassleitung 34 gesperrt wird. Damit wird der Motor-Chiller-Kreislauf 36 ausgebildet, während der HVS-Chiller-Kreislauf 6 nicht aktiv ist.
-
Ferner kann mit den HVS-Umschaltmitteln 32 eine Zwischenstellung realisiert werden, so dass gleichzeitig eine Durchströmung der Bypassleitung 34 als auch der Verbindungsleitung 35 erfolgt. Damit ist gleichzeitig der HVS-Chiller-Kreislauf 6 als auch der Motor-Chiller-Kreislauf 36 in Betrieb. Dabei wird der vom elektrischen Energiespeicher 25 kommende Kühlmittelstrom, d.h. der an einem Eingang der HVS-Umschaltmittel 32 vorliegende Kühlmittelstrom, in den Motor-Anteil und den Bypass-Anteil aufgeteilt.
-
Der HVS-Chiller-Kreislauf 6 und/oder der Motor-Chiller-Kreislauf 36 kann gleichzeitig zum vorstehend beschriebenen Motor-Kühlkreislauf 1 betrieben werden.
-
Diese Betriebsmodi sind nicht abschließend und der Fachmann ist sicher in der Lage anhand der aufgezeigten Funktionalität und des Schaltschemas des Wärmemanagementsystems weitere Betriebsmodi vorteilhaft zu nutzen.
-
3 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zu diesem Ausführungsbeispiel werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben und ansonsten auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
-
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Heizstrang-Ventil 8 und dem Kondensator 15 ein WT-Ventil 24 angeordnet, welches als 3/2-WegeVentil, insbesondere als 3/2-Wege-Proportionalventil, ausgeführt ist. In einer ersten Schaltstellung des WT-Ventils 24 wird das Heizstrang-Ventil 8 mit dem Kondensator 15 verbunden und ein weiterer Anschluss des WT-Ventils gesperrt. In einer zweiten Schaltstellung wird ein vom Heizstrang-Ventil 8 kommender Kühlmittelstrom über einen Wärmetauscher 33 geleitet und nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 33 zum Kondensator 15 geführt. Im Wärmetauscher 33 durchströmen das Kühlmittel des Heizstrangs 8 und das Kühlmittel des Chiller-Strangs 30 fluidisch getrennt voneinander den Wärmetauscher 33. Somit kann Wärme vom Chiller-Strang 30 in den Heizstrang 13 oder vom Chiller-Strang 30 in den Heizstrang 13 eingetragen werden. In Zwischenstellungen werden die Kühlmittelströme entsprechend aufgeteilt.
-
4 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass in der Heiz-Rückleitung 23 ein Rückschlagventil 38 vorgesehen ist, welches nur eine Kühlmittelströmung vom Ausgang des Innenraumwärmetauschers 18 zum Heizstrang-Ventil 8 zulässt. Dieses Rückschlagventil 38 kann ebenso in der Heiz-Rückleitung 23 des zweiten Ausführungsbeispiels vorgesehen sein.
-
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Motor-Kühlkreis
- 2
- Elektromotor
- 3
- Elektromotor
- 4
- Leistungselektronik-Komponente
- 6
- HVS-Chiller-Kreislauf
- 7
- Chiller-Ventil
- 8
- Heizstrang-Ventil
- 9
- HVS-Strang
- 10
- HVS-Pumpe
- 11
- HT-Kühler
- 12
- Kühler-Pumpe
- 13
- Heizstrang
- 14
- NT-Kühler
- 15
- Wassergekühlten Kondensator
- 16
- Heizkreis-Pumpe
- 17
- Elektrischen Heizer
- 18
- Innenraumwärmetauscher
- 19
- Luftführung
- 20
- Gebläse
- 21
- Ausgleichsbehälter
- 22
- EDH-Heizkreis
- 23
- Heiz-Rückleitung
- 25
- Elektrischen Energiespeicher
- 26
- HVS-Ventil
- 27
- Rückschlagventil
- 28
- Verzweigung
- 29
- Chiller
- 30
- Chiller-Strang
- 31
- Verbindungsleitung
- 32
- HVS-Umschaltmittel
- 34
- Bypassleitung
- 35
- Verbindungsleitung
- 36
- Motor-Chiller-Kreislauf
- 37
- Rückschlagventil
- 38
- Rückschlagventil
- 40
- Kältekreislauf
- 41
- Klima-Verdampfer
- 42
- Expansionsventil
- 43
- Expansionsventil
- 44
- Elektrischen Verdichter
- 45
- Innere Wärmetauscher
- 46
- Innere Wärmetauscher
- 47
- Rückschlagventil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102019132688 A1 [0003]
