WO2024003256A1 - Wärmeenergiesystem zum regulieren von temperaturen eines fahrzeugs und fahrzeug mit einem solchen - Google Patents

Wärmeenergiesystem zum regulieren von temperaturen eines fahrzeugs und fahrzeug mit einem solchen Download PDF

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WO2024003256A1
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line path
heat exchanger
coolant flow
designed
downstream
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PCT/EP2023/067837
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Axel Rohm
Tobias HÖCHE
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • Thermal energy system for regulating temperatures of a vehicle and vehicle with such
  • the invention relates to a thermal energy system for regulating temperatures of a vehicle and a vehicle comprising such a thermal energy system.
  • Electric vehicles require a cooling system to reduce power losses in the aggregates (battery, electric motor, reduction gear, bearings, etc.) and electronic components (power electronics such as inverters, DC/DC converters, DC-AC converters, etc.). during operation and when charging the battery.
  • battery electric motor, reduction gear, bearings, etc.
  • electronic components power electronics such as inverters, DC/DC converters, DC-AC converters, etc.
  • the vehicle systems usually have several cooling circuits, some of which can be coupled together to form a thermal management system.
  • a thermal management system there is a water-glycol-based coolant circuit through which the heat is dissipated to the environment.
  • Another circuit includes a heat pump/AC compressor for air conditioning of the passenger compartment or to support heat dissipation from the components.
  • a third circuit is provided in some systems to remove heat from the transmission's lubricating and cooling oil system.
  • the passenger cell is heated using a coolant heat exchanger from the cooling circuit of the electric drive and cooled via the cooling circuit of the air conditioning/heat pump, which requires additional heat exchangers for the air conditioning system.
  • additional electric heaters are usually required, which heat either the coolant flow or the interior air directly.
  • the second principle combines the heating and cooling functions via the refrigeration circuit by using a condenser heat exchanger instead of a heating heat exchanger and, depending on requirements, the air is passed either through this (heating) or through the evaporator heat exchanger (cooling).
  • a condenser heat exchanger instead of a heating heat exchanger
  • the air is passed either through this (heating) or through the evaporator heat exchanger (cooling).
  • the energy storage/rechargeable battery/high-voltage, HV battery also has losses in energy turnover, due to the chemical and physical processes within the cells. Their influence depends on the power and temperature, so that at low powers the power loss is also low and the greater the energy conversion, the higher the internal losses. To ensure cooling performance, liquid cooling is provided in most systems.
  • the well-known thermal management systems separate the interior air conditioning functions (heating/cooling) into several heat exchangers (water-air for heating and refrigerant-air for cooling). Electric auxiliary heaters are often provided for this purpose.
  • the series connection of the cooling of power electronics and the electric machine (drive machine or electric motor) of the electric drive leads to the performance of the electric machine or the efficiency of the electric drive (eDrive) suffering.
  • Due to relatively high temperature of the coolant The cooling capacity is limited and thus also the maximum continuous current of the power electronics. The lower the temperature of the coolant, the greater the cooling capacity and therefore also the possible current strength.
  • a thermal energy system for regulating temperatures of a vehicle, in particular an electric vehicle, comprising a heat pump with a cooling unit for cooling a coolant flow and a heating unit for heating a coolant flow.
  • the thermal energy system further comprises a low-temperature, LT line path starting downstream of the cooling unit and a high-temperature, HT line path starting downstream of the heating unit, each of which is designed to conduct a coolant flow along the respective path, with the LT line downstream of the cooling unit.
  • Line path is designed for cooling at least a first electronic unit.
  • a first of the HT and NT line paths is designed to direct the coolant flow to an engine of the vehicle and to direct the coolant flow, in particular downstream of the engine, to the heating unit, wherein a second of the HT and NT line paths is designed to direct the coolant flow to the cooling unit is formed.
  • the thermal energy system is further configured to heat at least one of a passenger compartment heat exchanger and a radiator of the vehicle by means of one of the first and second conduction paths, the thermal energy system for heating the at least one of the first Thermal energy absorbed by the electronic unit, the heat pump and the motor is used.
  • An electronic unit of the first and/or further electronic units (see below) of the vehicle can be an electronic unit that generates thermal energy, in particular during operation, and thus heats up.
  • the electronics unit can be cooled, for example, by means of the coolant flow of the NT line path.
  • the electronic unit can be one of control electronics, an inverter, a DC/DC converter, a DC/AC converter and an on-board charger (OBC).
  • OBC on-board charger
  • Two, three, four or more electronic units can be cooled or heated, in particular cooled, using the proposed system.
  • At least one of the first electronic units mentioned below can be designed to control a vehicle drive of the vehicle.
  • the first and further electronic units can include electronic subsystems.
  • the first and/or further electronic units can comprise a single electronic unit or two, three or more electronic units.
  • the first electronic units can in particular include two or three electronic units (subsystems and components).
  • At least one of the first and further electronic units can be flowed through in series (in series) by one of the line paths, in particular the coolant flow of the NT line path, whereby the sequence can advantageously be determined based on requirements and/or cooling power requirements of the electronic units to be flowed through.
  • the sequence seems particularly advantageous in such a way that the electronic units with the highest cooling capacity requirement are first supplied with the coldest coolant flow so that the highest cooling capacity can be made available for them.
  • the coolant flow can then be fed to the electronic units with lower cooling power requirements (e.g.
  • cooling capacity requirement A different supply sequence is possible and can be determined based on the cooling power requirements of the various electronic units.
  • the volume flow in the coolant circuits can be customized or be provided together, but can be tailored in particular to the cooling performance requirements of all electronic systems and/or electronic units.
  • a thermal energy system for a vehicle in particular an electrically driven vehicle with the engine, in particular an electric motor, is proposed, the energy storage/battery of which is not actively tempered via a central thermal management.
  • the battery can have its own active cooling using a coolant circuit or can be tempered using other measures.
  • air cooling is known, or passive cooling will result from low losses in future technologies.
  • the energy losses from the electrical components as well as the energy from the passenger cell (FGZ) during air conditioning are used as much as possible and, if possible, only excess, no longer usable energy is dissipated into the environment.
  • valves and coolant pumps can be reduced based on the proposed structure, resulting in simplified use of the system, lower manufacturing costs and lower maintenance costs.
  • the engine cooling or an engine heat exchanger, in particular an oil-water heat exchanger (see below) of an oil-cooled engine is assigned to the HT line path, while first electronic units, such as power electronics, an OBC, a controller, etc .are integrated in the NT line path.
  • first electronic units such as power electronics, an OBC, a controller, etc .are integrated in the NT line path.
  • the separation of the motor and the first electronic unit offers the advantage that the electronic unit can be cooled with a lower flow temperature and thus higher performance and efficiency can be achieved, while the motor itself can generally withstand higher temperature levels or can be subjected to a significantly longer load due to its high thermal mass until the limit temperature is reached.
  • the first and/or further electronic units can be flowed through in series, one after the other, the order being determined based on the requirements or cooling power requirements of the electronic units.
  • the sequence seems particularly advantageous in such a way that the electronic unit is first supplied with the coldest fluid and then flows through the central computer, while the OBC (on-board charger) is flowed through at the end, since this is only active when the other systems are switched off or do not generate any significant power loss/there is no need for cooling power.
  • a parallel supply is basically possible, or a combination of serial and parallel flow, although it must be taken into account that in this arrangement the cooling capacity is divided according to the mass flow ratios. It can be advantageous to hydraulically balance the volume flows in accordance with the expected cooling performance conditions, taking into account the pressure conditions of the electronic units using diaphragms at the inlet of these.
  • Another feature of the system is the indirect air conditioning of the cabin/passenger cell, which can be implemented via the only passenger cell heat exchanger, which, depending on requirements, is supplied with either warm coolant from the HT line path (heating requirement) or cold coolant from the NT line. Line path (cooling requirement) is supplied. Under certain requirements it may be necessary to dehumidify the air in the passenger compartment. For this purpose, it is advantageous to provide one heat exchanger for heating/heating, connected to the HT line path, and one for cooling, connected to the LT line path.
  • the low-temperature, LT line path that begins downstream of the cooling unit is to be understood as meaning a line path that begins at or near the cooling unit and/or exits from the cooling unit.
  • HT line path is to be understood as a line path that begins at or near the heating unit and/or exits from the heating unit.
  • the heat pump can further comprise a refrigerant reservoir, a compressor and a valve, in particular an expansion valve or a throttle.
  • the heat pump can be designed to absorb heat energy from a coolant stream supplied to the cooling unit by means of the cooling unit (chiller) and to heat energy supplied to a flow of coolant supplied to the heating unit by means of the heating unit (liquid cooled condenser, LLC). Dispense coolant flow.
  • the refrigerant reservoir may include coolant.
  • the heat energy supplied can at least partially be the heat energy absorbed by the cooling unit.
  • the heat energy supplied can also include lost heat energy from the heat pump.
  • the coolant flow supplied to the cooling and heating units and the coolant flow exiting the units can be directed to and discharged from the units by means of one or more lines.
  • the system may further include a first and/or a second coolant pump, each configured to pump a coolant flow along one of the first and second line paths.
  • the first coolant pump may be arranged downstream of the first line path in front of the engine, with the second coolant pump being arranged downstream of the second line path in front of the cooling unit.
  • the first and/or the second coolant pump may have an active and an inactive state.
  • the first and/or the second coolant pump can be designed in the active state to pump the coolant flow along the respective line path, wherein the first and/or the second coolant pump can be designed in the inactive state to forward the coolant flow without pumping .
  • the at least one first electronic unit and further electronic units can have one of an on-board charger, OBC, a controller and a Be vehicle electronics unit, wherein the vehicle electronics unit is designed to control the vehicle and its systems or units.
  • the passenger cell heat exchanger can have a first and a second heat exchanger or instead of the passenger cell heat exchanger, the first and second heat exchangers can be present or provided, which are designed to heat and/or cool the passenger cell.
  • the system may include the cabin heat exchanger, the first and/or the second heat exchanger.
  • the passenger cell heat exchanger, the first and/or the second heat exchanger can be designed for air conditioning of the passenger cell.
  • the first and/or the second heat exchanger can be an air-water heat exchanger.
  • the HT line path can have a higher temperature than the LT line path.
  • the first line path may be the HT line path and may be configured to direct the coolant flow along the HT line path upstream of the engine to the first heat exchanger, such that the HT line path is adapted to heat (due to the higher temperature of the coolant flow of the HT line path) at least the first heat exchanger is formed.
  • the second line path can be the NT line path and can be designed to guide the coolant flow along the NT line path downstream of the first electronic unit (e.g. charger (OBC), controller, etc.) to the second heat exchanger, so that the LT line path to the Cooling (due to the lower temperature of the coolant flow of the NT line path) of at least the second heat exchanger is formed.
  • OBC charger
  • the first heat exchanger can be designed to heat the passenger compartment, with the second heat exchanger being designed to cool the passenger compartment.
  • the second heat exchanger can be designed to dehumidify the passenger compartment, in particular the air located in the passenger compartment.
  • This structure can be described as a dual-circuit structure because the LT line path begins at the cooling unit and, after cooling the first electronic unit and the passenger compartment (via the second heat exchanger), directs the coolant flow back to the cooling unit.
  • the HT conduction path begins at the heater unit, warms the passenger compartment (via the first heat exchanger), cools the engine, and returns the coolant flow to the heater unit. Accordingly, there are two coolant circuits.
  • the air By operating both heat exchangers in parallel, the air can be dehumidified the air is first passed over the second heat exchanger and cooled in the process, whereby the moisture can be condensed and removed. The air is then passed through the first heat exchanger and heated back to the target temperature level.
  • the first heat exchanger can be designed in such a way that excess heat energy cannot be released exclusively to the passenger compartment air, but at least partially to the environment (radiator function/vehicle cooler).
  • the passenger cell can be dehumidified.
  • the first line path can be the NT line path and can be designed to guide the coolant flow along the NT line path downstream of the first electronic unit and upstream in front of the engine to the second heat exchanger, so that the NT line path is designed in particular to cool the first electronic unit, the second heat exchanger and the engine is designed. Consequently, the first electronic unit, the second heat exchanger and the motor are cooled in series by the coolant flow of the NT line path.
  • the second line path can be the HT line path and can be designed to guide the coolant flow along the HT line path downstream of the heating unit and upstream of the cooling unit to the first heat exchanger, so that the HT line path is designed in particular to heat at least the first heat exchanger .
  • the thermal energy of the first electronic unit, the second heat exchanger and the motor absorbed by means of the LT line path can be transferred via the cooling unit to the heating unit to the HT line path, which can consequently heat the first heat exchanger.
  • the LT line path begins at the cooling unit and cools the first Electronics unit, the passenger compartment and the engine and then directs the coolant flow to the heating unit.
  • the HT line path begins at the heating unit, warms the passenger compartment and directs the coolant flow back to the cooling unit. Accordingly, there is a single coolant circuit. The thermal coupling is ensured by the heat pump or the heating and cooling units, with thermal energy from the first line path being transferred exclusively via this to the second line path.
  • the system can have a compensation line with a compensation valve, in particular a throttle valve.
  • the compensation line can be connected to the NT and HT line paths.
  • the compensation line can be connected to the two line paths in such a way that a first end of the compensation line is connected to the LT line path upstream of the second coolant pump and downstream of the second heat exchanger.
  • a second end of the equalization line may be connected to the HT line path upstream of the first coolant pump and downstream of the first heat exchanger.
  • volume and/or pressure compensation can be set between the HT and LT line paths or the respective coolant circuits.
  • coolant can be added to or removed from the HT and NT line paths by means of the compensation line and the reservoir.
  • a compensating function of the compensating line between the HT and the NT line path can be carried out by means of a particularly relatively small line cross-sectional area.
  • a further filling unit can be provided for filling the compensation line with coolant.
  • the compensation valve may have a filling position during which coolant can be added. This structure is particularly advantageous if the dual-circuit structure is present and in particular if there are no valves for changing between single-circuit and dual-circuit structures.
  • the system may further include a first valve disposed downstream of the first and second heat exchangers or the passenger compartment heat exchanger and upstream of the heat pump as viewed along the first and second conduit paths.
  • the first valve can be designed between a first switching state a) and a second switching state b), wherein in the first switching state a) the first line path is the HT line path and the second line path is the NT line path, wherein in the second switching state b) the first line path is the NT -Line path and the second line path are the HT line path.
  • the dual-circuit structure can be present and according to the second switching state b) the single-circuit structure can be present.
  • the HT line path can be designed to direct the coolant flow to the radiator arranged along the HT line path, in particular to heat the radiator.
  • the system may include the radiator.
  • the radiator can be designed to absorb thermal energy from a coolant stream supplied to the radiator and to release it to an ambient fluid, in particular air. Furthermore, the radiator can be designed to absorb thermal energy from the ambient fluid and supply it to the supplied coolant stream. The efficiency of the system can be further improved by exchanging heat energy with the surrounding fluid.
  • the system may include a first valve disposed downstream of the first and second heat exchangers or the passenger compartment heat exchanger and upstream of the heat pump as viewed along the first and second conduit paths, and a second valve disposed downstream of the first as viewed along the NT conduit path Electronic unit and in front of the radiator or in front of the passenger compartment heat exchanger, in particular in front of the first or second heat exchanger of the passenger compartment and along the HT line path downstream after the heating unit and in front of the first and second heat exchangers or of the passenger compartment heat exchanger.
  • the first valve can be designed to change between a first switching state a) and a second switching state b) and the second valve can be designed to change between a first switching state c) and a second switching state d).
  • the first line path can be the HT or NT line path and the second line path can be the NT or HT line path.
  • the switching states can be used to switch between the single-circuit structure and the Dual-circuit design for cooling all components can be switched independently of the air conditioning in the passenger compartment.
  • the first and/or the second valve can be designed as a flow valve. Furthermore, the first and/or the second valve can be arranged in such a way that all required operating states of the vehicle can be operated with the system through the respective combination of the valve positions or switching states.
  • the first and/or the second valve is advantageously provided as a radial rotary valve design, but another form (axial piston valve) is also possible.
  • the first and/or the second valve can be provided with a single actuator or can be actuated together using a suitable device.
  • valves also enables the coolant circuits of the LT and HT line paths to be connected as a hydraulic series connection of all units in the system, so that the vehicle can be operated even without the heat pump being operated, thus enabling the highest possible efficiency of the entire system.
  • the hydraulic series connection of all units makes it possible to achieve the highest possible efficiency of the entire system when the heat pump is switched off.
  • Restrictions in the A/C performance of the passenger cell can depend on the boundary conditions (ambient temperature, driving condition, operating conditions, sun exposure, etc.), but this can ensure the best possible efficiency.
  • the HT line path may be the second line path and the NT line path may be the first line path, the HT line path being used to direct the coolant flow to the downstream in series arranged first heat exchanger and the radiator, in particular for heating the downstream in series arranged first heat exchanger and the radiator and the NT line path is designed to direct the coolant flow to the downstream in series arranged second heat exchanger and the motor, in particular for cooling the downstream in series arranged second heat exchanger and the motor.
  • the single-circuit structure can be present when the first and second heat exchangers of the passenger compartment are present.
  • the HT line path can be the second line path and the NT line path can be the first line path, the HT line path being used to direct the coolant flow to the radiator arranged downstream , in particular for heating the radiator arranged downstream and wherein the NT line path is designed to direct the coolant flow to the passenger cell heat exchanger arranged in series downstream and the engine, in particular for cooling the passenger cell heat exchanger arranged in series downstream and the engine.
  • the single-circuit structure can be present when the individual passenger cell heat exchanger of the passenger cell is present.
  • the engine may include a first and/or a second engine of the vehicle.
  • the first engine can be designed for front-wheel drive or for rear-wheel drive.
  • the second engine can be designed for front-wheel drive or rear-wheel drive. If both engines are present, all-wheel drive may be provided.
  • the first motor can be arranged along the first line path after the second motor, wherein the first line path is designed to direct the coolant flow to the first and second motors, in particular to cool the first and second motors.
  • the first motor can in particular be arranged along the NT line path downstream of the passenger compartment heat exchanger and the LT line path can be designed to cool the passenger compartment heat exchanger and to direct the coolant flow to the first engine, in particular to cool the first engine.
  • the second motor may be arranged in series or parallel to the first electronics unit and downstream of the LT line path in front of the passenger compartment heat exchanger, and the LT line path may be used to direct the coolant flow to the parallel-connected electronics unit and the second Motor have a coolant flow parallel connection.
  • the NT line path can be designed to cool the electronic unit connected in parallel and the second motor.
  • the coolant parallel connection can be combined again into a single line in front of the passenger cell heat exchanger.
  • the HT line path can be the first line path and the NT line path can be the second line path, the NT line path being used to guide the coolant flow to the passenger cell heat exchanger arranged downstream of the first power electronics, can be designed in particular for cooling the passenger cell heat exchanger arranged downstream of the first electronic unit.
  • the HT line path can be designed to direct the coolant flow to the radiator and the first motor arranged downstream of the radiator, in particular for heating the radiator and heating/cooling the first motor arranged downstream of the radiator. According to these switching states, lost energy can be released to the ambient fluid by means of the radiator. According to these switching states, the dual-circuit structure can be present.
  • the HT line path can be the first line path and the NT line path can be the second line path, the HT line path being used to direct the coolant flow to the passenger compartment heat exchanger and to the one arranged downstream of the passenger compartment heat exchanger first motor, in particular for heating the passenger cell heat exchanger and cooling the first motor arranged downstream of the passenger cell heat exchanger.
  • the dual-circuit structure can be present.
  • the cooling unit can have an active and an inactive state, wherein in the active state the cooling unit cools the coolant flow of the second line path supplied to the cooling unit and provides it to the NT line path and in the inactive state the cooling unit supplies the coolant flow of the second line path supplied to the cooling unit the LT line path without thermal energy exchange.
  • “Without heat exchange” means that the cooling unit is not in is in operation and therefore does not cool the coolant flow and only forwards it. A thermal energy exchange can therefore be prevented or stopped.
  • the NT line path may be designed to receive thermal energy from the radiator, which is arranged downstream of the first electronics unit along the NT line path.
  • the heat pump can have an active and an inactive state, wherein in the active state there is an exchange of heat energy between the cooling unit and the heating unit and in the inactive state there is no exchange of heat energy between the cooling unit and the heating unit. Consequently, in the inactive state, no heat energy is transferred from the cooling unit to the heating unit. A thermal energy exchange can therefore be prevented or stopped.
  • the radiator can have an active and an inactive state, wherein in the active state the radiator is designed to cool or heat an ambient fluid of the vehicle and in the inactive state of the radiator there is no exchange of heat energy with the ambient fluid and/or the radiator.
  • a thermal energy exchange can therefore be prevented or stopped.
  • a parallel line for conducting the respective coolant flow can be provided, which directs the coolant flow parallel to the radiator, so that no exchange of thermal energy with the ambient fluid takes place.
  • a bypass valve can be provided, by means of which the respective coolant flow is directed to the radiator or to the parallel line.
  • the system may further include the passenger compartment heat exchanger, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger.
  • the passenger cell heat exchanger, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger can have an active and an inactive state, wherein in the active state the passenger cell heat exchanger, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger are designed for cooling and/or heating the passenger cell.
  • the first Heat exchanger and/or the second heat exchanger does not exchange heat energy with the passenger compartment, in particular the air in the passenger compartment.
  • the coolant flow of the HT line path may have a higher temperature when leaving the heating unit than the coolant flow of the LT line path when leaving the cooling unit.
  • a temperature difference between the HT and NT line paths can be 0 to 10K, 0 to 50K, in particular 0 to 100K.
  • the thermal energy system can further include an engine heat exchanger, in particular an oil-water heat exchanger, ⁇ WWT for the engine or the first engine. Additionally or alternatively, the oil-water heat exchanger can be designed to absorb thermal energy from the engine or the first engine and to release it to the coolant flow of the first line path, so that the first line path cools the engine or the first engine.
  • the thermal energy system may further include an oil pump configured to pump oil from the engine or the first engine to the ⁇ WWT for cooling or warming the engine or the first engine. The oil can be further routed from the ⁇ WWT to the engine or the first engine. Accordingly, an engine oil circuit can be present.
  • the engine heat exchanger can have an active and an inactive state.
  • the engine heat exchanger may transfer thermal energy from the engine to the coolant flow of the HT line path or receive thermal energy from the coolant flow.
  • the engine can be cooled or heated accordingly.
  • the heat energy exchange does not take place or the transfer of heat energy is prevented.
  • the engine heat exchanger may have an active and an inactive state, with the engine heat exchanger in the active state exchanging thermal energy between the engine and the coolant flow of the first conduction path. In the inactive state, no heat energy exchange takes place.
  • the thermal energy system may be configured based on an operating mode of the vehicle to include the first coolant pump, the second coolant pump, the cooling unit, the heat pump, the radiator, the passenger compartment heat exchanger, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger of one of the inactive and active states switch to the other of the inactive and active states.
  • the thermal energy system can switch the first and/or the second valve from one of the two switching states to the other of the two switching states based on the operating mode.
  • the operating mode may include at least one eco mode, in which the thermal energy system switches the first coolant pump, the second coolant pump, the radiator, the passenger compartment heat exchanger, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger into the active state.
  • the single-circuit structure can be set.
  • the cooling unit and/or the heat pump can be in the inactive state in order to minimize electrical energy requirements.
  • the motor, the first and/or the second motor may be or include an electric motor.
  • the HT and/or the NT line path can have an active and an inactive state, with heat energy transport taking place through the respective coolant flow in the active state and no heat energy transport taking place in the inactive state.
  • the coolant flow can be circulated in the respective line path.
  • the first and/or the second coolant pump can be operated via a single pump motor, whereby there is a forced coupling of the two speeds/delivery rates. If the first and second coolant pumps have separate drives, one of the coolant pumps can be switched off.
  • the object is achieved by a vehicle, in particular an electric vehicle, comprising a system according to the first aspect.
  • a vehicle in particular an electric vehicle, comprising a system according to the first aspect.
  • Previously described features of the first aspect can be designed as features of the second aspect.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a thermal energy system according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a thermal energy system according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 and 5 show a schematic view of a thermal energy system according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 6 to 8 show a schematic view of a thermal energy system according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic view of a thermal energy system according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic view of a thermal energy system according to a seventh exemplary embodiment
  • FIG. 11 shows a schematic view of a thermal energy system according to an eighth exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic view of a thermal energy system according to a ninth exemplary embodiment
  • Fig. 19 is a schematic representation of a vehicle with a thermal energy system.
  • the thermal energy system includes a heat pump 110 with a heating unit 111, a cooling unit 112, an expansion valve 113, a compressor 114 and a reservoir 1 15.
  • the cooling unit 1 12 is designed to contain a coolant or coolant supplied to the cooling unit 112. to cool the supplied coolant flow.
  • the heating unit 111 is designed to heat a coolant stream supplied to it.
  • the heat pump 110 is designed with the expansion valve 113, the compressor 114 and the reservoir 115 to at least partially, in particular completely, transfer the heat energy, which is absorbed by the cooling unit 112 for cooling the coolant flow, to the heating unit 111. Furthermore, heat loss energy can be transferred from the heat pump 110 to the coolant flow by means of the heating unit 111.
  • the heating unit 111 can use this thermal energy to heat the coolant stream supplied to it.
  • a high-temperature, HT line path HT begins at the heating unit 111 and a low-temperature, NT line path NT begins at the cooling unit 112. Both line paths are designed to conduct a coolant flow along the respective line path.
  • the line paths can be designed as pipes, hoses, channels and/or as a combination of these.
  • the coolant flow of the HT line path has a higher temperature when leaving the heating unit 11 1 than the LT line path when leaving the cooling unit 112, a temperature difference can be up to 100K.
  • the NT line path is designed for cooling at least a first electronic unit 120.
  • the first electronic unit 120 can be designed to control the vehicle drive of the vehicle. According to Fig. 1, three first electronic units are shown, which are connected in series and are cooled by the NT line path.
  • a second line path II of the HT and NT line paths directs the coolant flow to the cooling unit 1 12.
  • the first line path I is the HT line path and the second line path II is the NT line path.
  • the thermal energy system 100 is designed to provide at least one of a passenger compartment heat exchanger 140, in particular a first heat exchanger 141 and/or a second heat exchanger 142 of the passenger compartment of the vehicle and a radiator 170 of the vehicle by means of one of the two line paths I, II, wherein the thermal energy system 100 uses the thermal energy absorbed by at least the first electronic unit, in particular the first power electronic unit 120, the heat pump 110 and the motor 130 for heating.
  • the NT line path as a second line path II directs the coolant flow downstream of the power electronics 120 to the second heat exchanger 142 of the passenger cell.
  • the second heat exchanger 142 is designed to cool the passenger compartment.
  • the second heat exchanger 142 is set up to dehumidify the air in the passenger compartment.
  • a second coolant pump 152 for pumping the coolant flow is arranged downstream of the second heat exchanger 142.
  • the NT line path returns the coolant flow to the cooling unit 112.
  • the cooling unit 112 can accommodate this and accordingly reduce a temperature of the coolant flow.
  • the thermal energy absorbed by the cooling unit 112 is transferred to the heating unit 111 by the heat pump 110, with the heating unit 111 supplying the thermal energy to the coolant flow of the HT line path.
  • the HT line path as the first line path I supplies its coolant flow to the first heat exchanger 141 for heating the passenger compartment. Additionally or alternatively, heat energy can be released to the environment by means of the first heat exchanger 141.
  • the coolant flow loses thermal energy accordingly.
  • the HT line path directs the coolant flow to a motor 130.
  • a first coolant pump 151 for pumping the coolant flow is arranged between the second heat exchanger 141 and the motor 130.
  • the motor 130 is arranged on an electric motor section EA, which generates a front-wheel drive of the vehicle in FIG. 1.
  • the engine 130 is cooled using the coolant flow of the HT line path and the heated coolant flow is supplied to the heating unit 111.
  • there are two individual coolant circuits (dual-circuit structure), which is represented by the solid line of the first conduction path and the dashed line of the second conduction path. Due to the structure shown in FIG. 1, there are no valves for flow control and the structure is correspondingly simple.
  • the thermal coupling of the two coolant circuits is ensured via the heat pump 110, whereby the heat from the LT line path can only be transferred to the HT line path and then dissipated to the environment and/or the passenger compartment.
  • the first heat exchanger 141 along the HT line path is designed such that at least some of the thermal energy for heating the passenger compartment and excess thermal energy can be dissipated to the environment.
  • the system 100 in FIG. 1 has a compensation line AL with a compensation valve AV, in particular a throttle valve.
  • the compensation line AL is connected to the NT and HT line paths.
  • the compensation line is connected to the two line paths in such a way that a first end of the compensation line AL is connected to the NT line path upstream of the second coolant pump 152 and downstream of the second heat exchanger 142.
  • a second end of the compensation line AL is connected to the HT line path upstream of the first coolant pump 151 and downstream of the first heat exchanger 141.
  • coolant can be added to or removed from the HT and NT line paths by means of the compensation line AL and the reservoir 131.
  • a compensating function of the compensating line AL between the HT and the NT line path can be carried out by means of a particularly relatively small line cross-sectional area.
  • a further filling unit can be provided for filling the compensation line with coolant.
  • the compensation valve AV can have a filling position during which coolant can be added.
  • the structure with the compensation line is particularly advantageous for the dual-circuit structure and if this cannot be changed using additional valves.
  • Multiple arrows in the figures for certain units such as the motor 130, the heating unit 111, the cooling unit 112, the compressor 114, the first and second heat exchangers 141, 142 indicate an absorption or release of thermal energy.
  • the multiple arrows in the heating unit point to a release of thermal energy to the coolant flow to heat it.
  • the multiple arrows in FIG. 1 tend to point downwards in the image plane of the heating unit.
  • the multiple arrows of the cooling unit 112 tend to point upwards, since thermal energy is absorbed to cool the coolant flow.
  • the reservoir 131 can be designed to compensate for pressure changes or volume changes due to temperature differences in the coolant flow by adding or removing coolant from the coolant flow.
  • the HT line path is the second line path II and the LT line path is the first line path I.
  • the LT line path begins at the cooling unit 112, cools the power electronics 120, the second heat exchanger 142 and the motor 130 and ends at the heating unit 111.
  • the HT line path begins at the heating unit 111, heats the first heat exchanger 141 and ends at the cooling unit 112.
  • only the second coolant pump 152 is used; the first coolant pump 151 is not required.
  • the second coolant pump is arranged along the HT line path between the first heat exchanger 141 and the cooling unit 112. According to FIG.
  • a common coolant circuit (single-circuit structure) is shown.
  • the single-circuit structure is characterized by the continuous lines of the first and second line paths I, II.
  • additional pumps may be required to ensure functionality, see for example Fig.3
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a thermal energy system 100, wherein in addition to the structure shown in FIG. 2, the first coolant pump 151 is arranged between the motor 130 and the second heat exchanger 142 along the NT line path.
  • 4 shows a fourth exemplary embodiment of a thermal energy system 100 with a first valve 161.
  • the first valve 161 is arranged along the first and second line paths I, II downstream after the first and second heat exchangers 141, 142 and in front of the heat pump 110.
  • the first valve 161 is designed to switch between a switching state a) and a switching state b), whereby in the switching state a) the first line path I is the HT line path and the second line path II is the NT line path, see Fig. 4.
  • the switching state a) creates the dual circuit structure with separate Coolant circuits set. If the first valve 161 changes to the switching state b), the single-circuit structure with a single coolant circuit is set.
  • Thermal energy can be delivered to the passenger compartment by heating the first heat exchanger 141.
  • the thermal energy can be transferred to the first heat exchanger 141 either to the passenger compartment or to the ambient air. Intermediate positions enable a continuous distribution of the heat energy released between the passenger compartment and the ambient air.
  • the heat pump 110 can be switched between an active and an inactive state, wherein in the active state thermal energy is absorbed from the coolant flow supplied to the cooling unit 112 and supplied to the coolant flow supplied to the heating unit. In the inactive state, the heating and cooling units 111, 112 forward the coolant flow without exchanging heat energy with the other coolant flow. In Figures 1 to 5, the heat pump 110 is in the active state.
  • FIG. 5 shows the single-circuit structure with thermal bypass using a heat pump 110 and heat dissipation to the environment via the first heat exchanger 141.
  • the heating of the passenger compartment is achieved by heating the supply air/interior air at least in a portion of the first heat exchanger 141.
  • the air flow which is not discussed in more detail in this document, must be designed according to the required air mass flows so that the heat can be distributed independently of the Passenger cell supplies can be dissipated and all comfort requirements can still be met.
  • Fig. 6 shows a fifth embodiment of a heat energy system 100 with a radiator 170.
  • the heat pump 110 is in the inactive state. Due to the inactive state of the heat pump 110, energy can be saved and the vehicle can be operated in an eco mode. Despite Eco mode, the various units can be cooled and heated as described above.
  • the radiator 170 is arranged along the second line path II between the first heat exchanger 141 and the second coolant pump 152. Furthermore, the radiator 170 can have an active and an inactive state, wherein in the active state the radiator can exchange heat energy with an ambient fluid, in particular air. In the inactive state, the corresponding coolant flow is passed on without exchanging thermal energy with the ambient fluid.
  • the HT line path is the second line path II and the NT line path is the first line path I.
  • the heat pump 110 and the radiator 170 of the thermal energy system 100 of the fifth exemplary embodiment are in the active state, with the two first and second switching states a) and b) of the first valve 161 being shown.
  • the single-circuit structure is shown in FIG. 7 and the dual-circuit structure is shown in FIG. 8.
  • the first heat exchanger 141 is assigned to the HT line path and the second heat exchanger 142 to the LT line path. This simplifies the structure advantageously, since only a single valve 161 is required to interconnect the LT and HT line paths, meaning that all relevant operating states can be operated.
  • the actuation of the valve 161 can be made particularly simple, since only two switching or switching states are required.
  • the two possible switching states a) and b) result in either the single-circuit structure, in which all components are connected in series, or the dual-circuit structure, in which the NT and HT line paths are separate from one another, where the thermal coupling in this case by the heat pump 110 takes place, ie the heat is transported from the LT line path into the HT line path.
  • the single-circuit structure also enables the highest possible efficiency to be achieved here, since the heat pump 110 can be switched off (eco mode; Fig. 6) and the heat loss can be dissipated directly to the environment.
  • the performance of the air conditioning and cooling of the components is limited by the ambient conditions, such as air temperature, solar radiation, etc., so that the Eco mode is only available as a function with possible restrictions in comfort and function or vehicle performance.
  • FIG. 9 shows a sixth exemplary embodiment of a thermal energy system 100, which, in comparison to the fifth exemplary embodiment, has two valves, namely a first and a second valve 161, 162.
  • the first valve 161 is arranged along the first and second line paths I, II downstream after the first and second heat exchangers 141, 142 or the passenger cell heat exchanger 140 and before the heat pump 110.
  • the second valve 162 is viewed along the NT line path downstream after the first power electronics 120 and in front of the radiator 170 or in front of the passenger compartment heat exchanger 140 and along the HT line path downstream after the heating unit 111 and in front of the first and second heat exchangers 141, 142 or the passenger cell heat exchanger 140 arranged.
  • the first valve 161 is designed to change between a first switching state a) and a second switching state b) and the second valve 162 is designed to change between a first switching state c) and a second switching state d).
  • the first line path I is the HT or NT line path
  • the second line path II is the NT or HT line path.
  • first and second switching states a) to d) of the first and second valves 161, 162 are defined as follows for improved understanding in accordance with the figures:
  • the single-circuit structure is present and the first valve 161 is in the second switching state b) and the second valve 162 is in the first switching state c).
  • the HT line path is the second line path II and the NT line path is the first line path I.
  • the HT line path directs the coolant flow due to the second valve 162 to the first heat exchanger 141 for heating the passenger compartment and then to the radiator 170.
  • the radiator 170 is in the active state, absorbing thermal energy from the coolant flow of the HT line path and releasing it to the ambient fluid.
  • the cooled coolant flow is then directed to the cooling unit 112.
  • the LT line path first cools the power electronics 120 and then the passenger cell through the second heat exchanger 142.
  • the electric motor section EA further comprises an engine heat exchanger, in particular an oil-water heat exchanger, ⁇ WWT 133 and an oil pump 132.
  • the oil-water heat exchanger 133 is designed to receive heat energy from the engine 130 through an oil flow and deliver it to the coolant flow of the first line path I, so that the first line path I cools the engine 130.
  • the oil pump 132 is suitable for pumping the oil along Oil lines are formed in the electric motor section EA.
  • the coolant flow of the LT line path leaving the second heat exchanger 142 cools the ⁇ WWT
  • first and second valves 161, 162 enable both single-circuit and dual-circuit designs for cooling all components and subsystems, regardless of the air conditioning of the passenger compartment, meaning that all relevant operating states can be operated.
  • FIG 9 shows an example of the single-circuit structure in the operating state "driving” and “air conditioning/heating of the passenger compartment” and “dehumidification of the interior air", in which the heat pump 110 transfers the heat energy via the thermal bypass already described above in front of the line electronics 120 or the Removed from the passenger cell and fed back into the coolant flow in front of the radiator 170.
  • 10 shows a seventh exemplary embodiment of a thermal energy system 100 with a first and a second motor 130, 134 and the second and first switching states b) and c) of the valves 161, 162.
  • the first motor 130 is similar to the previous exemplary embodiments along the first Line path I is arranged in front of the heating unit 1 11.
  • the second motor 134 is arranged along the NT line path in parallel and in series with the power electronics 120.
  • 10 further shows a high-temperature section HTA and a low-temperature section NTA. 10, the vehicle has a four-wheel drive with two motors 130,
  • a further second electronic unit in particular a second power electronic unit 121, can be arranged in series with the first motor 130.
  • FIG 11 shows an eighth exemplary embodiment of a thermal energy system 100 with the second and first switching states b) and c) of the valves 161, 162, in which, in contrast to the seventh exemplary embodiment, in the electric motor section EA the ⁇ WWT 133 and the oil pump 132 are provided. Furthermore, only the power electronics 120 is arranged along the NT line path.
  • the HT line path is the second line path II and directs the coolant flow through the radiator 170 and to the cooling unit 112.
  • FIG. 12 shows a ninth exemplary embodiment of a thermal energy system 100 with the second and first switching states b) and c) of the valves 161, 162, in which only the second engine 134 of the vehicle is provided.
  • FIG. 13 to 18 show a tenth exemplary embodiment of a thermal energy system 100 with a single motor 130 in the electric motor section EA, the electric motor section EA having the ⁇ WWT 133 and the oil pump 132.
  • the heat pump 110 is in the inactive state and the valves 161, 162 have the second and first switching states b) and c).
  • the coolant pump 151 pumps the coolant flow of the first line path I through the ⁇ WWT 133, cools the oil of the electric motor section EA, and then it is sent to the inactive heating unit 111 of the heat pump 110.
  • the HT line path is the second line path II and the coolant flow of the HT line path is directed to the radiator 170.
  • the radiator 170 cools the coolant stream by releasing thermal energy into the ambient fluid.
  • the second line path II then directs the coolant flow to the cooling unit 1 12.
  • the NT line path is the first line path I and initially cools the power electronics 120, the passenger cell through the passenger cell heat exchanger 140 and the engine 130 through the ⁇ WWT 133 before it directs the coolant flow to the heating unit 111.
  • the heat loss from the power electronics 120 and the motor 130 is dissipated to the environment. Air conditioning of the passenger cell is only possible to a limited extent depending on the ambient air temperature.
  • Fig. 13 can represent an eco mode of the vehicle.
  • the heat pump 110 is in the active state, so that the coolant flow is cooled by the cooling unit 112 and the coolant flow is heated by the heating unit 111. It will be the Heat loss from all components is dissipated to the environment. What proves to be advantageous here is that a thermal bypass is achieved by means of the heat pump 110, which leads to a significant increase in cooling performance by reaching the highest coolant temperature in the flow of the radiator 170 and at the same time the lowest coolant temperature in the flow of the power electronics 120 to be cooled single coolant circuit is achieved. Cooling of the passenger cell is also possible at higher ambient air temperatures.
  • the valves 161, 162 have the first switching states a) and c), so that the dual-circuit structure is present.
  • the HT line path is the first line path I and delivers thermal energy to the radiator 170 before the coolant flow through the ⁇ WWT 133 absorbs thermal energy from the engine 130 and is directed to the heating unit 111.
  • the NT line path is the second line path II and cools the power electronics 120, the passenger compartment through the passenger compartment heat exchanger 140 and returns the coolant flow to the cooling unit 1 12.
  • the heat loss from the motor 130 and the power electronics 120 from the LT line path and thermal energy from the passenger compartment, as well as the electrical power from the heat pump 1 10 are transferred to the HT circuit and dissipated to the environment.
  • the valves 161, 162 have the second switching states b) and d) and the dual-circuit structure is present.
  • a circulation of the coolant flow of the LT line path is possible, but no heat transport takes place.
  • the coolant pump 151 in the HT line path pumps the coolant flow through the ⁇ WWT 133 and absorbs heat loss from the engine 130.
  • the coolant flow then flows to the heating unit 111 of the heat pump 1 10 and absorbs energy, whereby the temperature of the coolant flow in the HT line path increases.
  • the coolant flow is then directed through the HT line path to the passenger compartment heat exchanger 140 to heat the passenger compartment.
  • the coolant flow is then directed to the first coolant pump 151. It will only be the heat lost from the electrical Power of the heat pump 110 is used in the coolant flow of the HT line path for heating.
  • the valves 161, 162 have the second switching states b) and d) and the dual-circuit structure is present.
  • both NT and HT line paths or the first and second line paths I, II are active compared to FIG. 16.
  • the coolant pump 151 pumps the coolant flow through the ⁇ WWT 133, which absorbs heat loss from the engine 130 and the coolant flow is directed through the first line path I to the heating unit 111.
  • the heating unit 111 heats the coolant flow and the HT line path or the first line path I directs the coolant flow to the passenger compartment heat exchanger 140 to heat the passenger compartment.
  • the coolant flow is then directed to the first coolant pump 151.
  • the NT line path directs the coolant flow to cool the power electronics 120 and on through the radiator 170, with no heat energy exchange taking place due to the temperature of the ambient fluid.
  • the coolant flow is further directed to the second coolant pump 152 and then to the cooling unit 112. Only the heat loss from the power electronics 120 is transferred from the LT line path and the electrical power from the heat pump 110 into the HT line path.
  • a temperature of the ambient fluid is higher than the temperature of the coolant flow of the NT line path or the second line path II, so that thermal energy from the ambient fluid can be supplied to the coolant flow by means of the radiator 170.
  • the heat loss from the power electronics 120 and the energy obtained from the ambient air from the LT line path, as well as the electrical power from the heat pump 110, are transferred to the HT line path.
  • FIG 19 shows a schematic representation of a vehicle 200 comprising a thermal energy system 100 according to one of the previous exemplary embodiments.
  • the vehicle 200 may be configured to control the thermal energy system 100.
  • the vehicle 200 can be designed to receive control commands to send one or more units of the thermal energy system 100 to control the thermal energy system 100.
  • the vehicle 200 may be an electric and/or electronic vehicle with an electronic motor (electric motor).
  • EA electric motor section 140 passenger compartment heat exchanger 141 first heat exchanger 142 second heat exchanger
  • first coolant pump 152 second coolant pump 161 first valve 162 second valve

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, umfassend eine Wärmepumpe mit einer Kühleinheit zum Kühlen eines Kühlmittelstroms und einer Heizeinheit zum Erwärmen eines Kühlmittelstrom; einen stromabwärts der Kühleinheit beginnenden Niedrigtemperatur-, NT- Leitungspfad und einen stromabwärts der Heizeinheit beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad, die jeweils dazu ausgebildet sind, einen Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Pfads zu leiten, wobei stromabwärts der Kühleinheit der NT-Leitungspfad zum Kühlen von zumindest einer ersten Elektronikeinheit ausgebildet ist, wobei das Wärmeenergiesystem dazu ausgebildet ist, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher und einem Radiator des Fahrzeugs mittels einem der ersten und zweiten Leitungspfade zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem zum Erwärmen die von zumindest einem der ersten Elektronikeinheit, der Wärmepumpe und dem Motor aufgenommene Wärmeenergie verwendet.

Description

Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen
Die Erfindung betrifft ein Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug umfassend ein solches Wärmeenergiesystem.
Elektrofahrzeuge benötigen ein Kühlsystem, um Verlustleistungen, die in den Aggregaten (Batterie, E-Maschine, Untersetzungsgetriebe, Lager, etc.) und elektronischen Komponenten (Leistungselektronik wie Inverter, DC/DC-Wandler, DC-AC-Wandler, etc.) im Betrieb und beim Laden der Batterie anfallen, abzuführen.
Die Fahrzeugsysteme weisen hierbei meist mehrere Kühlkreise auf, die zum Teil miteinander gekoppelt werden können, um ein Thermomanagement-System zu bilden. In der Regel ist ein Kühlmittelkreis mit Wasser-Glykol-Basis vorhanden, über den die Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Ein weiterer Kreis umfasst eine Wärme- pumpe/AC-Kom pressor zur Klimatisierung des Fahrgastraums oder zur Unterstützung der Wärmeabfuhr aus den Komponenten. Ein dritter Kreis ist in manchen Systemen zur Wärmeabfuhr aus dem Schmier- und Kühlölsystem des Getriebes vorgesehen.
Bei den bekannten Systemen herrschen zwei grundsätzliche Prinzipien bzgl. der Innenraumklimatisierung und der Kühlung der Leistungselektronik vor.
Die Fahrgastzelle wird mittels Kühlmittel-Wärmetauscher aus dem Kühlkreis des E- Antriebes geheizt und über den Kältekreis der Klimaanlage / Wärmepumpe gekühlt, was zusätzliche Wärmetauscher für die Klimaanlage erfordert. Für größere Heizleistungen sind meist zusätzliche elektrische Heizer erforderlich, die entweder den Kühlmittelstrom oder die Innenraumluft direkt erwärmen.
Das zweite Prinzip bündelt die Funktionen Heizen und Kühlen über den Kältekreis, indem statt einem Heiz-Wärmetauscher ein Kondensierer-Wärmetauscher eingesetzt wird und je nach Bedarf die Luft entweder durch diesen (Heizen) oder durch den Verdampfer-Wärmetauscher (Kühlen) geleitet wird. Allen Systemen ist gemein, dass die Leistungselektronik bzgl. Kühlung in Reihe zur elektrischen Maschine vorgeschaltet ist, wobei der dann vorgewärmte Kühlmittelstrom zur Kühlung des Motors verwendet wird.
Der Energiespeicher/Akku/Hochvolt-, HV-Batterie weist ebenfalls Verluste beim Energieumsatz auf, bedingt durch die chemischen und physikalischen Prozesse innerhalb der Zellen. Deren Einfluss ist leistungs- und temperaturabhängig, sodass bei geringen Leistungen die Verlustleistung ebenfalls gering und je größer der Energieumsatz desto höher die internen Verluste sind. Zur Sicherstellung der Kühlleistung ist dafür in den meisten Systemen eine Flüssigkeitskühlung bereitgestellt.
Zukünftige Energiespeichertechnologien werden wesentlich geringere Innenwiderstände aufweisen, sodass deren Kühlbedarfe infolge niedrigerer Lade-/Entladever- luste entsprechend geringer sein können und die Kühlung der Batterie angepasst werden kann. Erste Ausblicke zeigen, dass ein Verzicht auf eine aktive Kühlung auch bei hohen Antriebsleistungen möglich sein kann oder diese mittels Luftdurchströmung sichergestellt wird.
Antriebe, insbesondere elektrische Antriebe (E-Antriebe) benötigen eine intelligente Verteilung der Energie, um die verfügbare Batteriekapazität effizient auszunutzen. Die bekannten Thermomanagement-Systeme trennen die Funktionen Innenraumklimatisierung (Heizung/Kühlung) in mehrere Wärmetauscher auf (Wasser-Luft für die Heizung und Kältemittel-Luft für die Kühlung). Dazu sind häufig auch elektrische Zuheizer vorgesehen.
Neben den Kosten zeigen sich hier Nachteile im Bauraumbedarf und der Leitungslänge sowie dem Materialeinsatz.
Des Weiteren führt die Reihenschaltung der Kühlung von Leistungselektronik und der elektrischen Maschine (Antriebsmaschine oder elektrischer Motor) des E-Antriebs dazu, dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine oder die Effizienz des elektrischen Antriebs (eDrive) leidet. Durch relativ hohe Temperatur des Kühlmittels ist die Kühlleistung begrenzt und somit auch der maximale Dauerstrom der Leistungselektronik. Je geringer die Temperatur des Kühlmittels ist, desto größer ist die Kühlleistung und damit auch die mögliche Stromstärke.
Im Widerspruch dazu steht jedoch, dass eine niedrige Temperatur im eDrive zu erhöhten mechanischen Verlusten aufgrund der Viskosität des Öls führt. Es ist also ein Kompromiss zu finden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeenergiesystem und ein Fahrzeug bereitzustellen, die einen oder mehrere der zuvor genannten Nachteile beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Wärmeenergiesystem und ein Fahrzeug mit einem solchen bereitzustellen, bei dem Verlustenergie des Fahrzeugs bzw. einzelner Komponenten soweit wie möglich genutzt werden und nur überschüssige, nicht nutzbare Energie an die Umgebung abgegeben wird.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Wärmeenergiesystem zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs gelöst, umfassend eine Wärmepumpe mit einer Kühleinheit zum Kühlen eines Kühlmittelstroms und einer Heizeinheit zum Erwärmen eines Kühlmittelstrom. Weiter umfasst das Wärmeenergiesystem einen stromabwärts der Kühleinheit beginnenden Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad und einen stromabwärts der Heizeinheit beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad, die jeweils dazu ausgebildet sind, einen Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Pfads zu leiten, wobei stromabwärts der Kühleinheit der NT-Leitungspfad zum Kühlen von zumindest einer ersten Elektronikeinheit ausgebildet ist. Ein erster der HT- und NT-Leitungspfade ist zum Leiten des Kühlmittelstroms zu einem Motor des Fahrzeugs und zum Leiten des Kühlmittelstroms, insbesondere stromabwärts des Motors, zu der Heizeinheit ausgebildet, wobei ein zweiter der HT- und NT-Leitungspfade zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der Kühleinheit ausgebildet ist. Das Wärmeenergiesystem ist weiter dazu ausgebildet, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher und einem Radiator des Fahrzeugs mittels einem der ersten und zweiten Leitungspfade zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem zum Erwärmen die von zumindest einem der ersten Elektronikeinheit, der Wärmepumpe und dem Motor aufgenommene Wärmeenergie verwendet.
Eine Elektronikeinheit der ersten und/oder weiterer Elektronikeinheiten (siehe nachfolgend) des Fahrzeugs kann eine elektronische Einheit sein, die insbesondere im Betrieb Wärmeenergie erzeugt und sich somit erwärmt. Um eine Leistung der Elektronikeinheit zu gewährleisten, kann die Elektronikeinheit beispielsweise mittels des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads gekühlt werden. Die Elektronikeinheit kann eines von einer Steuerungselektronik, einem Inverter, einem DC/DC-Wandler, einem DC/AC-Wandler und einem On-Board-Charger (OBC) sein. Es können zwei, drei, vier oder mehr Elektronikeinheiten mittels des vorgeschlagenen Systems gekühlt o- der erwärmt, insbesondere gekühlt werden. Zumindest eine der ersten und nachfolgend genannten Elektronikeinheiten kann zur Steuerung eines Fahrzeugantriebs des Fahrzeugs ausgebildet sein. Die ersten und die weiteren Elektronikeinheiten können Elektronik-Subsysteme umfassen. Weiter können die ersten und/oder weiteren Elektronikeinheiten eine einzelne Elektronikeinheit oder zwei, drei oder mehr Elektronikeinheiten umfassen. Die ersten Elektronikeinheiten können insbesondere zwei oder drei Elektronikeinheiten (Subsysteme und Komponenten) umfassen. Zumindest eine der ersten und weiteren Elektronikeinheiten können seriell nacheinander (in Reihe) von einem der Leitungspfade, insbesondere dem Kühlmittelstrom des NT-Leitungs- pfads durchströmt werden, wobei vorteilhafterweise die Reihenfolge basierend auf Anforderungen und/oder Kühlleistungsbedarfe der zu durchströmenden Elektronikeinheiten bestimmt sein kann. Besonders vorteilhaft scheint die Reihenfolge derart, dass als erstes die Elektronikeinheiten mit dem höchsten Kühlleistungsbedarf mit dem kältesten Kühlmittelstrom versorgt werden, damit für diese die höchste Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Anschließend kann der Kühlmittelstrom den Elektronikeinheiten mit geringerem Kühlleistungsbedarf (z.B. Steuerung oder Steuerungsrechner) zugeführt werden, während der OBC (on-board charger) am Ende durchströmt wird, da dieser nur aktiv ist, wenn die anderen Systeme abgeschaltet oder keine wesentliche Verlustleistung erzeugen/kein Kühlleistungsbedarf vorhanden ist. Eine abweichende Versorgungsreihenfolge ist möglich und kann basierend auf den Kühlleistungsbedarfen der verschiedenen Elektronikeinheiten bestimmt sein. Der Volumenstrom in den Kühlmittelkreisen kann individuell oder gemeinsam vorgesehen werden, kann aber insbesondere auf die Kühlleistungsbe- darfe aller Elektroniksysteme und/oder Elektronikeinheiten abgestimmt werden.
Es wird folglich ein Wärmeenergiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit dem Motor, insbesondere einem Elektromotor vorgeschlagen, dessen Energiespeicher/Batterie nicht aktiv über ein zentrales Thermomanagement temperiert wird. Die Batterie kann dabei eine eigene aktive Kühlung mittels eines Kühlmittelkreises aufweisen oder aber durch andere Maßnahmen temperiert werden. Zum Beispiel sind Luftkühlungen bekannt, oder es ergibt sich infolge geringer Verluste bei zukünftigen Technologien eine passive Kühlung. Die Verlustenergien aus den elektrischen Komponenten sowie die Energie aus der Fahrgastzelle (FGZ) bei Klimatisierung wird so weit wie möglich genutzt und möglichst nur überschüssige, nicht weiter nutzbare Energie an die Umgebung abgeführt wird.
Eine Anzahl an Ventilen und Kühlmittelpumpen kann basierend auf dem vorgeschlagenen Aufbau reduziert werden, was zu einem vereinfachten Einsatz des Systems, geringeren Herstellungskosten und geringeren Wartungskosten führt.
Die Motor-Kühlung bzw. ein Motor-Wärmetauscher, insbesondere ein Öl-Wasser- Wärmetauscher (siehe nachfolgend) eines bzw. des ölgekühlten Motors ist dem HT- Leitungspfad zugeordnet, während erste Elektronikeinheiten, wie eine Leistungselektronik, ein OBC, eine Steuerung, etc. im NT-Leitungspfad eingebunden sind. Die Trennung von Motor und erster Elektronikeinheit bietet den Vorteil, dass die Elektronikeinheit mit niedrigerer Vorlauftemperatur gekühlt werden kann und damit höhere Leistung und Effizienz erreichbar ist, während der Motor selbst grundsätzlich höhere Temperaturniveaus erträgt, bzw. durch seine hohe thermische Masse wesentlich länger belastet werden kann, bis die Grenztemperatur erreicht ist. Damit kann die erforderliche Kühlleistung bedarfsgerecht und leistungsoptimiert sichergestellt und die Effizienz des Wärmeenergiesystems (Thermomanagement-System) gesteigert werden, indem die Verlustenergie aus dem Elektromotor nicht über die Wärmepumpe transportiert werden muss. Die ersten und/oder weitere Elektronikeinheiten können dabei sowohl seriell nacheinander durchströmt werden, wobei die Reihenfolge basierend auf den Anforderungen oder Kühlleistungsbedarfe der Elektronikeinheiten bestimmt ist. Besonders vorteilhaft scheint die Reihenfolge derart, dass als erstes die Elektronikeinheit mit dem kältesten Fluid versorgt und anschließend durch den Zentralrechner fließt, während der OBC (on-board charger) am Ende durchströmt wird, da dieser nur aktiv ist, wenn die anderen Systeme abgeschaltet oder keine wesentliche Verlustleistung erzeu- gen/kein Kühlleistungsbedarf vorhanden ist.
Eine abweichende Versorgungsreihenfolge ist möglich und geboten, falls die Kühlleistungsbedarfe es erfordern.
In einer weiteren Variante ist grundsätzlich eine parallele Versorgung möglich, oder eine Kombination aus serieller und paralleler Durchströmung, wobei berücksichtigt werden muss, dass in dieser Anordnung die Kühlleistung entsprechend der Massenstromverhältnisse aufgeteilt wird. Es kann vorteilhaft sein, die Volumenströme entsprechend der zu erwartenden Kühlleistungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse der Elektronikeinheiten mittels Blenden am Eintritt dieser hydraulisch abzugleichen.
Ein weiteres Merkmal des Systems stellt die indirekte Klimatisierung der Cabin/Fahr- gastzelle dar, die über den einzigen Fahrgastzellenwärmetauscher realisiert werden kann, der, je nach Bedarf entweder mit warmem Kühlmittel aus dem HT-Leitungspfad (Heizbedarf) oder kaltem Kühlmittel aus dem NT-Leitungspfad (Kühlbedarf) versorgt wird. Es kann unter bestimmten Anforderungen geboten sein, die Luft in der Fahrgastzelle zu entfeuchten. Dazu ist es vorteilhaft, jeweils einen Wärmetauscher für die Heizung/Erwärmung, angebunden an den HT-Leitungspfad, und einen für die Kühlung, angebunden an den NT-Leitungspfad, bereitzustellen.
Unter dem stromabwärts der Kühleinheit beginnenden Niedrigtemperatur-, NT-Lei- tungspfad ist ein Leitungspfad zu verstehen, der an oder bei der Kühleinheit beginnt und/oder aus der Kühleinheit austritt. Unter dem stromabwärts der Heizeinheit beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad ist ein Leitungspfad zu verstehen, der an oder bei der Heizeinheit beginnt und/oder aus der Heizeinheit austritt.
Die Wärmepumpe kann weiter ein ein Kältemittel reservoir, einen Kompressor und ein Ventil, insbesondere ein Expansionsventil oder eine Drossel umfassen. Die Wärmepumpe kann dazu ausgebildet sein, mittels der Kühleinheit (engl.: „chiller“) Wärmeenergie aus einem der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom aufzunehmen und mittels der Heizeinheit (engl.: „condenser / liquid cooled condenser, LLC“) Wärmeenergie an ein der Heizeinheit zugeführten Kühlmittelstrom abzugeben. Das Kältemittelreservoir kann Kühlmittel umfassen. Bei der zugeführten Wärmeenergie kann es sich zumindest teilweise um die mittels der Kühleinheit aufgenommene Wärmeenergie handeln. Die zugeführte Wärmeenergie kann weiter Verlustwärmeenergie der Wärmepumpe umfassen. Der den Kühl- und Heizeinheiten zugeführte Kühlmittelstrom und der aus den Einheiten austretende Kühlmittelstrom kann mittels einem oder mehreren Leitungen zu den Einheiten geleitet und von diesen abgeleitet werden.
Das System kann weiter eine erste und/oder eine zweite Kühlmittelpumpe umfassen, die jeweils zum Pumpen eines Kühlmittelstroms entlang eines der ersten und zweiten Leitungspfade ausgebildet sind. Die erste Kühlmittelpumpe kann stromabwärts des ersten Leitungspfads vor dem Motor angeordnet sein, wobei die zweite Kühlmittelpumpe stromabwärts des zweiten Leitungspfads vor der Kühleinheit angeordnet ist.
Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen. Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können in dem aktiven Zustand dazu ausgebildet sein, den Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Leitungspfads zu pumpen, wobei die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe in dem inaktiven Zustand dazu ausgebildet sein können, den Kühlmittelstrom ohne ein Pumpen weiterzuleiten.
Die zumindest eine erste Elektronikeinheit sowie weitere Elektronikeinheiten können eines von einem On-Board-Charger, OBC, einer Steuerung und einer Fahrzeugelektronikeinheit sein, wobei die Fahrzeugelektronikeinheit zum Steuern des Fahrzeugs und dessen Systeme bzw. Einheiten ausgebildet ist.
Der Fahrgastzellenwärmetauscher kann einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher aufweisen oder anstelle des Fahrgastzellenwärmetauschers kann der erste und der zweite Wärmetauscher vorliegen oder bereitgestellt sein, die zum Erwärmen und/oder Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet sind. Das System kann den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten und/oder den zweiten Wärmetauscher umfassen. Der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste und/oder der zweite Wärmetauscher können zur Klimatisierung der Fahrgastzelle ausgebildet sein. Der erste und/oder der zweite Wärmetauscher können ein Luft-Wasser-Wärmetauscher sein. Der HT-Lei- tungspfad kann eine höhere Temperatur als der NT-Leitungspfad aufweisen. Der erste Leitungspfad kann der HT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromaufwärts des Motors zu dem ersten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der HT-Leitungspfad zum Erwärmen (aufgrund der höheren Temperatur des Kühlmittelstroms des HT-Leitungspfads) zumindest des ersten Wärmetauschers ausgebildet ist. Der zweite Leitungspfad kann der NT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungs- pfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (z.B. Ladegerät (OBC), Steuerung, etc.) zu dem zweiten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der NT-Leitungspfad zum Kühlen (aufgrund der niedrigeren Temperatur des Kühlmittelstroms des NT-Lei- tungspfads) zumindest des zweiten Wärmetauschers ausgebildet ist. Der erste Wärmetauscher kann zum Erwärmen der Fahrgastzelle ausgebildet sein, wobei der zweite Wärmetauscher zum Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet ist. Der zweite Wärmetauscher kann zum Entfeuchten der Fahrgastzelle, insbesondere der in der Fahrgastzelle befindlichen Luft ausgebildet sein. Dieser Aufbau kann als Dual-Circuit- Aufbau beschrieben werden, da der NT-Leitungspfad bei der Kühleinheit beginnt und nach dem Kühlen der ersten Elektronikeinheit und der Fahrgastzelle (mittels des zweiten Wärmetauschers) den Kühlmittelstrom zurück zu der Kühleinheit leitet. Der HT-Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit, erwärmt die Fahrgastzelle (mittels des ersten Wärmetauschers), kühlt den Motor und leitet den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit zurück. Entsprechend liegen zwei Kühlmittelkreisläufe vor. Durch einen parallelen Betrieb beider Wärmetauscher ist eine Entfeuchtung der Luft möglich, indem die Luft als erstes über den zweiten Wärmetauscher geführt und dabei abgekühlt wird, wobei die Feuchtigkeit kondensiert und abgeführt werden kann. Anschließend wird die Luft durch den ersten Wärmetauscher geleitet und wieder auf das Zieltempe- raturniveau erwärmt. Der erste Wärmetauscher kann derart ausgebildet sein, dass überschüssige Wärmeenergie nicht ausschließlich an die Fahrgastzellenluft, sondern zumindest teilweise an die Umgebung abgegeben werden kann (Radiator-Funk- tion/Fahrzeug-Kühler).
Durch das Bereitstellen des ersten und zweiten Wärmetauschers anstatt des einzelnen Fahrgastzellenwärmetauschers kann ein Entfeuchten der Fahrgastzelle erfolgen. Es ist jedoch grundsätzlich möglich, Kühlen und Heizen der Fahrgastzelle über einen einzelnen Wärmetauscher, insbesondere den Fahrgastzellenwärmetauscher, der in einem ersten Betriebsmodus mit dem HT-Leitungspfad zur Heizung der Fahrgastzellenluft verbunden werden kann und in einem zweiten Betriebsmodus mit den NT-Lei- tungspfad zum Kühlen der Luft geschaltet werden kann. Eine Entfeuchtung der Luft ist damit nur im Modus des Kühlens möglich.
Der erste Leitungspfad kann der NT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit und stromaufwärts vor dem Motor zu dem zweiten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der NT-Leitungspfad insbesondere zum Kühlen der ersten Elektronikeinheit, des zweiten Wärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Folglich werden die erste Elektronikeinheit, der zweite Wärmetauscher und der Motor in Reihe nacheinander durch den Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads gekühlt. Der zweite Leitungspfad kann der HT-Leitungspfad sein und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts der Heizeinheit und stromaufwärts vor der Kühleinheit zu dem ersten Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass der HT-Lei- tungspfad insbesondere zum Erwärmen zumindest des ersten Wärmetauschers ausgebildet ist. Folglich kann die mittels dem NT-Leitungspfad aufgenommen Wärmeenergie der ersten Elektronikeinheit, des zweiten Wärmetauschers und des Motors über die Kühleinheit zu der Heizeinheit an den HT-Leitungspfad übertragen werden, der den ersten Wärmetauscher folglich erwärmen kann. Gemäß diesem Single-Cir- cuit-Aufbau beginnt der NT-Leitungspfad bei der Kühleinheit, kühlt die erste Elektronikeinheit, die Fahrgastzelle und den Motor und leitet den Kühlmittelstrom dann zur Heizeinheit. Der HT-Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit, erwärmt die Fahrgastzelle und leitet den Kühlmittelstrom zurück zu der Kühleinheit. Entsprechend liegt ein einzelner Kühlmittelkreislauf vor. Die thermische Kopplung wird durch die Wärmepumpe bzw. die Heiz- und Kühleinheiten sichergestellt, wobei Wärmeenergie aus dem ersten Leitungspfad ausschließlich darüber an den zweiten Leitungspfad übertragen wird.
Weiter kann das System eine Ausgleichsleitung mit einem Ausgleichsventil, insbesondere einem Drosselventil aufweisen. Die Ausgleichsleitung kann mit dem NT- und dem HT-Leitungspfad verbunden sein. Insbesondere kann die Ausgleichsleitung derart mit den beiden Leitungspfaden verbunden sein, dass ein erstes Ende der Ausgleichsleitung mit dem NT-Leitungspfad stromaufwärts der zweiten Kühlmittelpumpe und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers verbunden ist. Ein zweites Ende der Ausgleichsleitung kann mit dem HT-Leitungspfad stromaufwärts der ersten Kühlmittelpumpe und stromabwärts des ersten Wärmetauschers verbunden sein. Mittels der Ausgleichsleitung kann ein Volumen- und/oder Druckausgleich zwischen den HT- und NT-Leitungspfaden bzw. den jeweiligen Kühlmittelkreisen eingestellt werden. Insbesondere kann mittels der Ausgleichsleitung und dem Reservoir Kühlmittel dem HT- als auch dem NT-Leitungspfad hinzugefügt oder von diesem entnommen werden. Eine Ausgleichsfunktion des Ausgleichsleitung zwischen dem HT- und dem NT- Leitungspfad kann mittels einer insbesondere relativ kleinen Leitungs-Querschnittsfläche erfolgen. Es kann eine weitere Befüllungseinheit zum Befüllen der Ausgleichsleitung mit Kühlmittel bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgleichsventil eine Befüllstellung aufweisen, während der Kühlmittel hinzugefügt werden kann. Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft, wenn der Dual-Circuit-Aufbau vorliegt und insbesondere, wenn keine Ventile zum Wechseln zwischen Sing le-Circuit- und Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
Das System kann weiter ein erstes Ventil umfassen, das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmetauschers und stromaufwärts vor der Wärmepumpe angeordnet ist. Das erste Ventil kann dazu ausgebildet sein, zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) zu wechseln, wobei in dem ersten Schaltzustand a) der erste Leitungspfad der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der NT-Leitungspfad sind, wobei in dem zweiten Schaltzustand b) der erste Leitungspfad der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der HT-Leitungspfad sind. Gemäß dem ersten Schaltzustand a) kann der Dual-Circuit- Aufbau und gemäß dem zweiten Schaltzustand b) der Single-Circuit-Aufbau vorliegen.
In den ersten und zweiten Schaltzuständen a) und b) kann der HT-Leitungspfad dazu ausgebildet sein, den Kühlmittelstrom zu dem entlang des HT-Leitungspfads angeordneten Radiator zu leiten, insbesondere zum Erwärmen des Radiators. Das System kann den Radiator umfassen. Der Radiator kann dazu ausgebildet sein, Wärmeenergie aus einem dem Radiator zugeführten Kühlmittelstrom aufzunehmen und an ein Umgebungsfluid, insbesondere Luft abzugeben. Weiter kann der Radiator dazu ausgebildet sein, aus dem Umgebungsfluid Wärmeenergie aufzunehmen und dem zugführten Kühlmittelstrom zuzuführen. Durch den Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid kann die Effizienz des Systems weiter verbessert werden.
Alternativ kann das System ein erstes Ventil, das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmetauschers und vor der Wärmepumpe angeordnet ist, und ein zweites Ventil umfassen, das entlang des NT-Leitungspfads betrachtet stromabwärts nach der ersten Elektronikeinheit und vor dem Radiator oder vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher, insbesondere vor dem ersten oder zweiten Wärmetauscher der Fahrgastzelle und entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts nach der Heizeinheit und vor den ersten und zweiten Wärmetauschern oder des Fahrgastzellenwärmeaustauschers angeordnet ist. Das erste Ventil kann zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand c) und einem zweiten Schaltzustand d) ausgebildet sein. Basierend auf den jeweiligen Schaltzuständen der ersten und zweiten Ventile können der erste Leitungspfad der HT- oder der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad der NT- oder HT-Leitungspfad sein. Mittels der Schaltzustände kann zwischen dem Single-Circuit-Aufbau und dem Dual-Circuit-Aufbau zur Kühlung aller Komponenten unabhängig von der Klimatisierung der Fahrgastzelle geschalten werden.
Das erste und/oder das zweite Ventil können als Strömungsventil (engl. Flow-switch) ausgebildet sein. Weiter kann das erste und/oder das zweite Ventil derart angeordnet sein, dass durch die jeweilige Kombination der Ventilstellungen bzw. Schaltzustände alle erforderlichen Betriebszustände des Fahrzeugs mit dem System bedient werden können. Das erste und/oder das zweite Ventil ist vorteilhaft als radiale Drehschieberausführung vorgesehen, jedoch ist eine andere Form (axialer Kolbenschieber) ebenfalls möglich. Das erste und/oder das zweite Ventil können mit einem Einzelaktuator bereitgestellt sein oder mittels einer geeigneten Einrichtung gemeinsam betätigt werden.
Die Kombination der Ventile ermöglicht darüber hinaus eine Verschaltung der Kühlmittelkreise des NT- und HT-Leitungspfads als hydraulische Reihenschaltung aller Einheiten des Systems, sodass ein Betrieb des Fahrzeuges auch ohne Betrieb der Wärmepumpe möglich ist und damit die höchstmögliche Effizienz des Gesamtsystems ermöglicht wird.
Die hydraulische Reihenschaltung aller Einheiten ermöglicht es, bei ausgeschalteter Wärmepumpe die höchstmögliche Effizienz des Gesamtsystems zu erreichen. Einschränkungen in der A/C-Leistung der Fahrgastzelle können dabei abhängig von den Randbedingungen (Temperatur Umgebung, Fahrzustand, Betriebsbedingung, Sonneneinwirkung, etc.) sein, jedoch kann damit die bestmögliche Effizienz sichergestellt werden.
In dem zweiten Schaltzustand b) des ersten Ventils und dem ersten Schaltzustand c) des zweiten Ventils können der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu den stromabwärts in Reihe angeordneten ersten Wärmetauscher und dem Radiator, insbesondere zum Erwärmen des stromabwärts in Reihe angeordneten ersten Wärmetauschers und des Radiators ausgebildet ist und der NT- Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts in Reihe angeordneten zweiten Wärmetauscher und dem Motor, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten zweiten Wärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Gemäß der ersten und zweiten Schaltzustände b) und c) der ersten und zweiten Ventile 161 , 162 kann der Single-Circuit-Aufbau bei einem Vorhandensein des ersten und zweiten Wärmetauschers der Fahrgastzelle vorliegen.
In dem zweiten Schaltzustand b) des ersten Ventils und dem ersten Schaltzustand c) des zweiten Ventils können der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts angeordneten Radiator, insbesondere zum Erwärmen des stromabwärts angeordneten Radiators ausgebildet ist und wobei der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts in Reihe angeordneten Fahrgastzellenwärmetauscher und dem Motor, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers und des Motors ausgebildet ist. Gemäß der ersten und zweiten Schaltzustände b) und c) der ersten und zweiten Ventile kann der Single-Circuit-Aufbau bei einem Vorhandensein des einzelnen Fahrgastzellenwärmetauschers der Fahrgastzelle vorliegen.
Der Motor kann einen ersten und/oder einen zweiten Motor des Fahrzeugs umfassen. Der erste Motor kann für einen Frontantrieb oder für einen Heckantrieb ausgebildet sein. Der zweite Motor kann für einen Frontantrieb oder einen Heckantrieb ausgebildet sein. Sind beide Motoren vorhanden, kann ein Allradantrieb bereitgestellt sein. Der erste Motor kann entlang des ersten Leitungspfads nach dem zweiten Motor angeordnet sein, wobei der erste Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu den ersten und zweiten Motoren, insbesondere zum Kühlen des ersten und zweiten Motors ausgebildet ist. Der erste Motor kann insbesondere entlang des NT-Lei- tungspfads stromabwärts nach dem Fahrgastzellenwärmetauscher angeordnet sein und der NT-Leitungspfad kann zum Kühlen des Fahrgastzellenwärmetauscher und zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem ersten Motor, insbesondere zum Kühlen des ersten Motors ausgebildet sein. Der zweite Motor kann in Reihe oder parallel zu der ersten Elektronikeinheit und stromabwärts des NT-Leitungspfads vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher angeordnet sein und der NT-Leitungspfad kann zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der parallel geschalteten Elektronikeinheit und dem zweiten Motor eine Kühlmittelstromparallelschaltung aufweisen. Insbesondere kann der NT- Leitungspfad zum Kühlen der parallel geschalteten Elektronikeinheit und des zweiten Motors ausgebildet sein. Die Kühlmittelparallelschaltung kann vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher wieder zu einer einzelnen Leitung zusammengeführt sein.
In den ersten Schaltzuständen a) und c) der ersten und zweiten Ventile kann der HT- Leitungspfad der erste Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad sein, wobei der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts der ersten Leistungselektronik angeordneten Fahrgastzellenwärmetauscher, insbesondere zum Kühlen des stromabwärts der ersten Elektronikeinheit angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers ausgebildet sein kann. Der HT-Leitungs- pfad kann zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Radiator und dem stromabwärts des Radiators angeordneten ersten Motor, insbesondere zum Erwärmen des Radiators und Erwärmen/Kühlen des stromabwärts des Radiators angeordneten ersten Motors ausgebildet sein. Gemäß diesen Schaltzuständen kann Verlustenergie an das Umgebungsfluid mittels des Radiators abgegeben werden. Gemäß diesen Schaltzuständen kann der Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
In den zweiten Schaltzuständen b) und d) der ersten und zweiten Ventile können der HT-Leitungspfad der erste Leitungspfad und der NT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad sein, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher und dem stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers angeordneten ersten Motors, insbesondere zum Erwärmen des Fahrgastzellenwärmetauschers und Kühlen des stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers angeordneten ersten Motors ausgebildet ist. Gemäß diesen Schaltzuständen kann der Dual-Circuit-Aufbau vorliegen.
Die Kühleinheit kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand die Kühleinheit den der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads kühlt und an den NT-Leitungspfad bereitstellt und in dem inaktiven Zustand die Kühleinheit den der Kühleinheit zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads an den NT-Leitungspfad ohne Wärmeenergieaustausch leitet. Unter „ohne Wärmeaustausch“ ist zu verstehen, dass die Kühleinheit nicht in Betrieb ist und somit den Kühlmittelstrom nicht kühlt und lediglich weiterleitet. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden.
Der NT-Leitungspfad kann zum Aufnehmen von Wärmeenergie von dem Radiator ausgebildet sein, der stromabwärts nach der ersten Elektronikeinheit entlang des NT- Leitungspfads angeordnet ist.
Die Wärmepumpe kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit und der Heizeinheit erfolgt und in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit und der Heizeinheit erfolgt. Folglich wird in dem inaktiven Zustand keine Wärmeenergie von der Kühleinheit zu der Heizeinheit übertragen. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden.
Der Radiator kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Radiator zum Kühlen oder Erwärmen eines Umgebungsfluids des Fahrzeugs ausgebildet ist und in dem inaktiven Zustand des Radiators kein Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid und/oder dem Radiator erfolgt. Ein Wärmeenergieaustausch kann folglich verhindert oder gestoppt werden. Zum Verhindern des Wärmeenergieaustauschs kann eine Parallelleitung zum Leiten des jeweiligen Kühlmittelstroms bereitgestellt sein, die den Kühlmittelstrom parallel zu dem Radiator leitet, sodass kein Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid erfolgt. Weiter kann ein Beipass-Ventil bereitgestellt sein, mittels dem der jeweilige Kühlmittelstrom zu dem Radiator oder zu der Parallelleitung geleitet wird.
Das System kann weiter den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher umfassen. Der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher können einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Fahrgastzellenwärmetauscher, der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher zum Kühlen und/oder Erwärmen der Fahrgastzelle ausgebildet sind. In dem inaktiven Zustand des Fahrgastzellenwärmetauscher, des ersten Wärmetauscher und/oder des zweiten Wärmetauschers erfolgt kein Wärmeenergieaustausch mit der Fahrgastzelle, insbesondere der Luft in der Fahrgastzelle.
Der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads kann beim Verlassen der Heizeinheit eine höhere Temperatur als der Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads beim Verlassen der Kühleinheit aufweisen. Eine Temperaturdifferenz zwischen dem HT- und dem NT-Leitungspfad kann 0 bis 10K, 0 bis 50K, insbesondere 0 bis 100K betragen.
Das Wärmeenergiesystem kann weiter einen Motor-Wärmetauscher, insbesondere einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, ÖWWT für den Motor oder den ersten Motor umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher dazu ausgebildet sein, Wärmeenergie von dem Motor oder dem ersten Motor aufzunehmen und an den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads abzugeben, sodass der erste Leitungspfad den Motor oder den ersten Motor kühlt. Das Wärmeenergiesystem kann weiter eine Ölpumpe umfassen, die dazu ausgebildet ist, Öl zum Kühlen oder Wärmen des Motors oder des ersten Motors von dem Motor oder dem ersten Motor zu dem ÖWWT zu pumpen. Das Öl kann weiter von dem ÖWWT zu dem Motor oder dem ersten Motor geleitet werden. Entsprechend kann ein Motorölkreislauf vorliegen. Der Motor-Wärmetauscher kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen. In dem aktiven Zustand kann der Motor-Wärmetauscher Wärmeenergie von dem Motor an den Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads übertragen oder von dem Kühlmittelstrom Wärmeenergie aufnehmen. Entsprechend kann der Motor gekühlt o- der erwärmt werden. In dem inaktiven Zustand findet der Wärmeenergieaustausch nicht statt bzw. es wird das Übertragen der Wärmeenergie verhindert. Der Motor- Wärmetauscher kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei der Motor-Wärmetauscher in dem aktiven Zustand einen Wärmeenergieaustausch zwischen dem Motor und dem Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads ausführt. In dem inaktiven Zustand findet kein Wärmeenergieaustausch statt.
Das Wärmeenergiesystem kann basierend auf einem Betriebsmodus des Fahrzeugs dazu ausgebildet sein, die erste Kühl mittel pumpe, die zweite Kühlmittelpumpe, die Kühleinheit, die Wärmepumpe, den Radiator, den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher von einem der inaktiven und aktiven Zustände in den anderen der inaktiven und aktiven Zustände schalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeenergiesystem basierend auf dem Betriebsmodus das erste und/oder das zweite Ventil von einem der beiden Schaltzustände in den anderen der beiden Schaltzustände schalten.
Der Betriebsmodus kann zumindest einen Eco-Modus umfassen, bei dem das Wärmeenergiesystem die erste Kühlmittelpumpe, die zweite Kühlmittelpumpe, den Radiator, den Fahrgastzellenwärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher in den aktiven Zustand schaltet. Es kann der Single-Circuit- Aufbau eingestellt sein. Weiter kann die Kühleinheit und/oder die Wärmepumpe in dem inaktiven Zustand sein, um einen elektrischen Energiebedarf zu minimieren.
Der Motor, der erste und/oder der zweite Motor können ein elektrischer Motor sein oder einen solchen umfassen.
Der HT- und/oder der NT-Leitungspfad kann einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergietransport durch den jeweiligen Kühlmittestrom erfolgt und in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergietransport erfolgt. Eine Umwälzung des Kühlmittelstroms in dem jeweiligen Leitungspfad kann erfolgen.
Die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe können über einen einzigen Pumpenmotor betrieben werden, wodurch eine Zwangskopplung der beiden Drehzahlen/För- derungen vorhanden sind. Bei getrennten Antrieben der ersten und zweiten Kühlmittelpumpen kann eine der Kühlmittelpumpen abgeschaltet sein.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches Fahrzeug umfassend ein System gemäß dem ersten Aspekt gelöst. Zuvor beschriebene Merkmale des ersten Aspekts können als Merkmale des zweiten Aspekts ausgebildet sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmeenergiesystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 und 5 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß ei- nem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 bis 8 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel;
Fig. 11 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;
Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;
Fig. 13 bis 18 eine schematische Ansicht eines Wärmeenergiesystems gemäß ei- nem zehnten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 19 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Wärmeenergiesystem.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs mit einem elektrischen Motor 130. Das Wärmeenergiesystem umfasst eine Wärmepumpe 1 10 mit einer Heizeinheit 111 , einer Kühleinheit 112, einem Expansionsventil 113, einem Kompressor 114 und einem Reservoir 1 15. Die Kühleinheit 1 12 ist dazu ausgebildet, eine der Kühleinheit 112 zugeführtes Kühlmittel bzw. zugeführten Kühlmittelstrom zu kühlen. Die Heizeinheit 111 ist zum Erwärmen eines ihr zugeführten Kühlmittelstroms ausgebildet. Die Wärmepumpe 110 ist mit dem Expansionsventil 113, dem Kompressor 114 und dem Reservoir 1 15 dazu ausgebildet, zumindest teilweise, insbesondere vollständig die Wärmeenergie, welche von der Kühleinheit 112 zum Kühlen des Kühlmittelstromsaufgenommen wird, an die Heizeinheit 111 zu übertragen. Weiter kann Verlustwärmeenergie von der Wärmepumpe 110 mittels der Heizeinheit 111 an den Kühlmittelstrom übertragen werden. Die Heizeinheit 111 kann diese Wärmeenergie zum Erwärmen des ihr zugeführten Kühlmittelstroms verwenden.
Bei der Heizeinheit 111 beginnt ein Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad HT und bei der Kühleinheit 112 beginnt ein Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad NT. Beide Leitungspfade sind zum Leiten eines Kühlmittelstroms entlang des jeweiligen Leitungspfads ausgebildet. Dazu können die Leitungspfade als Rohre, Schläuche, Kanäle und/oder als eine Kombination dieser ausgebildet sein. Der Kühlmittelstrom des HT- Leitungspfads weist eine höhere Temperatur beim Verlassen der Heizeinheit 11 1 als der NT-Leitungspfad beim Verlassen der Kühleinheit 112 auf, wobei eine Temperaturdifferenz bis zu 100K betragen kann. Stromabwärts der Kühleinheit 112 ist der NT- Leitungspfad zum Kühlen zumindest einer ersten Elektronikeinheit 120 ausgebildet. Die erste Elektronikeinheit 120 kann zur Steuerung des Fahrzeugantriebs des Fahrzeugs ausgebildet sein. Gemäß der Fig. 1 sind drei erste Elektronikeinheiten gezeigt, die in Reihe geschaltet sind und von dem NT-Leitungspfad gekühlt werden.
Ein erster Leitungspfad I der HT- und NT-Leitungspfade, entlang dessen der Motor 130 des Fahrzeugs angeordnet ist, ist dazu ausgebildet, den Motor 130 zu kühlen und den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 zu leiten. Ein zweiter Leitungspfad II der HT- und NT-Leitungspfade leitet den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 1 12. Gemäß der Fig. 1 ist der erste Leitungspfad I der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der NT-Leitungspfad.
Das Wärmeenergiesystem 100 ist dazu ausgebildet, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher 140, insbesondere einen ersten Wärmetauscher 141 und/oder einen zweiten Wärmetauscher 142 der Fahrgastzelle des Fahrzeugs und einem Radiator 170 des Fahrzeugs mittels einem der beiden Leitungspfade I, II zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem 100 zum Erwärmen die von zumindest der ersten Elektronikeinheit, insbesondere der ersten Leistungselektronikeinheit 120, der Wärmepumpe 110 und dem Motor 130 aufgenommene Wärmeenergie verwendet.
Gemäß der Fig. 1 leitet der NT-Leitungspfad als zweiter Leitungspfad II den Kühlmittelstrom stromabwärts der Leistungselektronik 120 zu dem zweiten Wärmetauscher 142 der Fahrgastzelle. Der zweite Wärmetauscher 142 ist zum Kühlen der Fahrgastzelle ausgebildet. Weiter ist der zweite Wärmetauscher 142 zum Entfeuchten der Luft in der Fahrgastzelle eingerichtet. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 142 ist eine zweite Kühlmittelpumpe 152 zum Pumpen des Kühlmittelstroms angeordnet. Schließlich leitet der NT-Leitungspfad den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 112 zurück. Durch das Kühlen der Leistungselektronik 120 und des zweiten Wärmetauschers 142 hat der Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads Wärmeenergie aufgenommen. Die Kühleinheit 112 kann diese aufnehmen und entsprechend eine Temperatur des Kühlmittelstroms senken.
Die mittels der Kühleinheit 112 aufgenommene Wärmeenergie wird durch die Wärmepumpe 110 zu der Heizeinheit 111 übertragen, wobei die Heizeinheit 11 1 die Wärmeenergie dem Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads zuführt. Stromabwärts der Heizeinheit 111 führt der HT-Leitungspfad als erster Leitungspfad I dessen Kühlmittelstrom dem ersten Wärmetauscher 141 zum Erwärmen der Fahrgastzelle zu. Zusätzlich oder alternativ kann Wärmeenergie mittels des ersten Wärmetauschers 141 an die Umgebung abgegeben werden. Dabei verliert der Kühlmittelstrom entsprechend Wärmeenergie. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 141 leitet der HT- Leitungspfad den Kühlmittelstrom zu einem Motor 130. Weiter ist zwischen dem zweiten Wärmetauscher 141 und dem Motor 130 eine erste Kühlmittelpumpe 151 zum Pumpen des Kühlmittelstroms angeordnet. Der Motor 130 ist an einem Elektromotorabschnitt EA angeordnet, welcher in der Fig. 1 einen Frontantrieb des Fahrzeugs erzeugt. Mittels dem Kühlmittelstroms des HT-Leitungspfads wird der Motor 130 gekühlt und der erwärmte Kühlmittelstrom wird der Heizeinheit 111 zugeführt. Gemäß der Fig. 1 liegen zwei einzelne Kühlmittelkreisläufe (Dual-Circuit-Aufbau) vor, was durch die durchgezogene Linie des ersten Leitungspfads und die gestrichelte Linie des zweiten Leitungspfads dargestellt ist. Aufgrund des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus entfallen Ventile zur Strömungslenkung und der Aufbau gestaltet sich entsprechend einfach. Die thermische Kopplung der beiden Kühlmittelkreisläufe wird über die Wärmepumpe 110 sichergestellt, wobei die Wärme aus dem NT-Leitungspfad ausschließlich darüber an den HT-Leitungspfad übergeben und anschließend an die Umgebung und/oder die Fahrgastzelle abgeführt werden kann. Der erste Wärmetauscher 141 entlang des HT-Leitungspfads ist derart ausgestaltet, dass zumindest teilweise die Wärmeenergie zur Erwärmung der Fahrgastzelle und überschüssige Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt werden kann.
Weiter weist das System 100 in der Fig. 1 eine Ausgleichsleitung AL mit einem Ausgleichsventil AV, insbesondere einem Drosselventil auf. Die Ausgleichsleitung AL ist mit dem NT- und dem HT-Leitungspfad verbunden. Insbesondere ist die Ausgleichsleitung derart mit den beiden Leitungspfaden verbunden, dass ein erstes Ende der Ausgleichsleitung AL mit dem NT-Leitungspfad stromaufwärts der zweiten Kühlmittelpumpe 152 und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 142 verbunden ist. Ein zweites Ende der Ausgleichsleitung AL ist mit dem HT-Leitungspfad stromaufwärts der ersten Kühlmittelpumpe 151 und stromabwärts des ersten Wärmetauschers 141. Mittels der Ausgleichsleitung AL kann ein Volumen- und/oder Druckausgleich zwischen den HT- und NT-Leitungspfaden bzw. den jeweiligen Kühlmittelkreisen eingestellt werden. Insbesondere kann mittels der Ausgleichsleitung AL und dem Reservoir 131 Kühlmittel dem HT- als auch dem NT-Leitungspfad hinzugefügt oder von diesem entnommen werden. Eine Ausgleichsfunktion des Ausgleichsleitung AL zwischen dem HT- und dem NT-Leitungspfad kann mittels einer insbesondere relativ kleinen Leitungs-Querschnittsfläche erfolgen. Es kann eine weitere Befüllungseinheit zum Befüllen der Ausgleichsleitung mit Kühlmittel bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgleichsventil AV eine Befüllstellung aufweisen, während der Kühlmittel hinzugefügt werden kann. Der Aufbau mit der Ausgleichsleitung ist insbesondere für den Dual-Circuit-Aufbau vorteilhaft und wenn keine Änderung dieses mittels weiterer Ventile möglich ist. Mehrfach-Pfeile in den Figuren bei bestimmten Einheiten wie dem Motor 130, der Heizeinheit 111 , der Kühleinheit 112, dem Kompressor 114, dem ersten und zweiten Wärmetauscher 141 , 142 deuten auf ein Aufnehmen oder Abgeben von Wärmeenergie hin. Bspw. zeigen die Mehrfachpfeile bei der Heizeinheit auf ein Abgeben von Wärmeenergie an den Kühlmittelstrom zum Erwärmen dessen dar. Entsprechend zeigen die Mehrfachpfeile in der Fig. 1 in der Bildebene bei der Heizeinheit tendenziell nach unten. Hingegen zeigen die Mehrfachpfeile der Kühleinheit 112 tendenziell nach oben, da Wärmeenergie zum Kühlen des Kühlmittelstroms aufgenommen wird. Das Reservoir 131 kann dazu ausgebildet sein, Druckänderungen bzw. Volumenänderungen infolge von Temperaturunterschieden des Kühlmittelstroms auszugleichen, indem Kühlmittel dem Kühlmittelstrom hinzugefügt oder abgeführt wird.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, bei dem im Vergleich zu der Fig. 1 der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad I ist. Entsprechend beginnt der NT- Leitungspfad bei der Kühleinheit 112, kühlt die Leistungselektronik 120, den zweiten Wärmetauscher 142 und den Motor 130 und endet bei der Heizeinheit 1 11. Der HT- Leitungspfad beginnt bei der Heizeinheit 111 , erwärmt den ersten Wärmetauscher 141 und endet bei der Kühleinheit 112. Weiter wird gemäß der Fig. 2 nur die zweite Kühlmittelpumpe 152 eingesetzt, es bedarf nicht der ersten Kühlmittelpumpe 151 . Die zweite Kühlmittelpumpe ist entlang des HT-Leitungspfads zwischen dem ersten Wärmetauscher 141 und der Kühleinheit 112 angeordnet. Gemäß der Fig. 2 wird ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf (Single-Circuit-Aufbau) gezeigt. Der Single-Circuit- Aufbau ist durch die durchgehenden Striche der ersten und zweiten Leitungspfade I, II gekennzeichnet. Je nach Druckverlust im Gesamtsystem und dem maximalen Pumpendruck können weitere Pumpen zur Sicherstellung der Funktion erforderlich sein, siehe beispielsweise Fig.3
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, wobei zusätzlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau die erste Kühlmittelpumpe 151 zwischen dem Motor 130 und dem zweiten Wärmetauscher 142 entlang des NT-Lei- tungspfads angeordnet ist. Die Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem ersten Ventil 161 . Das erste Ventil 161 ist entlang der ersten und zweiten Leitungspfade I, II betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern 141 , 142 und vor der Wärmepumpe 110 angeordnet. Weiter ist das erste Ventil 161 dazu ausgebildet, zwischen einem Schaltzustand a) und einem Schaltzustand b) zu wechseln, wobei in dem Schaltzustand a) der erste Leitungspfad I der HT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der NT-Leitungspfad sind, siehe Fig. 4. In dem Schaltzustand b) ist der erste Leitungspfad I der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad II der HT-Leitungspfad, siehe Fig. 5. Gemäß der Fig. 4 wird durch den Schaltzustand a) der Dual-Circuit-Aufbau mit getrennten Kühlmittelkreisen eingestellt. Wechselt das erste Ventil 161 zu dem Schaltzustand b), wird der Single- Circuit-Aufbau mit einem einzelnen Kühlmittelkreis eingestellt.
Wärmeenergie kann durch Erwärmen des ersten Wärmetauschers 141 an die Fahrgastzelle abgegeben werden. Durch geeignete Einrichtung zur Umschaltung der Luftführung kann die Wärmeenergie an dem ersten Wärmetauscher 141 entweder an die Fahrgastzelle oder an die Umgebungsluft abgeben werden. Durch Zwischenstellungen ist eine stufenlose Verteilung der Wärmeenergie-Abgabe zwischen Fahrgastzelle und Umgebungsluft möglich. Die Wärmepumpe 110 kann zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand geschalten werden, wobei in dem aktiven Zustand Wärmeenergie von dem der Kühleinheit 112 zugeführten Kühlmittelstrom aufgenommen und dem der Heizeinheit zugeführten Kühlmittelstrom zugeführt wird. In dem inaktiven Zustand leiten die Heiz- und Kühleinheiten 111 , 1 12 den Kühlmittelstrom weiter, ohne dass ein Wärmeenergieaustausch mit dem jeweils anderen Kühlmittelstrom erfolgt. In den Fig. 1 bis 5 befindet sich die Wärmepumpe 110 in dem aktiven Zustand.
Fig. 5 zeigt den Single-Circuit-Aufbau mit thermischem Bypass mittels Wärmepumpe 110 und Wärmeabfuhr an die Umgebung über den ersten Wärmetauscher 141 . Die Heizung der Fahrgastzelle wird über die Erwärmung der Zuluft/Innenraumluft zumindest an einem Teilbereich des ersten Wärmetauschers 141 erreicht. Die Luftführung, auf die in dieser Schrift nicht näher eingegangen wird, muss entsprechend der erforderlichen Luftmassenströme ausgeführt sein, damit die Wärme unabhängig von der Fahrgastzellen-Versorgung abgeführt werden kann und trotzdem alle Komfortanforderungen erfüllt werden können.
Fig. 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem Radiator 170. Gemäß der Fig. 6 ist die Wärmepumpe 110 in dem inaktiven Zustand. Durch den inaktiven Zustand der Wärmepumpe 110 kann Energie gespart werden und das Fahrzeug in einem Eco-Modus betrieben werden. Trotz Eco-Modus werden ein Kühlen und Erwärmen der verschiedenen Einheiten, wie zuvor beschrieben, ermöglicht. Der Radiator 170 ist entlang des zweiten Leitungspfads II zwischen dem ersten Wärmetauscher 141 und der zweiten Kühlmittel pumpe 152 angeordnet. Weiter kann der Radiator 170 einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Radiator Wärmeenergie mit einem Umgebungsfluid, insbesondere Luft austauschen kann. In dem inaktiven Zustand wird der entsprechende Kühlmittelstrom ohne Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid weitergeleitet. Hier ist der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT- Leitungspfad der erste Leitungspfad I.
Gemäß der Fig. 7 und 8 sind die Wärmepumpe 110 und der Radiator 170 des Wärmeenergiesystems 100 des fünften Ausführungsbeispiels in dem aktiven Zustand, wobei die beiden ersten und zweiten Schaltzustände a) und b) des ersten Ventils 161 gezeigt sind. Entsprechend ist in der Fig. 7 der Single-Circuit-Aufbau und in der Fig. 8 der Dual-Circuit-Aufbau gezeigt. Gemäß den Fig. 6 bis 8 wird vorgeschlagen, die ersten und zweiten Wärmetauscher 141 , 142 hydraulisch fest mit den Kühlmittelkreisen zu verbinden. Dabei ist der erste Wärmetauscher 141 dem HT-Leitungspfad und der zweite Wärmetauscher 142 dem NT-Leitungspfad zugeordnet. Damit vereinfacht sich der Aufbau vorteilhaft, da zur Verschaltung von NT- und HT-Leitungspfad nur ein einziges Ventil 161 erforderlich ist und damit alle relevanten Betriebszustände bedient werden können. Insbesondere vorteilhaft kann die Betätigung des Ventils 161 besonders einfach gebildet werden, da nur zwei Schaltungen bzw. Schaltzustände erforderlich sind. Die zwei möglichen Schaltzustände a) und b) ergeben entweder den Single-Circuit-Aufbau, in dem alle Komponenten in Reihe geschaltet sind, oder den Dual-Circuit-Aufbau, bei dem der NT- und der HT-Leitungspfad getrennt voneinander sind, wobei die thermische Kopplung in diesem Fall durch die Wärmepumpe 110 erfolgt, d.h. der Wärmetransport aus dem NT-Leitungspfad in den HT-Leitungs- pfad erfolgt.
Der Single-Circuit-Aufbau ermöglicht auch hier die höchstmöglich erreichbare Effizienz, da die Wärmepumpe 110 abgeschaltet (Eco-Mode; Fig. 6) werden und die Verlustwärmeabfuhr an die Umgebung direkt erfolgen kann. Die Leistungsfähigkeit der Klimatisierung und der Kühlung der Komponenten ist dabei begrenzt durch die Umgebungsbedingungen, wie Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, etc., sodass der Eco-Mode nur mit eventuellen Einschränkungen in Komfort und Funktion bzw. Fahrzeugperformance als Funktion zur Verfügung steht.
Fig. 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100, welches im Vergleich zu dem fünften Ausführungsbeispiel zwei Ventile, nämlich ein erstes und ein zweites Ventil 161 , 162 aufweist. Das erste Ventil 161 ist entlang der ersten und zweiten Leitungspfade I, II betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern 141 , 142 oder des Fahrgastzellenwärmetauschers 140 und vor der Wärmepumpe 110 angeordnet. Das zweite Ventil 162 ist entlang des NT-Lei- tungspfads betrachtet stromabwärts nach der ersten Leistungselektronik 120 und vor dem Radiator 170 oder vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts nach der Heizeinheit 111 und vor den ersten und zweiten Wärmetauschern 141 , 142 oder des Fahrgastzellenwärmeaustauschers 140 angeordnet. Das erste Ventil 161 ist zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil 162 ist zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand c) und einem zweiten Schaltzustand d) ausgebildet. Basierend auf den jeweiligen Schaltzuständen der ersten und zweiten Ventile 161 , 162 ist der erste Leitungspfad I der HT- oder der NT-Leitungspfad und der zweite II Leitungspfad der NT- oder HT-Leitungspfad.
Die ersten und zweiten Schaltzustände a) bis d) der ersten und zweiten Ventile 161 , 162 werden zum verbesserten Verständnis in Übereinstimmung mit den Figuren wie folgt definiert:
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1 . Tabe le: erste und zweite Schaltzustände der ersten und zweiten Ventile 161 , 162
Gemäß der Fig. 9 liegt der Single-Circuit-Aufbau vor und das erste Ventil 161 befindet sich im zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil 162 befindet sich im ersten Schaltzustand c). Bei diesen Schaltzuständen b) und c) ist der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad II und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad I. Zunächst leitet der HT-Leitungspfad den Kühlmittelstrom aufgrund des zweiten Ventils 162 zu dem ersten Wärmetauscher 141 zum Erwärmen der Fahrgastzelle und dann zu dem Radiator 170. Der Radiator 170 ist in dem aktiven Zustand, nimmt Wärmeenergie von dem Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads auf und gibt diesen an das Umgebungsfluid ab. Anschließend wird der gekühlte Kühl mittel ström zu der Kühleinheit 112 geleitet. Der NT-Leitungspfad kühlt zunächst die Leistungselektronik 120 und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher 142 die Fahrgastzelle. Es sei hier angemerkt, dass ein gleichzeitiges Kühlen und Erwärmen der Fahrgastzelle durch die Wärmetauscher 141 , 142 möglich ist. Weiter ist es möglich, das Erwärmen oder Kühlen durch das Verschließen oder Blockieren des entsprechenden Luftstroms von der Fahrgastzelle zu den jeweiligen Wärmetauschern 141 , 142 zu ermöglichen oder zu verhindern.
Der Elektromotorabschnitt EA umfasst gemäß der Fig. 9 weiter einen Motor- Wärmetauscher, insbesondere einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, ÖWWT 133 und eine Ölpumpe 132. Der Öl-Wasser-Wärmetauscher 133 ist dazu ausgebildet ist, Wärmeenergie von dem Motor 130 durch einen Ölstrom aufzunehmen und an den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads I abzugeben, sodass der erste Leitungspfad I den Motor 130 kühlt. Die Ölpumpe 132 ist zum Pumpen des Öls entlang entsprechender Ölleitungen in dem Elektromotorabschnitt EA ausgebildet. Der den zweiten Wärmetauscher 142 verlassende Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads kühlt den ÖWWT
133 bzw. nimmt Wärmeenergie von diesem auf und wird anschließend der Heizeinheit 133 zugeführt.
Gemäß der Fig. 9 wird vorgeschlagen, die Heizung und die Kühlung der Fahrgastzelle auf die jeweils unabhängigen ersten und zweiten Wärmetauscher 141 , 142 zu verteilen. Damit ist die Entfeuchtungsfunktion der Innenraumluft der Fahrgastzelle sichergestellt. Die ersten und zweiten Ventile 161 , 162 ermöglichen sowohl Single-Circuit- als auch Dual-Circuit-Aufbau zur Kühlung aller Komponenten und Subsysteme, unabhängig von der Klimatisierung der Fahrgastzelle, womit alle relevanten Betriebszustände bedienbar sind. Fig. 9 zeigt exemplarisch den Single-Circuit-Aufbau im Betriebszustand „Fahrt“ und „Klimatisierung/Heizung der Fahrgastzelle“ und „Entfeuchtung der Innenraumluft“, indem die Wärmepumpe 110 die Wärmeenergie über den schon oben beschriebenen thermischen Bypass vor der Leitungselektronik 120 oder der Fahrgastzelle entnimmt und vor dem Radiator 170 wieder in den Kühlmittelstrom einspeist.
Fig. 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem ersten und einem zweiten Motor 130, 134 und den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161 , 162. Der erste Motor 130 ist ähnlich zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen entlang des ersten Leitungspfads I vor der Heizeinheit 1 11 angeordnet. Der zweite Motor 134 ist entlang des NT-Leitungspfads parallel und in Reihe zu der Leistungselektronik 120 angeordnet. Weiter zeigt die Fig. 10 einen Hochtemperaturabschnitt HTA und einen Niedrigtemperaturabschnitt NTA. Gemäß der Fig. 10 weist das Fahrzeug einen Allradantrieb mit zwei Motoren 130,
134 auf. Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel kann eine weitere zweite Elektronikeinheit, insbesondere eine zweite Leistungselektronik 121 in Reihe zu dem ersten Motor 130 angeordnet werden.
Fig. 11 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161 , 162, bei dem im Unterschied zu dem siebten Ausführungsbeispiel in dem Elektromotorabschnitt EA der ÖWWT 133 und die Ölpumpe 132 bereitgestellt sind. Weiter ist nur die Leistungselektronik 120 entlang des NT-Leitungspfads angeordnet. Der HT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und leitet den Kühlmittelstrom durch den Radiator 170 und zu der Kühleinheit 112.
Fig. 12 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit den zweiten und ersten Schaltzuständen b) und c) der Ventile 161 , 162, bei dem nur der zweite Motor 134 des Fahrzeugs bereitgestellt ist.
Fig. 13 bis 18 zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Wärmeenergiesystems 100 mit einem einzelnen Motor 130 in dem Elektromotorabschnitt EA, wobei der Elektromotorabschnitt EA den ÖWWT 133 und die Ölpumpe 132 aufweist.
In der Fig. 13 ist die Wärmepumpe 1 10 in dem inaktiven Zustand und die Ventile 161 , 162 weisen die zweiten und ersten Schaltzustände b) und c) auf. Gemäß des Single- Circuit-Aufbaus pumpt die Kühlmittelpumpe 151 den Kühlmittelstrom des ersten Leitungspfads I durch den ÖWWT 133, kühlt das Öl des Elektromotorabschnitts EA und anschließend wird dieser zu der inaktiven Heizeinheit 1 11 der Wärmepumpe 110 geleitet. Der HT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads wird zu dem Radiator 170 geleitet. Der Radiator 170 kühlt den Kühlmittelstrom durch Abgabe von Wärmeenergie an das Umgebungsfluid. Anschließend leitet der zweite Leitungspfad II den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 1 12.
Der NT-Leitungspfad ist der erste Leitungspfad I und kühlt zunächst die Leistungselektronik 120, die Fahrgastzelle durch den Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und den Motor 130 durch den ÖWWT 133, bevor dieser den Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 leitet. Es wird die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 und des Motors 130 an die Umgebung abgeführt. Eine Klimatisierung der Fahrgastzelle ist nur in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur eingeschränkt möglich. Die Fig. 13 kann einen Eco-Mode des Fahrzeugs darstellen.
Gemäß der Fig. 14 ist im Vergleich zu der Fig. 13 die Wärmepumpe 110 im aktiven Zustand, sodass eine Kühlung des Kühlmittelstroms durch die Kühleinheit 112 und ein Erwärmen des Kühlmittelstroms durch die Heizeinheit 111 erfolgen. Es wird die Verlustwärme aller Komponenten an die Umgebung abgeführt. Vorteilhaft erweist sich hier, dass mittels der Wärmepumpe 110 ein thermischer Bypass erreicht wird, der zu einer deutlichen Steigerung der Kühlleistung führt, indem im Vorlauf des Radiators 170 die höchste Kühlmitteltemperatur erreicht wird und gleichzeitig im Vorlauf der zu kühlenden Leistungselektronik 120 die niedrigste Kühlmitteltemperatur in einem einzigen Kühlmittelkreis erreicht wird. Eine Kühlung der Fahrgastzelle ist auch bei höheren Umgebungslufttemperaturen möglich.
Gemäß der Fig. 15 weisen die Ventile 161 , 162 die ersten Schaltzustände a) und c) auf, sodass der Dual-Circuit-Aufbau vorliegt. Der HT-Leitungspfad ist der erste Leitungspfad I und gibt Wärmeenergie an den Radiator 170 ab, bevor der Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133 Wärmeenergie von dem Motor 130 aufnimmt und zu der Heizeinheit 111 geleitet wird. Der NT-Leitungspfad ist der zweite Leitungspfad II und kühlt die Leistungselektronik 120, die Fahrgastzelle durch den Fahrgastzellenwärmetauscher 140 und leitet den Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit 1 12 zurück. Es wird die Verlustwärme des Motors 130 und der Leistungselektronik 120 aus dem NT- Leitungspfad und Wärmeenergie aus der Fahrgastzelle, sowie die elektrische Leistung der Wärmepumpe 1 10 in den HT-Kreis übertragen und an die Umgebung abgeführt.
Gemäß der Fig. 16 ist nur der HT-Leitungspfad als erster Leitungspfad I aktiv, während der NT-Leitungspfad als zweiter Leitungspfad II inaktiv ist. Die Ventile 161 , 162 weisen die zweiten Schaltzustände b) und d) auf und der Dual-Circuit-Aufbau liegt vor. Eine Umwälzung des Kühlmittelstroms des NT-Leitungspfads ist möglich, jedoch findet kein Wärmetransport statt. Die Kühlmittelpumpe 151 im HT-Leitungspfad pumpt den Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133 und nimmt Verlustwärme des Motors 130 auf. Anschließend strömt der Kühlmittelstrom zu der Heizeinheit 111 der Wärmepumpe 1 10 und nimmt Energie auf, wodurch die Temperatur des Kühlmittelstroms in dem HT-Leitungspfad ansteigt. Anschließend wird der Kühlmittelstrom durch den HT-Leitungspfad zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140 geleitet, um die Fahrgastzelle zu Erwärmen. Anschließend wird der Kühlmittelstrom zu der ersten Kühlmittelpumpe 151 geleitet. Es wird nur die Verlustwärme der elektrischen Leistung der Wärmepumpe 110 in den Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads zur Heizung verwendet.
Gemäß der Fig. 17 weisen die Ventile 161, 162 die zweiten Schaltzustände b) und d) auf und es liegt der Dual-Circuit-Aufbau vor. Hier sind beide NT- und HT-Leitungs- pfade bzw. die ersten und zweiten Leitungspfade I, II im Vergleich zu Fig. 16 aktiv. Die Kühlmittelpumpe 151 pumpt den Kühlmittelstrom durch den ÖWWT 133, welcher dort Verlustwärme des Motors 130 aufnimmt und der Kühlmittelstrom wird durch den ersten Leitungspfad I zu der Heizeinheit 111 geleitet. Die Heizeinheit 111 erwärmt den Kühlmittelstrom und der HT-Leitungspfad bzw. der erste Leitungspfad I leitet den Kühlmittelstrom zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher 140, um die Fahrgastzelle zu erwärmen. Anschließend wird der Kühlmittelstrom zu der ersten Kühlmittelpumpe 151 geleitet. Der NT-Leitungspfad leitet den Kühlmittelstrom zum Kühlen der Leistungselektronik 120 und weiter durch den Radiator 170, wobei aufgrund der Temperatur des Umgebungsfluids kein Wärmeenergieaustausch stattfindet. Der Kühlmittelstrom wird weiter zu der zweiten Kühlmittelpumpe 152 und dann zu der Kühleinheit 112 geleitet. Es wird nur die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 aus dem NT- Leitungspfad und die elektrische Leistung der Wärmepumpe 110 in den HT-Leitungs- pfad übertragen.
Fig. 18 zeigt die Ventile 161 , 162 in den zweiten Schaltzuständen b) und d) und es liegt der Dual-Circuit-Aufbau vor. Im Unterschied zu der Fig. 17 ist hier eine Temperatur des Umgebungsfluids höher als die Temperatur des Kühlmittelstroms des NT- Leitungspfads bzw. des zweiten Leitungspfads II, sodass Wärmeenergie von dem Umgebungsfluid mittels des Radiators 170 dem Kühlmittel ström zugeführt werden kann. Es wird die Verlustwärme der Leistungselektronik 120 und die aus der Umgebungsluft gewonnene Energie aus dem NT-Leitungspfad, sowie die elektrische Leistung der Wärmepumpe 110 in den HT-Leitungspfad übertragen.
Fig. 19 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200 umfassend ein Wärmeenergiesystem 100 nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele. Das Fahrzeug 200 kann dazu ausgebildet sein, das Wärmeenergiesystem 100 zu steuern. Insbesondere kann das Fahrzeug 200 dazu ausgebildet sein, Steuerbefehle an eine oder mehrere Einheiten des Wärmeenergiesystems 100 zum Steuern des Wärmeenergiesystems 100 zu senden. Das Fahrzeug 200 kann ein elektrisches und/oder elektronisches Fahrzeug mit einem elektronischen Motor (Elektromotor) sein.
Bezugszeichen
100 Wärmeenergiesystem 110 Wärmepumpe 111 Heizeinheit 112 Kühleinheit
113 Expansionsventil 114 Kompressor 115 Reservoir
HT HT-Leitungspfad NT NT-Leitungspfad AL Ausgleichsleitung AV Ausgleichsventil
120 erste Elektronikeinheit 121 zweite Elektronikeinheit 130 erster Elektromotor 131 Reservoir
132 Ölpumpe 133 Ö I-Wasser-Wärm e-T auscher 134 zweiter Elektromotor
EA Elektromotorabschnitt 140 Fahrgastzellenwärmetauscher 141 erster Wärmetauscher 142 zweiter Wärmetauscher
151 erste Kühlmittelpumpe 152 zweite Kühlmittelpumpe 161 erstes Ventil 162 zweites Ventil
170 Radiator
I erster Leitungspfad II zweiter Leitungspfad HTA Hochtemperaturabschnitt NTA Niedrigtemperaturabschnitt 200 Fahrzeug

Claims

Patentansprüche
1 . Wärmeenergiesystem (100) zum Regulieren von Temperaturen eines Fahrzeugs, umfassend: eine Wärmepumpe (110) mit einer Kühleinheit (112) zum Kühlen eines Kühlmittelstroms und einer Heizeinheit (111 ) zum Erwärmen eines Kühlmittelstrom; einen stromabwärts der Kühleinheit (112) beginnenden Niedrigtemperatur-, NT-Leitungspfad und einen stromabwärts der Heizeinheit (1 11 ) beginnenden Hochtemperatur-, HT-Leitungspfad, die jeweils dazu ausgebildet sind, einen Kühlmittelstrom entlang des jeweiligen Pfads zu leiten, wobei stromabwärts der Kühleinheit (112) der NT-Leitungspfad zum Kühlen von zumindest einer ersten Elektronikeinheit (120) ausgebildet ist, wobei ein erster (I) der HT- und NT-Leitungspfade zum Leiten des Kühlmittelstroms zu einem Motor (130) und zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der Heizeinheit (111 ) ausgebildet ist, wobei ein zweiter (II) der HT- und NT-Leitungspfade zum Leiten des Kühlmittelstrom zu der Kühleinheit (112) ausgebildet ist, wobei das Wärmeenergiesystem (100) dazu ausgebildet ist, zumindest eines von einem Fahrgastzellenwärmetauscher (140) und einem Radiator (170) des Fahrzeugs mittels einem der ersten und zweiten Leitungspfade (I, II) zu erwärmen, wobei das Wärmeenergiesystem (100) zum Erwärmen von zumindest einem der ersten Elektronikeinheit (120), der Wärmepumpe (110) und dem Motor (130) aufgenommene Wärmeenergie verwendet.
2. System (100) nach Anspruch 1 , weiter umfassend: eine erste und/oder eine zweite Kühlmittelpumpe (151 , 152), die jeweils zum Pumpen eines Kühlmittelstroms entlang eines der ersten und zweiten Leitungspfade (I, II) ausgebildet sind, wobei die erste Kühlmittelpumpe (151 ) stromabwärts des ersten Leitungspfads (I) vor dem Motor (130) angeordnet ist, wobei die zweite Kühlmittelpumpe (152) stromabwärts des zweiten Leitungspfads (II) vor der Kühleinheit (112) angeordnet ist.
3. System (100) nach Anspruch 2, wobei die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe (151 , 152) einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe (151 , 152) in dem aktiven Zustand dazu ausgebildet sind, den Kühlmittelstrom zu pumpen, wobei die erste und/oder die zweite Kühlmittelpumpe (151 , 152) in dem inaktiven Zustand dazu ausgebildet sind, den Kühlmittelstrom ohne ein Pumpen weiterleiten.
4. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Leitungspfad (I) der HT-Leitungspfad und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromaufwärts des Motors (130) zu einem ersten Wärmetauscher (141 ) des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) ausgebildet ist, sodass der HT-Leitungspfad insbesondere zum Erwärmen zumindest des ersten Wärmetauschers (141 ) ausgebildet ist, wobei der zweite Leitungspfad (II) der NT-Leitungspfad und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (120) zu einem zweiten Wärmetauscher (142) des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) ausgebildet ist, sodass der NT-Leitungspfad insbesondere zum Kühlen zumindest des zweiten Wärmetauschers (142) ausgebildet ist.
5. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Leitungspfad (I) der NT-Leitungspfad und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des NT-Leitungspfads stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (120) und stromaufwärts des Motors (130) zu einem zweiten Wärmetauscher (142) des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) ausgebildet, derart, dass der NT-Lei- tungspfad zum Kühlen der ersten Elektronikeinheit (120), des zweiten Wärmetauschers (142) und des Motors (130) ausgebildet ist, wobei der zweite Leitungspfad (II) der HT-Leitungspfad und zum Leiten des Kühlmittelstroms entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts der Heizeinheit (1 11 ) und stromaufwärts der Kühleinheit (112) zu einem ersten Wärmetauscher (141 ) des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) ausgebildet ist, derart, dass der HT-Leitungs- pfad zum Erwärmen zumindest des ersten Wärmetauschers (141 ) ausgebildet ist.
6. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: ein erstes Ventil (161 ), das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade (I, II) betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern (141 , 142) oder des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) und stromaufwärts vor der Wärmepumpe (1 10) angeordnet ist, wobei das erste Ventil (161 ) dazu ausgebildet ist, zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) zu wechseln, wobei in dem ersten Schaltzustand a) der erste Leitungspfad (I) der HT-Lei- tungspfad und der zweite Leitungspfad (II) der NT-Leitungspfad sind, wobei in dem zweiten Schaltzustand b) der erste Leitungspfad (I) der NT-Lei- tungspfad und der zweite Leitungspfad (II) der HT-Leitungspfad sind.
7. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend: ein erstes Ventil (161 ), das entlang der ersten und zweiten Leitungspfade (I, II) betrachtet stromabwärts nach den ersten und zweiten Wärmetauschern (141 , 142) oder des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) und stromaufwärts vor der Wärmepumpe (1 10) angeordnet ist; ein zweites Ventil (161 ), das entlang des NT-Leitungspfads betrachtet stromabwärts nach der ersten Elektronikeinheit (120) und stromaufwärts vor dem Radiator (170) oder vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher (140) und entlang des HT-Leitungspfads stromabwärts nach der Heizeinheit (111 ) und stromaufwärts vor den ersten und zweiten Wärmetauschern (141 , 142) oder des Fahrgastzellenwärmeaustauschers (140) angeordnet ist, wobei das erste Ventil (161 ) zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand a) und einem zweiten Schaltzustand b) und das zweite Ventil (162) zum Wechseln zwischen einem ersten Schaltzustand c) und einem zweiten Schaltzustand d) ausgebildet sind, wobei basierend auf den jeweiligen Schaltzuständen der ersten und zweiten Ventile (161 , 162) der erste Leitungspfad (I) der HT- oder der NT-Leitungspfad und der zweite Leitungspfad (II) der NT- oder HT-Leitungspfad ist.
8. System (100) nach Anspruch 7, wobei in dem zweiten Schaltzustand b) des ersten Ventils (161 ) und in dem ersten Schaltzustand c) des zweiten Ventils (162) der HT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad (II) und der NT-Leitungspfad der erste Leitungspfad (I) sind, wobei der HT-Leitungspfad zum Erwärmen des stromabwärts in Reihe angeordneten ersten Wärmetauschers (141 ) und des Radiators (170) ausgebildet ist, wobei der NT-Leitungspfad zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten zweiten Wärmetauschers (142) und des Motors (130) ausgebildet ist, oder wobei der HT-Leitungspfad zum Erwärmen des stromabwärts angeordneten Radiators (170) ausgebildet ist, wobei der NT-Leitungspfad zum Kühlen des stromabwärts in Reihe angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers (140) und des Motors (130) ausgebildet ist.
9. System (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Motor (130) einen ersten und/oder einen zweiten Motor (130, 134) des Fahrzeugs umfasst, wobei der erste Leitungspfad (I) zum Leiten des Kühlmittelstroms zu den ersten und zweiten Motoren (130, 134) ausgebildet ist, wobei der erste Motor (130) entlang des ersten Leitungspfads (I) stromabwärts nach dem zweiten Motor (134) und nach dem Fahrgastzellenwärmetauscher (140) angeordnet ist, wobei der zweite Motor (134) in Reihe oder parallel zu der ersten Elektronikeinheit (120) und stromabwärts des NT-Leitungspfads vor dem Fahrgastzellenwärmetauscher (140) angeordnet ist und der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu der parallel geschalteten ersten Elektronikeinheit (120) und dem zweiten Motor (134) eine Kühlmittelstromparallelschaltung aufweist.
10. System (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in den ersten Schaltzuständen a), c) der ersten und zweiten Ventile (161 ) der HT-Leitungspfad der erste Leitungspfad (I) und der NT-Leitungspfad der zweite Leitungspfad (II) ist, wobei der NT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (120) angeordneten Fahrzeugzellenwärmetauschers (140), insbesondere zum Kühlen des stromabwärts der ersten Elektronikeinheit (120) angeordneten Fahrgastzellenwärmetauschers (140) ausgebildet ist, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Radiator (170) und dem stromabwärts des Radiators (170) angeordneten ersten Motor (130), insbesondere zum Erwärmen des Radiators (170) und des stromabwärts des Radiators (170) angeordneten ersten Motors (130) ausgebildet ist.
11 . System (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei in den zweiten Schaltzuständen b) und d) der ersten und zweiten Ventile (161 , 162) der HT-Leitungspfad der erste Leitungspfad (I) und der NT-Leitungs- pfad der zweite Leitungspfad (II) ist, wobei der HT-Leitungspfad zum Leiten des Kühlmittelstroms zu dem Fahrgastzellenwärmetauscher (140) und dem stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) angeordneten ersten Motor (130), insbesondere zum Erwärmen des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) und Kühlen des stromabwärts des Fahrgastzellenwärmetauschers (140) angeordneten ersten Motors (130) ausgebildet ist.
12. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kühleinheit (1 12) einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweist, wobei in dem aktiven Zustand die Kühleinheit (112) den der Kühleinheit (112) zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads (II) kühlt und an den NT-Lei- tungspfad bereitstellt, wobei in dem inaktiven Zustand die Kühleinheit (112) den der Kühleinheit (112) zugeführten Kühlmittelstrom des zweiten Leitungspfads (II) an den NT-Lei- tungspfad ohne Wärmeenergieaustausch leitet.
13. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wärmepumpe (1 10) einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweist, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit (112) und der Heizeinheit (111 ) erfolgt, wobei in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergieaustausch zwischen der Kühleinheit (112) und der Heizeinheit (111 ) erfolgt.
14. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: den Radiator (170), und/oder wobei der Radiator (170) einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweist, wobei in dem aktiven Zustand der Radiator (170) zum Kühlen oder Erwärmen eines Umgebungsfluids des Fahrzeugs ausgebildet ist, wobei in dem inaktiven Zustand des Radiators (170) kein Wärmeenergieaustausch mit dem Umgebungsfluid und/oder dem Radiator (170) erfolgt.
15. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: den Fahrgastzellenwärmetauscher (140), den ersten Wärmetauscher (141 ) und/oder den zweiten Wärmetauscher (142), wobei der Fahrgastzellenwärmetauscher (140), der erste Wärmetauscher (141 ) und/oder der zweiten Wärmetauscher (142) einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, wobei in dem aktiven Zustand der Fahrgastzellenwärmetauscher (140), der erste Wärmetauscher (141 ) und/oder der zweiten Wärmetauscher (142) zum Kühlen und/oder Erwärmen der Fahrgastzelle ausgebildet sind, wobei in dem inaktiven Zustand des Fahrgastzellenwärmetauschers (140), des ersten Wärmetauschers (141 ) und/oder des zweiten Wärmetauschers (142) kein Wärmeenergieaustausch mit der Fahrgastzelle erfolgt.
16. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kühlmittelstrom des HT-Leitungspfads beim Verlassen der Heizeinheit (111 ) eine höhere Temperatur als der Kühlmittelstrom des NT-Leitungspfads beim Verlassen der Kühleinheit (112) aufweist.
17. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Leitungspfad (I) zum Leiten des Kühlmittelstroms zu einem Motor-Wärmetauscher, insbesondere einem Öl-Wasser-Wärmetauscher (133) für den Motor (130) oder zu dem ersten Motor (130) ausgebildet ist.
18. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der HT- und/oder der NT-Leitungspfad einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweist, wobei in dem aktiven Zustand ein Wärmeenergietransport durch den jeweiligen Kühlmittestrom erfolgt, wobei in dem inaktiven Zustand kein Wärmeenergietransport erfolgt.
19. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wärmeenergiesystem (100) basierend auf einem Betriebsmodus des Fahrzeugs dazu ausgebildet ist, die erste Kühlmittelpumpe (151 ), die zweite Kühlmittelpumpe (152), die Kühleinheit (112), die Wärmepumpe (110), den NT-Lei- tungspfad, den Radiator (170), den Motor-Wärmetauscher (133), den Fahrgastzellenwärmetauscher (140), den ersten Wärmetauscher (141 ) und/oder den zweiten Wärmetauscher (142) von einem der inaktiven und aktiven Zustände in den anderen der inaktiven und aktiven Zustände zu schalten, und/oder wobei das Wärmeenergiesystem (100) basierend auf dem Betriebsmodus das erste und/oder das zweite Ventil (161 , 162) von einem der beiden Schaltzustände in den anderen der beiden Schaltzustände zu schalten.
20. System (100) nach Anspruch 19, wobei der Betriebsmodus zumindest einen Eco-Modus umfasst, bei dem das Wärmeenergiesystem (100) zumindest eines von der Wärmepumpe (110), der ersten Kühlmittelpumpe, der zweiten Kühlmittelpumpe, der Kühleinheit, dem Radiator, den Fahrgastzellenwärmetauscher, dem Motor-Wärmetauscher, den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher in den inaktiven Zustand schaltet.
21 . Fahrzeug (200), insbesondere elektrisches Fahrzeug, umfassend ein System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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