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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugheizkreislauf mit einer Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs.
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Es ist bekannt, einen zu beheizenden Bereich eines Fahrzeugs, wie z. B. den Innenraum eines Kraftfahrzeugs, über eine Wärmetauscheranordnung zu Beheizen, die mit zu erwärmender Luft beaufschlagt (d. h. von zu erwärmender Luft umströmt oder durchströmt) wird, die dem zu beheizenden Bereich zugeführt wird. Bei herkömmlichen Straßenfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor wird üblicherweise die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Beheizen genutzt, indem die warme Motorkühlflüssigkeit durch eine Wärmetauscheranordnung geleitet wird, in der die Wärme auf zu beheizende Luft übertragen wird. Bei modernen Verbrennungsmotoren reicht oftmals die freigesetzte Wärme nicht mehr aus, um den Fahrgastraum ausreichend zu beheizen, sodass teilweise Fahrzeugzusatzheizvorrichtungen zum Einsatz kommen. Die Fahrzeugzusatzheizvorrichtungen können dabei derart ausgebildet sein, dass sie in den Motorkühlflüssigkeitskreislauf eingebunden sind und die Motorkühlflüssigkeit beheizen. Derartige Fahrzeugzusatzheizvorrichtungen können als Zuheizer realisiert sein, die nur bei laufendem Antriebsmotor Heizwärme bereitstellen, oder als Standheizungen, die sowohl bei laufendem als auch bei ruhendem Antriebsmotor Heizwärme bereitstellen können.
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Bei sogenannten Hybrid-Fahrzeugen, die über einen elektrischen Antriebsmotor und einen Verbrennungs-Antriebsmotor verfügen, und bei Elektrofahrzeugen, die ausschließlich über einen elektrischen Antriebsmotor verfügen, tritt die Problematik, dass nicht in allen Betriebszuständen genügend Abwärme aus dem Fahrzeugantrieb für das Beheizen eines zu beheizenden Bereichs zur Verfügung steht, in verstärkter Form auf.
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DE 197 55 193 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Heizung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeuges mit Elektromotor. Ein Heizradiator weist eine erste Lage zur Kühlung eines elektrischen Leistungsstromkreises und eine mit einem elektrischen Widerstand beheizte zweite Lage auf.
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DE 43 27 261 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten. Zu kühlenden Aggregaten mit unterschiedlichem Temperaturniveau ist jeweils ein separater Kühlkreislauf zugeordnet. Ein zweiter Kühlmittelkreislauf ist an den Wärmetauscher für die Fahrgastzelle gekoppelt, der in einem parallel zu einem ersten Wärmetauscher angeordneten und mittels eines Ventils absperrbaren Bypasskanal vorgesehen ist.
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US 2002/0043413 A1 beschreibt eine Klimatisierungsvorrichtung für eine Fahrgastzelle. Ein zweiter Wärmetauscher ist vor einem ersten Wärmetauscher zum Kühlen einer Kühlflüssigkeit einer Batterie angeordnet.
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DE 196 09 048 A1 beschreibt eine Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem ersten Flüssigkeitskreis mit einem Wärmetauscher, einer Pumpe und einer Wärmequelle zur Erwärmung der Flüssigkeit. Sekundärseitig ist der Wärmetauscher luftbeaufschlagt, wobei dieser Luftstrom dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird. Es ist außerdem ein Kältekreis vorgesehen, mittels dem die dem Fahrzeuginnenraum zugeleitete Luft abgekühlt werden kann. Ein zweiter Flüssigkeitskreislauf, in dem ein Thermospeicher und eine Pumpe angeordnet sind, ist dem ersten Flüssigkeitskreislauf zuschaltbar.
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DE 41 15 138 A1 beschreibt eine Heizanlage für Fahrzeuge mit einem Heizgerät, das durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt, einem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Wärmeabgabe an einen Fahrzeuginnenraum, einem Flüssigkeitskreislauf, der durch das Heizgerät und den Wärmetauscher führt, und einem dem Wärmetauscher zugeordneten Gebläse.
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DE 42 38 364 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Kühlen von Antriebskomponenten und zum Heizen eines Fahrgastraumes eines Elektrofahrzeugs mit einem von einer Batterie gespeisten Antriebsmotor, die einen ersten Kühlmittelkreis aufweist, der über einen Zwischenwärmetauscher mit einem zweiten Kühlmittelkreis gekoppelt ist. In dem zweiten Kühlmittelkreis sind ein erster als Kühler wirkender Wärmetauscher und ein zweiter als Heizkörper wirkender Wärmetauscher vorgesehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fahrzeugheizkreislauf bereitzustellen, der eine verbesserte Beheizung eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch einen Fahrzeugheizkreislauf nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Wärmetauscheranordnung zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs eines Fahrzeugs weist auf: ein erstes Wärmetauscherelement zum Übertragen von Abwärme von zumindest einer zu kühlenden elektrischen Komponente des Fahrzeugs auf Luft und ein zweites Wärmetauscherelement zum Übertragen von Wärme von zumindest einer Fahrzeugheizvorrichtung auf Luft. Das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement sind derart angeordnet, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft beaufschlagt werden.
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Unter einem Fahrzeug werden vorliegend Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge verstanden. Dabei kann es sich insbesondere um Kraftfahrzeuge handeln, die einen Antriebsmotor aufweisen. Der Antriebsmotor kann dabei z. B. durch eine Brennkraftmaschine, durch einen Elektromotor oder durch einen sogenannten Hybrid-Antrieb gebildet sein. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei der Verwendung von Elektromotoren und Hybridantrieben von Vorteil, bei denen ein Akku, ein Elektromotor und zugehörige Leistungselektronik Wärme freisetzen, die abgeführt werden muss. Der zu beheizende Bereich des Fahrzeugs kann durch einen geschlossener Raum, wie z. B. den Innenraum eines Straßenfahrzeugs, oder durch einen offenen oder teiloffenen Raum, wie er z. B. bei Yachten häufig zu finden ist, gebildet sein. Unter „zu kühlender elektrischer Komponente” wird vorliegend eine elektrische Komponente verstanden, von der Wärme abgeführt werden muss, damit diese nicht überhitzt. Insbesondere wird unter zu kühlender elektrischer Komponente nicht eine elektrische Komponente verstanden, die zu dem Zweck mit elektrischer Leistung versorgt wird, um Wärme bereitzustellen, wie es z. B. bei einem Widerstandsheizer, z. B. einem PTC-Element, der Fall ist. Unter einer „Fahrzeugheizvorrichtung” wird in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung verstanden, die in einem Fahrzeug zu dem Zweck vorgesehen ist, Heizleistung bereitzustellen, wie z. B. ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät oder ein elektrischer Widerstandsheizer, der z. B. durch ein PTC-Element gebildet sein kann.
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Da das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement derart angeordnet sind, dass sie nacheinander mit zu erwärmender Luft beaufschlagt werden, kann die zu erwärmende Luft sowohl durch die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten als auch durch die Fahrzeugheizvorrichtung erwärmt werden. Da somit für die Abwärme der elektrischen Komponenten und die Abwärme der Fahrzeugheizvorrichtung zwei verschiedene Wärmetauscherelemente zur Verfügung stehen, können ein Hochtemperaturkreislauf und ein Niedrigtemperaturkreislauf realisiert werden, wobei der Niedrigtemperaturkreislauf über das erste Wärmetauscherelement die Verlustwärme elektrischen Komponenten, wie z. B. eines Akkus, eines Elektromotors und zugehöriger Leistungselektronik, für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs bereitstellen kann. Falls für den zu beheizenden Bereich eine große Wärmemenge erforderlich ist, kann neben der Nutzung der Abwärme der elektrischen Komponenten ein gleichzeitiger Betrieb der Fahrzeugheizvorrichtung auf einem höheren Temperaturniveau erfolgen, um zusätzlich Wärme über das zweite Wärmetauscherelement bereitzustellen. Da mit der Abwärme der elektrischen Komponenten die Heizluft bereits vorgewärmt werden kann, muss die Fahrzeugheizvorrichtung nur eine geringere Wärmemenge bereitstellen, um eine ausreichende Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitzustellen. Folglich kann die Fahrzeugheizvorrichtung in einer niedrigeren Leistungsstufe betrieben werden, wodurch der Energiebedarf der Fahrzeugheizvorrichtung gesenkt wird. Bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät senkt dies den Brennstoffverbrauch, bei einem elektrischen Heizelement die elektrische Leistungsaufnahme. Falls nur ein niedriger Heizleistungsbedarf für den zu beheizenden Bereich besteht, kann allein mit der Abwärme der elektrischen Komponenten geheizt werden. Somit braucht die Fahrzeugheizvorrichtung nur dann betrieben zu werden, wenn es ein hoher Heizleistungsbedarf erforderlich macht. Das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement lassen sich sehr einfach in ein von einem Fahrzeughersteller vorgesehenes Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem (HLKA) integrieren. Aufgrund des Vorsehens des zweiten Wärmetauscherelements muss für eine ausreichende Beheizung des zu beheizenden Bereichs kein elektrischer Hochvolt-PTC-Zuheizer in dem Luftstrom der zu erwärmenden Luft vorgesehen werden, sodass keine Hochspannungskomponenten in einem Innenraum des Fahrzeugs vorgesehen zu werden brauchen. Dies führt zu einem deutlichen Sicherheitsgewinn.
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Verglichen mit einem Fall, bei dem eine Fahrzeugheizvorrichtung, insbesondere ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, in den Kühlflüssigkeitskreislaufs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs derart eingebunden ist, dass die bereitgestellte Wärme nur über einen in dem allgemeinen Kühlflüssigkeitskreislauf angeordneten Wärmetauscher auf zu erwärmende Luft übertragen wird, weist die bereitgestellte Wärmetauscheranordnung deutliche Vorteile auf. Da die zu kühlenden elektrischen Komponenten ein relativ niedriges zulässiges Temperaturniveau aufweisen, müsste bei der Einbindung der Fahrzeugheizvorrichtung in den allgemeinen Kühlflüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs, der auch die elektrischen Komponenten aufweist, bei einem Heizbetrieb, bei dem viel Heizleistung in den zu beheizenden Bereich eingebracht werden soll, eine Abtrennung der elektrischen Komponenten von dem Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs erfolgen, in dem der Wärmetauscher zum Erwärmen von Luft angeordnet ist. Die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten müsste dann über einen Kühler an die Umgebung abgeführt werden und würde nicht mehr für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs zur Verfügung stehen. Verglichen mit einem Fall, bei dem nur über eine elektrische Widerstandsheizung zugeheizt wird, ohne gleichzeitig die Abwärme der elektrischen Komponenten zu nutzen, wird mit der vorgeschlagenen Realisierung eine Verringerung der Reichweite mit einem elektrischen Fahrzeugantrieb vermieden, die bei ausschließlich elektrischer Beheizung bis zu 50% betragen kann. Die bereitgestellte Wärmetauscheranordnung ermöglicht somit eine erhöhte Reichweite. Ferner erfolgt bei einem Betrieb während der Fahrt nur eine geringere Batterieentladung, was zu einer reduzierten Wiederladezeit der Fahrzeugbatterie und zu einer deutlich geringeren Batteriebelastung führt. Als Resultat wird auch eine höhere Batterielebensdauer erreicht.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement derart angeordnet, dass zuerst das erste Wärmetauscherelement von der zu erwärmenden Luft beaufschlagt wird und danach das zweite Wärmetauscherelement. In diesem Fall wird das im Allgemeinen niedrigere Temperaturniveau des ersten Wärmetauscherelements zum Vorwärmen der zu erwärmenden Luft genutzt und das höhere Temperaturniveau des zweiten Wärmetauschers für das weitere Aufwärmen. Somit werden die unterschiedlichen Temperaturniveaus ausgenutzt.
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Wenn das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement jeweils als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher ausgebildet sind, kann die Wärme dem ersten Wärmetauscherelement und dem zweiten Wärmetauscherelement jeweils über Flüssigkeitskreisläufe zugeführt werden. Insbesondere wenn die Fahrzeugheizvorrichtung einen elektrischen Widerstandsheizer aufweist, kann dadurch vermieden werden, Hochspannungskomponenten in direktem Kontakt mit einem Innenraum des Fahrzeugs vorzusehen. Die jeweiligen Flüssigkeitskreisläufe können vorteilhaft auch dazu genutzt werden, die elektrischen Komponenten bei Bedarf auch durch die Fahrzeugheizvorrichtung zu erwärmen. Unter einem Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher wird in diesem Zusammenhang ein Wärmetauscher verstanden, bei dem die Wärme von einer Flüssigkeit (als Wärmeträgermedium) auf Luft übertragen wird. Die Flüssigkeit kann dabei z. B. durch eine übliche Kühlflüssigkeit gebildet sein, wie z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Ähnliches.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement derart ausgebildet, dass das Temperaturniveau des ersten Wärmetauscherelements nicht unmittelbar durch das Temperaturniveau des zweiten Wärmetauscherelements beeinflusst wird und umgekehrt. In diesem Fall kann das erste Wärmetauscherelement zuverlässig auf einem niedrigeren Temperaturniveau, das für die Wärmeabfuhr von den elektrischen Komponenten angemessen ist, betrieben werden und das zweite Wärmetauscherelement auf einem höheren Temperaturniveau, um ausreichend Heizleistung in den zu beheizenden Bereich einzubringen.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. In diesem Fall ist die Wärmetauscheranordnung besonders kompakt bereitgestellt und lässt sich ohne großen Aufwand in ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsmodul (HLKA-Modul) eines Fahrzeugs integrieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente eine Fahrzeugbatterie und/oder einen elektrischen Fahrzeugantriebsmotor und/oder zumindest eine Elektronikkomponente des Antriebsstrangs des Fahrzeugs auf. In diesem Fall ist eine Wärmetauscheranordnung bereitgestellt, mit der insbesondere bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug die Abwärme von elektrischen Komponenten zum Beheizen eines zu beheizenden Bereichs, wie z. B. eines Fahrgastraums, genutzt werden kann. Elektronikkomponenten des Antriebsstrangs können insbesondere durch die für einen Elektroantrieb erforderliche Leistungselektronik gebildet sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät auf. In diesem Fall kann durch die Umsetzung von Brennstoff und Brennluft Wärme für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden, ohne die Stromversorgung des Fahrzeugs, insbesondere einen Akku, zu belasten. Insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät zusätzlich auch dazu genutzt werden, bei Bedarf Wärme z. B. für den Akku oder den Elektromotor bereitzustellen. Es kann in dieser Weise z. B. ein Standheizbetrieb realisiert werden, der nicht eine Starterbatterie oder einen für den Antrieb erforderlichen Akku belastet.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die zumindest eine Fahrzeugheizvorrichtung eine elektrische Widerstandsheizung auf. Die elektrische Widerstandsheizung kann dabei insbesondere auch zusätzlich zu einem brennstoffbetriebenen Heizgerät vorgesehen sein. Die elektrische Widerstandsheizung kann insbesondere durch bekannte PTC-Heizelemente realisiert werden. Mit der elektrischen Widerstandsheizung kann z. B. dann effektiv geheizt werden, wenn ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung steht, z. B. bei vollem Akku oder bei einem Laden des Akkus an einer stationären Ladestation (z. B. im Fall eines Elektroautos). Ferner kann mit der elektrischen Widerstandsheizung Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden, ohne dass Abgase freigesetzt werden, wie bei dem Betrieb eines brennstoffbetriebenen Heizgeräts. In dieser Weise kann z. B. eine Heizung in Bereichen erzielt werden, in denen der Betrieb eines brennstoffbetriebenen Heizgeräts nicht zulässig ist, wie z. B. in Parkgaragen oder schadstofffreien Zonen. Bei einer Kombination von sowohl einem brennstoffbetriebenen Heizgerät als auch einer elektrischen Widerstandsheizung werden die jeweiligen Vorteile der beiden Arten zu Heizen realisiert. Ferner kann zum Beispiel auch durch gleichzeitiges Betreiben des brennstoffbetriebenen Heizgeräts und der elektrischen Widerstandsheizung bei Bedarf besonders viel Heizleistung für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Fahrzeugheizvorrichtung derart eingerichtet, dass bei Verfügbarkeit einer elektrischen Versorgungsspannung nur die elektrische Widerstandsheizung Wärme bereitstellt. In diesem Fall wird bei einer Verfügbarkeit von einer elektrischen Versorgungsspannung (z. B. bei einem Laden der Fahrzeugbatterie) kein Brennstoff für ein brennstoffbetriebenes Heizgerät verbraucht, da dieses nicht betrieben wird. Die von der elektrischen Widerstandsheizung bereitgestellte Wärme kann zum Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums und/oder Erwärmen der elektrischen Komponenten genutzt werden.
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Das erste Wärmetauscherelement ist in einen ersten Flüssigkeitskreislauf eingebunden, in dem die zumindest eine zu kühlende elektrische Komponente angeordnet ist. In diesem Fall kann der Wärmetransport von der zu kühlenden elektrischen Komponente zu dem ersten Wärmetauscherelement über die in dem Flüssigkeitskreislauf zirkulierende Flüssigkeit erfolgen. Insbesondere kann das erste Wärmetauscherelement dabei räumlich von den zu kühlenden Komponenten entfernt angeordnet werden, sodass ein hohes Maß an Variabilität gegeben ist. Es können insbesondere mehrere zu kühlende elektrische Komponenten, wie z. B. ein Akku, ein Elektromotor und zugehörige Leistungselektronik, in einfacher Weise in den ersten Flüssigkeitskreislauf eingebunden werden. Der erste Wärmetauscher wird dabei bevorzugt von der Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitskreislaufs um- oder durchströmt.
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Das zweite Wärmetauscherelement ist in einen zweiten Flüssigkeitskreislauf eingebunden, in dem die Fahrzeugheizvorrichtung angeordnet ist. In diesem Fall kann der Wärmetransport von der Fahrzeugheizvorrichtung zu dem zweiten Wärmetauscherelement über die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf zirkulierende Flüssigkeit erfolgen. Damit ist eine räumlich beabstandete Anordnung des zweiten Wärmetauscherelements von der Fahrzeugheizvorrichtung ermöglicht. Ferner kann in diesem Fall die Fahrzeugheizvorrichtung auch in einfacher Weise derart eingebunden werden, dass auch eine aktive Beheizung der elektrischen Komponenten ermöglicht ist, wenn dies erforderlich ist (z. B. bei tiefen Außentemperaturen). Wenn die Fahrzeugheizvorrichtung eine elektrische Widerstandsheizung ist, hat diese Realisierung ferner den Vorteil, dass keine Hochspannungskomponenten (die elektrische Widerstandsheizung) im Fahrzeuginnenraum oder in direktem Kontakt mit diesem angeordnet werden müssen, was zu einem deutlichen Sicherheitsgewinn führt. Der zweite Wärmetauscher wird dabei bevorzugt von der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitskreislaufs um- oder durchströmt.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind der erste Flüssigkeitskreislauf und der zweite Flüssigkeitskreislauf derart miteinander verbindbar, dass die elektrischen Komponenten mit der Fahrzeugheizvorrichtung beheizbar sind. In diesem Fall kann die Fahrzeugheizvorrichtung eine Doppelfunktion wahrnehmen, nämlich einerseits ein Beheizen des zu beheizenden Bereichs und andererseits ein Beheizen der elektrischen Komponenten, wenn dies erforderlich ist. Bevorzugt ist die Ausgestaltung dabei derart, dass der erste Flüssigkeitskreislauf und der zweite Flüssigkeitskreislauf über eine Steuerung miteinander verbunden und wieder voneinander getrennt werden können, sodass eine einfache Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebszuständen ermöglicht ist.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt einen Fahrzeugheizkreislauf mit einer Wärmetauscheranordnung gemäß einer Ausführungsform.
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Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf 1 beschrieben. 1 zeigt einen Fahrzeugheizkreislauf 1 gemäß einer Ausführungsform. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fahrzeugheizkreislauf 1 in einem Elektrofahrzeug realisiert, das über einen Elektromotor 2 angetrieben wird. Es ist eine Leistungselektronik 3 vorgesehen, die eine Elektronikkomponente des Antriebsstrangs bildet. Zum Versorgen der Leistungselektronik 3 und des Elektromotors 2 mit elektrischer Energie ist ferner ein Akku 4 vorgesehen. Der Akku 4, die Leistungselektronik 3 und der Elektromotor 2 bilden zu kühlende elektrische Komponenten eines Fahrzeugs. Von diesen zu kühlenden Komponenten muss während eines Betriebs (zumindest in einigen Betriebszuständen des Fahrzeugs) Wärme abgeführt werden, um eine Aufrechterhaltung des Betriebs sicherzustellen bzw. Beschädigungen der Komponenten zu verhindern.
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Die zu kühlenden Komponenten, also in dem in 1 dargestellten Fall der Akku 4, die Leistungselektronik 3 und der Elektromotor 2, sind in einen ersten Flüssigkeitskreislauf 10 eingebunden, in dem eine Flüssigkeit zirkuliert wird, mit der die abzuführende Wärme von den zu kühlenden Komponenten abgeführt wird. Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 weist ferner ein erstes Wärmetauscherelement 5, eine Pumpe 6 zum Zirkulieren der Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitskreislauf und einen Luftkühler 7 auf. Im Bereich des Luftkühlers 7 ist in dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 eine Umgehungsleitung 11 vorgesehen, mit der die Flüssigkeit wahlweise unter Umgehung des Luftkühlers 7 zirkuliert werden kann. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 ist ein Ventil 9 angeordnet, mit dem eingestellt werden kann, welcher Anteil der zirkulierten Flüssigkeit durch den Luftkühler 7 geleitet wird und welcher Anteil durch die Umgehungsleitung 11 zirkuliert wird. Das Ventil 9 ist mit einer schematisch dargestellten Steuerung 100 verbunden und kann über diese angesteuert werden. Das Ventil 9 kann z. B. als Magnetventil ausgebildet sein. Der Luftkühler 7 ist derart ausgebildet, dass er mit einer Luftströmung beaufschlagt werden kann, mit der Wärme zu einer Umgebung des Fahrzeugs nach außen abgeführt werden kann, wie schematisch durch einen Pfeil P dargestellt ist.
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Das erste Wärmetauscherelement 5 bildet einen Teil einer Wärmetauscheranordnung 30, die dazu ausgebildet ist, mit einer Luftströmung von zu erwärmender Luft beaufschlagt zu werden, wie schematisch durch einen Pfeil L dargestellt ist. Die zu erwärmende Luft wird in dem Fahrzeug einem zu beheizenden Bereich zugeführt, der z. B. durch den Fahrgastraum des Fahrzeugs gebildet sein kann. Die Wärmetauscheranordnung 30 kann z. B. in dem Strömungsweg eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystems (HLKA-Moduls) des Fahrzeugs angeordnet sein, in dem durch ein Gebläse ein Luftstrom bereitgestellt wird. Die Wärmetauscheranordnung 30 ist dabei derart angeordnet, dass sie von dem Luftstrom umströmt oder durchströmt wird. Das erste Wärmetauscherelement 5 ist als ein Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher ausgebildet, bei dem Wärme von der in dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 zirkulierten Flüssigkeit auf die zu erwärmende Luft übertragen wird.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist ein zweiter Flüssigkeitskreislauf 20 vorgesehen, in dem ebenfalls eine Flüssigkeit zirkuliert werden kann. In dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 sind eine Pumpe 21, eine Fahrzeugheizvorrichtung 22 und ein zweites Wärmetauscherelement 23 angeordnet. Die Pumpe 21 ist dazu ausgebildet, die Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zu zirkulieren. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 weist bei der dargestellten Ausführungsform ein brennstoffbetriebenes Heizgerät 22a auf, das durch die Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft Wärme bereitstellt. Das brennstoffbetriebene Heizgerät ist als Flüssigkeitsheizgerät ausgebildet, bei dem die bereitgestellte Wärme auf die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierte Flüssigkeit übertragen wird. Wie in 1 gestrichelt dargestellt ist, kann die Fahrzeugheizvorrichtung 22 auch ein elektrisches Widerstandsheizelement 22b aufweisen, das ebenfalls dazu ausgebildet ist, freigesetzte Wärme auf die in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierte Flüssigkeit zu übertragen.
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Das zweite Wärmetauscherelement 23 bildet auch einen Teil der Wärmetauscheranordnung 30. Das zweite Wärmetauscherelement 23 ist als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher ausgebildet und angeordnet, um Wärme von der in dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 zirkulierten Flüssigkeit auf die zu erwärmende Luft zu übertragen.
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Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 sind über Verbindungsleitungen 12 und 13 miteinander verbunden. Es sind Ventile 14 und 15 vorgesehen, mit denen der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 miteinander verbunden und voneinander getrennt werden können, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird. Die Ventile 14 und 15 sind mit der Steuerung 100 verbunden und können über diese angesteuert werden. Die Ventile 14 und 15 können z. B. durch Magnetventile gebildet sein.
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Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind bei der dargestellten Ausführungsform in einem gemeinsamen Gehäuse 24 angeordnet, wie in 1 schematisch durch einen gestrichelten Kasten dargestellt ist. Das gemeinsame Gehäuse 24 ist dabei dazu ausgebildet, in dem Luftströmungsweg eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Systems (HLKA-Moduls) eines Fahrzeug angeordnet zu werden. Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind dabei voneinander thermisch entkoppelt angeordnet, sodass sich deren Temperaturen nicht wesentlich gegenseitig beeinflussen. Das erste Wärmetauscherelement 5 und das zweite Wärmetauscherelement 23 sind derart angeordnet, dass die zu erwärmende Luft zuerst das erste Wärmetauscherelement 5 beaufschlagt und danach das zweite Wärmetauscherelement 23.
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Im Folgenden wird ein Betrieb des Fahrzeugheizkreislaufs 1 beschrieben. Die Ansteuerung der einzelnen Komponenten erfolgt dabei jeweils über die Steuerung 100, ohne dass dies im Einzelfall im Folgenden erwähnt wird. Der Fahrzeugheizkreislauf 1 kann in verschiedenen Zuständen betrieben werden, wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird.
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In einem ersten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich keine Wärme zugeführt werden und von den zu kühlenden elektrischen Komponenten soll Wärme abgeführt werden. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 derart miteinander verbunden werden, dass die Flüssigkeit durch die zu kühlenden elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2), über die Pumpe 21 (d. h. den in 1 oberen Ast des Fahrzeugheizkreislaufs 1), durch den Luftkühler 7 und die Pumpe 6 zirkuliert wird. Bei dieser Verschaltung wird in dem Luftkühler 7 Wärme von der zirkulierten Flüssigkeit abgeführt.
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In einem zweiten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten ist für diesen Zweck ausreichend. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 von dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 getrennt ist. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 wird mittels der Pumpe 6 Flüssigkeit über die zu kühlenden elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2) und das erste Wärmetauscherelement 5 zirkuliert. In dem ersten Wärmetauscherelement 5 wird die zu erwärmende Luft über die Abwärme von den elektrischen Komponenten erwärmt. Je nachdem, ob in dem ersten Wärmetauscherelement 5 genug Wärme abgeführt wird, um die elektrischen Komponenten zu kühlen, oder nicht, wird das Ventil 9 so angesteuert, dass die Flüssigkeit durch den Luftkühler 7 oder die Umgehungsleitung 11 strömt. In diesem Fall wird die Abwärme der elektrischen Komponenten somit dazu genutzt, den zu beheizenden Bereich zu beheizen.
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In einem dritten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und die Abwärme der elektrischen Komponenten reicht dazu nicht aus. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 wie bei dem zweiten Betriebszustand angesteuert. Der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 sind somit voneinander getrennt. In dem ersten Flüssigkeitskreislauf 10 wird die Flüssigkeit wie bei dem zweiten Betriebszustand zirkuliert. In dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 20 wird die Flüssigkeit mittels der Pumpe 21 durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22 und das zweite Wärmetauscherelement 23 zirkuliert. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 wird dabei in Betrieb genommen, um zusätzliche Wärme bereitzustellen. Je nach Wärmebedarf und evtl. nach weiteren Rahmenbedingungen können entweder das brennstoffbetriebene Heizgerät 22a oder die elektrische Widerstandsheizung 22b oder beide in Betrieb genommen werden. In diesem dritten Betriebszustand wird die zu erwärmende Luft somit zunächst in dem ersten Wärmetauscherelement 5 durch die Abwärme der zu kühlenden elektrischen Komponenten vorgewärmt. Anschließend wird die zu erwärmende Luft in dem zweiten Wärmetauscherelement 23 durch die von der Fahrzeugheizvorrichtung 22 bereitgestellte Wärme weiter auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Aufgrund der Entkopplung des ersten Flüssigkeitskreislaufs 10 und des zweiten Flüssigkeitskreislaufs 20 sowie der thermischen Entkopplung des ersten Wärmetauscherelements 5 und des zweiten Wärmetauscherelements 23 kann sich dabei der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 auf einem deutlich höheren Temperaturniveau befinden als der erste Flüssigkeitskreislauf 10. In dieser Weise ist sichergestellt, dass ausreichend Wärme für den zu beheizenden Bereich bereitgestellt werden kann, die zu kühlenden elektrischen Komponenten nicht in unerwünschter Weise durch einen zusätzlichen Wärmeeintrag von der Fahrzeugheizvorrichtung 22 überhitzen und trotzdem die Abwärme der elektrischen Komponenten für die Beheizung des zu beheizenden Bereichs genutzt wird. Somit kann die Verlustwärme der elektrischen Komponenten genutzt werden und die Fahrzeugheizvorrichtung 22 muss immer nur mit einer Heizleistung betrieben werden, die die Differenz zwischen der benötigten Wärme für den zu beheizenden Bereich und der Abwärme der elektrischen Komponenten ausgleicht.
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In einem vierten Betriebszustand soll dem zu beheizenden Bereich Wärme zugeführt werden und auch die elektrischen Komponenten (Akku 4, Leistungselektronik 3 und Elektromotor 2) sollen erwärmt werden. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug bei kalten Außentemperaturen auftreten. In diesem Fall werden die Ventile 9, 14 und 15 derart angesteuert, dass der erste Flüssigkeitskreislauf 10 und der zweite Flüssigkeitskreislauf 20 miteinander derart verbunden werden, dass die Flüssigkeit mittels der Pumpe 6 durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22, das zweite Wärmetauscherelement 23 und die elektrischen Komponenten (Elektromotor 2, Leistungselektronik 3 und Akku 4) zirkuliert wird. Die Fahrzeugheizvorrichtung 22 wird dabei wieder betrieben, um Wärme bereitzustellen. Über die zirkulierte, durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22 erhitzte Flüssigkeit werden einerseits (über das zweite Wärmetauscherelement 23) die zu erwärmende Luft und andererseits die elektrischen Komponenten erwärmt.
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In einem weiteren Betriebszustand erfolgt eine Bereitstellung von Wärme durch die Fahrzeugheizvorrichtung 22 ausschließlich über den Betrieb der elektrischen Widerstandsheizung 22b, wenn eine externe Versorgungsspannung vorfügbar ist. Diese Situation tritt insbesondere bei einem Laden des Akkus 4 durch Netzstrom auf. In diesem Fall wird das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät 22a nicht in Betrieb genommen, um Brennstoff zu sparen. Die Wärme von der elektrischen Widerstandsheizung 22b kann dabei wieder über eine entsprechende Ansteuerung der Ventile 9, 14 und 15 entweder nur zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums oder auch zum Erwärmen der elektrischen Komponenten genutzt werden. In dieser Weise wird eine ausschließlich elektrische Standkonditionierung des Innenraums und/oder der elektrischen Komponenten bereitgestellt.