DE102016006682B4 - Method for operating an air conditioning system of an electric or hybrid vehicle and air conditioning system for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs (10) mit- einem Kältemittelkreislauf (2) aus einem indirekten Verdampfer (2.1), einem indirekten Kondensator (2.2), einem Expansionsorgan (2.3) und einem Kältemittelverdichter (2.4),- einem thermischen Energiespeicher (3),- einem Umgebungs-Wärmetauscher (4) und- wenigstens einer Fahrzeugkomponente (5), welche als Wärmequelle und als Wärmesenke einsetzbar ist, wobei- bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente (5) als Wärmequelle, in einem ersten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus der als Wärmequelle genutzten Fahrzeugkomponente (5) auf den thermischen Energiespeicher (3) als Wärmespeicher übertragen wird, indem der thermische Energiespeicher (3) mit dem Kondensator (2.2) und der Verdampfer (2.1) mit der Fahrzeugkomponente (5) thermisch gekoppelt werden, und- im Anschluss an den ersten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher (3) zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums (11) verwendet wird, indem der Kondensator (2.2) mit wenigstens einer Konditioniereinheit (7.1, 7.2) eines Klimagerätes (7) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs (10) und der thermische Energiespeicher (3) mit dem Verdampfer (2.1) thermisch gekoppelt wird, und- bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente (5) als Wärmesenke, in einem zweiten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie des thermischen Energiespeichers (3) als Kältespeicher auf die als Wärmesenke genutze Fahrzeugkomponente (5) übertragen wird, indem der thermische Energiespeicher (3) mit dem Verdampfer (2.1) und der Kondensator (2.2) mit der Fahrzeugkomponente (5) thermisch gekoppelt werden, und- im Anschluss an den zweiten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus einem einer Konditioniereinheit (7.1, 7.2) eines Klimagerätes (7) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs (10) zugeführten Frisch- oder Umluftstrom (L1) zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums (11) dem thermischen Energiespeicher (3) zugeführt wird, indem der Verdampfer (2.1) mit der wenigstens einen Konditioniereinheit (7.1, 7.2) und der thermische Energiespeicher (3) mit dem Kondensator (2.2) thermisch gekoppelt wird.Method for operating an air conditioning system (1) of an electric or hybrid vehicle (10) with a refrigerant circuit (2) consisting of an indirect evaporator (2.1), an indirect condenser (2.2), an expansion element (2.3) and a refrigerant compressor (2.4), - a thermal energy storage (3), - an ambient heat exchanger (4) and - at least one vehicle component (5), which can be used as a heat source and as a heat sink, whereby - when the vehicle component (5) is used as a heat source, in a first Preconditioning mode thermal energy from the vehicle component (5) used as a heat source is transferred to the thermal energy storage (3) as a heat storage by thermally connecting the thermal energy storage (3) to the capacitor (2.2) and the evaporator (2.1) to the vehicle component (5). are coupled, and - following the first preconditioning mode, thermal energy from the thermal energy storage (3) is used to heat a vehicle interior (11) by connecting the capacitor (2.2) to at least one conditioning unit (7.1, 7.2) of an air conditioning unit (7). of the electric or hybrid vehicle (10) and the thermal energy storage (3) is thermally coupled to the evaporator (2.1), and - when the vehicle component (5) is used as a heat sink, in a second preconditioning mode, thermal energy of the thermal energy storage (3) is transferred as a cold storage to the vehicle component (5) used as a heat sink by thermally coupling the thermal energy storage (3) to the evaporator (2.1) and the capacitor (2.2) to the vehicle component (5), and - following the second Preconditioning mode thermal energy from a fresh or recirculated air stream (L1) supplied to a conditioning unit (7.1, 7.2) of an air conditioning unit (7) of the electric or hybrid vehicle (10) for cooling the vehicle interior (11) is supplied to the thermal energy storage (3) by the evaporator (2.1) is thermally coupled to the at least one conditioning unit (7.1, 7.2) and the thermal energy storage (3) to the capacitor (2.2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sowie eine Klimaanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for operating an air conditioning system of an electric or hybrid vehicle and an air conditioning system for carrying out the method according to the invention.
Bei Fahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine kann die Klimaanlage deren Abwärme zum Heizen des dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstromes verwenden. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen steht jedoch im Vergleich zu Verbrennungskraftmaschinen nur noch eine geringe Abwärme des Verbrennungs- oder Elektroantriebs zur Verfügung, die zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums herangezogen werden kann. Die Verwendung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie zu Heiz- oder Kühlzwecken reduziert jedoch die mögliche Reichweite im elektrischen Fahrbetrieb.In vehicles with an internal combustion engine, the air conditioning system can use its waste heat to heat the supply air flow supplied to the vehicle interior. In electric or hybrid vehicles, however, compared to internal combustion engines, only a small amount of waste heat from the combustion or electric drive is available, which can be used to heat the vehicle interior. However, using the available electrical energy for heating or cooling purposes reduces the possible range in electric driving.
Ferner ist es bekannt bei tiefen Außentemperaturen Wärmepumpen basierend auf einem Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter und einem Expansionsorgan einzusetzen, um Wärme bspw. aus der Fahrzeugumgebung nach dem Wärmepumpenprinzip auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben und an den Fahrzeuginnenraum abzugeben. Ergänzend zu der Ausnutzung der Umgebungswärme schlägt die
Die
Als Thermokomponenten sind bei dieser
Die
So wird zur Realisierung einer Wärmepumpenfunktion mittels des Umgebungs-Wärmetauschers zur Aufnahme von thermischer Energie aus der Umgebungsluft sowie mittels der ersten Konditioniereinheit zur Kühlung des Zuluftstromes der indirekte Verdampfer kältemittelseitig mit dem Umgebungs-Wärmetauscher und mit der ersten Konditioniereinheit mittels einem der Mehrwegeventile verbunden. Die aus der Umgebung sowie aus dem Zuluftstrom aufgenommene Wärmeenergie wird über den indirekten Kondensator kühlmittelseitig zum Heizen der Vorrichtung und zum Heizen des Zuluftstroms mittels der zweiten Konditioniereinheit eingesetzt, indem die erste und zweite Konditioniereinheit mittels der Mehrwegeventile mit dem indirekten Kondensator kältemittelseitig verbunden werden.In order to realize a heat pump function by means of the ambient heat exchanger for absorbing thermal energy from the ambient air and by means of the first conditioning unit for cooling the supply air flow, the indirect evaporator is connected on the coolant side to the ambient heat exchanger and to the first conditioning unit by means of one of the multi-way valves. The heat energy absorbed from the environment and from the supply air flow is used via the indirect condenser on the coolant side to heat the device and for heating the supply air flow by means of the second conditioning unit by connecting the first and second conditioning units to the indirect condenser on the coolant side using the multi-way valves.
Zur Kühlung der Vorrichtung wird dieselbe zusammen mit der ersten Konditioniereinheit zur Kühlung des Zuluftstroms mittels der Mehrwegeventile mit dem indirekten Verdampfer kältemittelseitig verbunden. Die von der Vorrichtung und von der ersten Konditioniereinheit aufgenommene Wärme wird über den indirekten Kondensator auf den Umgebungs-Wärmetauscher und die zweite Konditioniereinheit zum Heizen des Zuluftstromes übertragen, indem mittels der Mehrwegeventile der Umgebungs-Wärmetauscher sowie die zweite Konditioniereinheit mit dem indirekten Kondensator kühlmittelseitig verbunden werden.To cool the device, it is used together with the first conditioning unit Cooling of the supply air flow via the multi-way valves connected to the indirect evaporator on the refrigerant side. The heat absorbed by the device and by the first conditioning unit is transferred via the indirect condenser to the ambient heat exchanger and the second conditioning unit for heating the supply air flow by connecting the ambient heat exchanger and the second conditioning unit to the indirect condenser on the coolant side using the multi-way valves .
Aus der
Bei diesem aus der
Ein System zur thermischen Kopplung einer mobilen Systemkomponente, wie bspw. einem Fahrzeug, welche einen Kältemittelkreislauf, einen thermischen Speicher, eine Wärmequelle, bspw. einen Umgebungsluftstrom, und eine Wärmesenke, bspw. einen Fahrzeuginnenraum, aufweist, mit einer stationären Systemkomponente, wie bspw. einem Gebäude ist aus der
Ist die aus der
Die
Die
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage mit einem thermischen Speicher anzugeben, mit welchem ein flexibles und umfassendes Wärmemanagement in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ermöglicht wird und im Rahmen dieses Wärmemanagements verschiedene Wärmequellen optimal zu nutzen, um eine möglichst effiziente Klimatisierung sicherzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.It is the object of the invention to provide a method for operating an air conditioning system with a thermal storage device, with which flexible and comprehensive heat management can be achieved an electric or hybrid vehicle and, as part of this heat management, to make optimal use of various heat sources to ensure the most efficient air conditioning possible. It is also an object of the invention to provide an air conditioning system for an electric or hybrid vehicle for carrying out the method according to the invention.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The first task is solved by a method for operating an air conditioning system of an electric or hybrid vehicle with the features of
Bei diesem Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit
- - einem Kältemittelkreislauf aus einem indirekten Verdampfer, einem indirekten Kondensator, einem Expansionsorgan, einem Kältemittelverdichter,
- - einem thermischen Energiespeicher,
- - einem Umgebungs-Wärmetauscher und
- - wenigstens einer Fahrzeugkomponente, welche als Wärmequelle und als Wärmesenke einsetzbar ist, wird
- - bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente als Wärmequelle in einem ersten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus der als Wärmequelle genutzten Fahrzeugkomponente auf den thermischen Energiespeicher übertragen, indem der thermische Energiespeicher mit dem Kondensator und der Verdampfer mit der Fahrzeugkomponente thermisch gekoppelt werden, und
- - im Anschluss an den ersten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, indem der Kondensator mit wenigstens einer Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs und der thermische Energiespeicher mit dem Verdampfer thermisch gekoppelt wird, und
- - bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente (5) als Wärmesenke, in einem zweiten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie des thermischen Energiespeichers als Kältespeicher auf die als Wärmesenke genutzten Fahrzeugkomponente übertragen wird, indem der thermische Energiespeicher mit dem Verdampfer und der Kondensator mit der Fahrzeugkomponente thermisch gekoppelt werden, und
- - im Anschluss an den zweiten Vorkonditionierungsmodus thermische Energie aus einem einer Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zugeführten Zuluftstrom zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums dem thermischen Energiespeicher zugeführt wird, indem der Verdampfer mit der wenigstens einen Konditioniereinheit und der thermische Energiespeicher mit dem Kondensator thermisch gekoppelt wird.
- - a refrigerant circuit consisting of an indirect evaporator, an indirect condenser, an expansion element, a refrigerant compressor,
- - a thermal energy storage,
- - an ambient heat exchanger and
- - At least one vehicle component that can be used as a heat source and as a heat sink
- - When using the vehicle component as a heat source in a first preconditioning mode, thermal energy is transferred from the vehicle component used as a heat source to the thermal energy storage by thermally coupling the thermal energy storage with the capacitor and the evaporator with the vehicle component, and
- - following the first preconditioning mode, thermal energy from the thermal energy storage is used to heat a vehicle interior by thermally coupling the capacitor to at least one conditioning unit of an air conditioning unit of the electric or hybrid vehicle and the thermal energy storage to the evaporator, and
- - When the vehicle component (5) is used as a heat sink, in a second preconditioning mode, thermal energy from the thermal energy storage is transferred as a cold storage to the vehicle component used as a heat sink by thermally coupling the thermal energy storage with the evaporator and the capacitor with the vehicle component, and
- - Following the second preconditioning mode, thermal energy from a supply air stream supplied to a conditioning unit of an air conditioning unit of the electric or hybrid vehicle for cooling the vehicle interior is supplied to the thermal energy storage by thermally coupling the evaporator to the at least one conditioning unit and the thermal energy storage to the capacitor .
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Wärmemanagement im Elektro- oder Hybridfahrzeug entlastet, da die mittels des thermischen Energiespeichers in dem ersten und zweiten Vorkonditionierungsmodus bereitgestellte Heiz- bzw. Kühlleistung während des Fahrbetriebs zur Entlastung der Wärme- und Kälteerzeugung im Fahrzeug führt. Die dadurch geringere Auslastung der elektrischen Energiereserven führt zu einer Erhöhung der Reichweite.With this method according to the invention, the heat management in the electric or hybrid vehicle is relieved, since the heating or cooling power provided by the thermal energy storage in the first and second preconditioning mode during driving leads to the relief of heat and cold generation in the vehicle. The resulting lower utilization of electrical energy reserves leads to an increase in range.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ergänzend zur Wärme- und Kälteerzeugung in dem Fahrzeug mittels des thermischen Energiespeichers die zur Verfügung stehende Heiz- und Kühlleistung erhöht wird. Insbesondere der instationäre Hochlastbetrieb, bspw. zu Beginn des Fahrzeugbetriebes wird bezogen auf den Primärenergiebedarf abgeschwächt. Auch das sogenannte „Down-Sizing“ der Kälteanlage ist möglich, wenn für den Hochlastbetrieb thermische Energie mittels des Energiespeichers vorgehalten wird.A further advantage is that, in addition to the generation of heat and cold in the vehicle, the available heating and cooling output is increased by means of the thermal energy storage. In particular, the transient high-load operation, for example at the beginning of vehicle operation, is weakened in relation to the primary energy requirement. The so-called “down-sizing” of the refrigeration system is also possible if thermal energy is stored for high-load operation using the energy storage system.
Besonders vorteilhaft ist die Nutzung der von Aggregaten und Nebenaggregaten als Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs erzeugten Abwärme, die als thermische Energie in dem thermischen Energiespeicher gespeichert wird.It is particularly advantageous to use the waste heat generated by units and auxiliary units as vehicle components of the vehicle, which is stored as thermal energy in the thermal energy storage.
Zudem können mittels des thermischen Energiespeichers hohe Lastspitzen bei einer spontan angeforderten hohen Kühlleistung dämpfen, so dass bei der Auslegung des entsprechenden Umgebungs-Wärmetauschers diese hohen Lastspitzen nicht berücksichtigt werden müssen. Damit verschiebt sich die Auslegung eines solchen Umgebungs-Wärmetauschers von einer Auslegung für maximale Anforderungen zu einer Auslegung für gemittelte Kühlanforderungen, wodurch eine Verringerung der Bauteilgröße erreicht wird.In addition, the thermal energy storage can be used to dampen high load peaks when a high cooling capacity is spontaneously requested, so that these high load peaks do not have to be taken into account when designing the corresponding ambient heat exchanger. This shifts the design of such an ambient heat exchanger from a design for maximum requirements to a design for average cooling requirements, thereby achieving a reduction in component size.
Schließlich kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Erhaltungsklimatisierung realisiert werden, wenn bspw. mechanische Kältemittelverdichter bei Hybrid-Fahrzeugen oder elektrische Kältemittelverdichter bei reinen Elektro-Fahrzeugen in Standphasen als auch bei Motorabschaltungen im Freilauf abgeschaltet werden und somit die ansonsten entstehenden Klimatisierungslücken mittels des thermischen Energiespeichers kompensiert werden können.Finally, maintenance air conditioning can also be implemented by means of the method according to the invention if, for example, mechanical refrigerant compressors in hybrid vehicles or electric refrigerant compressors in purely electric vehicles are switched off during standstill phases as well as when the engine is switched off while freewheeling and thus the otherwise resulting air conditioning gaps are compensated for by means of the thermal energy storage can be.
Im Anschluss an den ersten Vorkonditionierungsmodus wird thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher zum Heizen des Fahrgastinnenraums verwendet, indem der Kondensator mit wenigstens einer Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs und der thermische Energiespeicher mit dem Verdampfer thermisch gekoppelt wird. Somit steht die während des ersten Vorkonditionierungsmodus gespeicherte Wärmeenergie bspw. beim Start des Fahrzeugs, insbesondere bei kalter und winterlicher Fahrzeugumgebung sofort zum Heizen des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung. Eine Konditioniereinheit kann bspw. als Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgeführt sein.Following the first preconditioning mode, thermal energy from the thermal energy storage is used to heat the passenger compartment by thermally coupling the capacitor to at least one conditioning unit of an air conditioning unit of the electric or hybrid vehicle and the thermal energy storage to the evaporator. The thermal energy stored during the first preconditioning mode is therefore immediately available for heating the vehicle interior, for example when starting the vehicle, especially in cold and wintry vehicle environments. A conditioning unit can, for example, be designed as an air-coolant heat exchanger.
Im Anschluss an den zweiten Vorkonditionierungsmodus wird thermische Energie aus einem einer Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zugeführten Zuluftstrom zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums dem thermischen Energiespeicher zugeführt, indem der Verdampfer mit der wenigstens einen Konditioniereinheit und der thermische Energiespeicher mit dem Kondensator thermisch gekoppelt wird. Damit steht die während des zweiten Vorkonditionierungsmodus erzeugte Kälteleistung, bspw. beim Start des Fahrzeugs, insbesondere bei hohen Fahrzeug-Umgebungstemperaturen zur Kühlung des dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstroms zur Verfügung.Following the second preconditioning mode, thermal energy from a supply air stream supplied to a conditioning unit of an air conditioning unit of the electric or hybrid vehicle for cooling the vehicle interior is supplied to the thermal energy storage by thermally coupling the evaporator to the at least one conditioning unit and the thermal energy storage to the capacitor. This means that the cooling power generated during the second preconditioning mode, for example when starting the vehicle, is available to cool the supply air flow supplied to the vehicle interior, particularly at high vehicle ambient temperatures.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.The second task mentioned is solved by an air conditioning system of an electric or hybrid vehicle with the features of
Gemäß der Erfindung umfasst diese Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs
- - einen Kältemittelkreislauf aus einem indirekten Verdampfer, einem indirekten Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Kältemittelverdichter,
- - einen thermischen Energiespeicher,
- - ein Mehrwegeventil,
- - einen Umgebungs-Wärmetauscher und
- - wenigstens eine Fahrzeugkomponente, welche als Wärmequelle und als Wärmesenke einsetzbar ist, und
- - einen die wenigstens eine Fahrzeugkomponente aufweisenden ersten Kühlmittelkreislauf sowie einen den thermischen Energiespeicher aufweisenden zweiten Kühlmittelkreislauf, wobei
- - bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente als Wärmequelle zur Realisierung des ersten Vorkonditionierungsmodus mit anschließendem Heizen eines Fahrzeuginnenraums zunächst mittels des Mehrwegeventils der erste Kühlmittelkreislauf mit dem Verdampfer und der zweite Kühlmittelkreislauf mit dem Kondensator und anschließend mittels des Mehrwegeventils ein wenigstens eine Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aufweisender dritter Kühlmittelkreislauf mit dem Kondensator und der zweite Kühlmittelkreislauf mit dem Verdampfer thermisch verbunden sind, und
- - bei einem Einsatz der Fahrzeugkomponente als Wärmesenke zur Realisierung des zweiten Vorkonditionierungsmodus mit anschließendem Kühlen des Fahrzeuginnenraums zunächst mittels des Mehrwegeventils der erste Kühlmittelkreislauf mit dem Kondensator und der zweite Kühlmittelkreislauf mit dem thermischen Energiespeicher und anschließend mittels des Mehrwegeventils ein wenigstens eine Konditioniereinheit eines Klimagerätes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aufweisender vierter Kühlmittelkreislauf mit dem Verdampfer und der zweite Kühlmittelkreislauf mit dem Kondensator thermisch verbunden sind.
- - a refrigerant circuit consisting of an indirect evaporator, an indirect condenser, an expansion element and a refrigerant compressor,
- - a thermal energy storage,
- - a multi-way valve,
- - an ambient heat exchanger and
- - at least one vehicle component that can be used as a heat source and as a heat sink, and
- - a first coolant circuit having the at least one vehicle component and a second coolant circuit having the thermal energy storage, wherein
- - When using the vehicle component as a heat source to implement the first preconditioning mode with subsequent heating of a vehicle interior, first by means of the multi-way valve, the first coolant circuit with the evaporator and the second coolant circuit with the condenser and then by means of the multi-way valve at least one conditioning unit of an air conditioning device of the electric or Hybrid vehicle having third coolant circuit with the condenser and the second coolant circuit with the evaporator are thermally connected, and
- - When using the vehicle component as a heat sink to implement the second preconditioning mode with subsequent cooling of the vehicle interior, first by means of the multi-way valve, the first coolant circuit with the condenser and the second coolant circuit with the thermal energy storage and then by means of the multi-way valve at least one conditioning unit of an air conditioning device of the electric or hybrid vehicle, the fourth coolant circuit is thermally connected to the evaporator and the second coolant circuit is thermally connected to the condenser.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgeführten Vorteile weist auch die erfindungsgemäße Klimaanlage auf.The air conditioning system according to the invention also has the advantages listed in connection with the method according to the invention.
Die Konditioniereinheit des Klimagerätes ist bspw. als Luft-Wasser-Wärmeübertrager ausgebildet.The conditioning unit of the air conditioning unit is designed, for example, as an air-water heat exchanger.
Als Fahrzeugkomponente, die entweder als Wärmequelle oder als Wärmesenke eingesetzt wird, ist eine elektrische Traktionskomponente des Elektro- oder Hybridfahrzeugs, also bspw. eine Hochvoltbatterie, ein Ladegerät für diese Hochvoltbatterie, eine Leistungselektronik oder eine elektrische Antriebsmaschine vorgesehen. So wird bspw. die Hochvoltbatterie oder die elektrische Antriebsmaschine als Wärmequelle eingesetzt, deren Abwärme zur Kühlung abgeführt und bspw. in dem thermischen Energiespeicher gespeichert wird oder als Wärmesenke eingesetzt, wenn zur optimalen Betriebsweise diese Hochvoltbatterie erwärmt werden muss. Diese Wärmeenergie wird dem thermischen Energiespeicher entnommen, wodurch „Kälteenergie“ in dem thermischen Energiespeicher gespeichert wird.The vehicle component that is used either as a heat source or as a heat sink is an electric traction component of the electric or hybrid vehicle, for example a high-voltage battery, a charger for this high-voltage battery, power electronics or an electric drive machine. For example, the high-voltage battery or the electric drive machine is used as a heat source, the waste heat of which is dissipated for cooling and, for example, stored in the thermal energy storage or used as a heat sink if this high-voltage battery needs to be heated for optimal operation. This heat energy is taken from the thermal energy storage, whereby “cold energy” is stored in the thermal energy storage.
Auch die Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs kann entweder als Wärmequelle oder als Wärmesenke eingesetzt werden, wobei im erstgenannten Fall die während des Betriebes erzeugte Motorwärme abgeführt wird und im zweitgenannten Fall während der Warmlaufphase des Motors dieser mit der aus dem thermischen Energiespeicher entnommenen Wärmeenergie erwärmt wird.The internal combustion engine of a hybrid vehicle can also be used either as a heat source or as a heat sink, whereby in the former case the engine heat generated during operation is dissipated and in the latter case, during the warm-up phase of the engine, it is heated with the thermal energy taken from the thermal energy storage.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einem ersten Vorkonditionierungsmodus, -
3 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einem zweiten Vorkonditionierungsmodus, -
4 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einem Heizbetrieb, -
5 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einem Kühlbetrieb, -
6 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einer alternativen Ausführung des Heiz- und Kühlbetriebs, -
7 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 in einer weiteren alternativen Ausführung des Heiz- und Kühlbetrieb, -
8 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 mit zwei thermischen Energiespeichern in einer weiteren alternativen Ausführung des Heiz- und Kühlbetriebs, -
9 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 mit zwei thermischen Energiespeichern in einer weiteren alternativen Ausführung des Heiz- und Kühlbetriebs, und -
10 eine schematische Detaildarstellung der Klimaanlage nach1 mit zwei thermischen Energiespeichern in einer weiteren alternativen Ausführung des Heiz- und Kühlbetriebs.
-
1 a schematic representation of an air conditioning system of an electric or hybrid vehicle for carrying out the method according to the invention, -
2 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in a first preconditioning mode, -
3 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in a second preconditioning mode, -
4 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in a heating mode, -
5 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in a cooling operation, -
6 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in an alternative version of heating and cooling operation, -
7 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 in another alternative version of the heating and cooling operation, -
8th a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 with two thermal energy storage units in another alternative version of heating and cooling operation, -
9 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 with two thermal energy storage units in a further alternative version of heating and cooling operation, and -
10 a schematic detailed representation of theair conditioning system 1 with two thermal energy storage units in another alternative version of heating and cooling operation.
Die in
- -
einen Kältemittelkreislauf 2, der aus einem indirekten Verdampfer 2.1, einem indirekten Kondensator 2.2, einem bspw. als Expansionsventil ausgeführten Expansionsorgan 2.3 und einem Kältemittelverdichter 2.4 sowie zugehörigen Kühlmittelpumpen 2.5 und 2.6 aufgebaut ist, - - einen thermischen Energiespeicher 3 mit einem thermischen Speicherelement 3.1, wobei zusätzlich ein weiteres thermisches Speicherelement 3.2 eingesetzt werden kann,
- - einen Umgebungs-
Wärmetauscher 4 mit einem Lüfter 4.0, - -
Fahrzeugkomponenten 5, die als elektrische Traktionskomponente 5.1 und als Brennkraftmaschine 5.2 ausgebildet sind, - -
ein Klimagerät 7 mit zwei Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern als Konditioniereinheiten 7.1 und 7.2 für einen Frisch- oder Umluftstrom L1, der über diese Konditioniereinheiten 7.1 und 7.2 gekühlt, erwärmt und/oder entfeuchtet und als Teilluftströme L2 und/oderL3 einem Fahrzeuginnenraum 11 des Elektro-oder Hybridfahrzeugs 10 zugeführt wird, und - -
ein Mehrwegeventil 6, welches diese aufgeführten Komponenten 2, 3, 4, 5 7.1 und 7.2 in verschiedenen Verschaltungskonfigurationen mitdem thermischen Energiespeicher 3 thermisch verbindet.
- - a
refrigerant circuit 2, which is made up of an indirect evaporator 2.1, an indirect condenser 2.2, an expansion element 2.3 designed, for example, as an expansion valve and a refrigerant compressor 2.4 as well as associated coolant pumps 2.5 and 2.6, - - a
thermal energy storage 3 with a thermal storage element 3.1, whereby a further thermal storage element 3.2 can also be used, - - an
ambient heat exchanger 4 with a fan 4.0, - -
Vehicle components 5, which are designed as an electrical traction component 5.1 and as an internal combustion engine 5.2, - - an
air conditioning unit 7 with two air-coolant heat exchangers as conditioning units 7.1 and 7.2 for a fresh or circulating air flow L1, which is cooled, heated and / or dehumidified via these conditioning units 7.1 and 7.2 and as partial air flows L2 and / or L3 to avehicle interior 11 of Electric orhybrid vehicle 10 is supplied, and - - a
multi-way valve 6, which thermally connects these listed 2, 3, 4, 5, 7.1 and 7.2 to thecomponents thermal energy storage 3 in different connection configurations.
Bei dem Klimagerät 7 wird einem ersten Kanal 7.4, in welchem ein Luft-Wärmetauscher als Konditioniereinheit 7.2 angeordnet ist, der Frischluftstrom L1, dem auch eine Umluft zugemischt werden kann, dem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7.2 zugeführt. Anschließend wird dieser Frisch- oder Umluftstrom L1 in Abhängigkeit der Stellung einer Luftklappe 7.3 in einen einen Teilluftstrom L2 führenden zweiten Kanal 7.5 und einen einen Teilluftstrom L3 führenden dritten Kanal 7.6 aufgeteilt. In diesem dritten Kanal 7.6 ist die weitere als Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildete Konditioniereinheit 7.1 angeordnet.In the
Der Umgebungs-Wärmetauscher 4 ist über einen ersten Kühlmittelkreislauf 8.1 mit dem Mehrwegeventil 6 fluidverbunden, während der thermische Energiespeicher 3 über einen zweiten Kühlmittelkreislauf 8.2 mit dem Mehrwegeventil 6 fluidverbunden ist. Der indirekte Verdampfer 2.1, ausgeführt als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (auch Chiller genannt), sowie der indirekte Kondensator 2.2, ebenso als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgeführt, sind ebenso über entsprechende Fluidleitungen mit dem Mehrwegeventil 6 fluidverbunden, in denen auch die Kühlmittelpumpen 2.5 und 2.6 angeordnet sind. Die als Wärmeübertrager ausgebildeten Konditioniereinheiten 7.1 und 7.2 des Klimagerätes 7 bilden zusammen mit dem Mehrwegeventil 6 einen dritten Kühlmittelkreislauf 8.3 bzw. einen vierten Kühlmittelkreislauf 8.4.The
Die mit dem Mehrwegeventils 6 realisierbaren Verschaltungskonfigurationen umfassen sowohl den Einsatz als Heiz- und Kühlsystem, als auch den Einsatz mit direkter und indirekter Einbindung. Die direkte Einbindung erlaubt es dem thermischen Speicherelement 3.1 des Energiespeichers 3 über ein Kühlmittel mit einem oder mehreren Verbrauchern, bspw. den Konditioniereinheiten 7.1 und 7.2 thermisch zu koppeln und so Wärme vom thermischen Energiespeicher 3 zu Verbrauchern zum Heizen und Wärme von Verbrauchern zum thermischen Energiespeicher 3 zum Kühlen zu übertragen.The connection configurations that can be implemented with the
Die Einstellung der einzelnen Verschaltungskonfigurationen erfolgt mittels eines Klimasteuergerätes (in den Figuren nicht dargestellt) in Abhängigkeit von Benutzereinstellungen, in Abhängigkeit der Temperaturniveaus der Fahrzeugumgebung, der Fahrzeugkomponenten 5, des Fahrzeuginnenraums 11 und des thermischen Speicherelementes 3.1 des Energiespeichers 3 und in Abhängigkeit der erwarteten Betriebssituation der Klimaanlage 1 hinsichtlich einer Kühl- oder Heizsituation.The individual wiring configurations are set using a climate control device (not shown in the figures) depending on user settings, depending on the temperature levels of the vehicle environment, the
Einige der Verschaltungskonfigurationen zeigen die nachfolgend erläuterten
Zur Übertragung von thermischer Energie, hier Wärmeenergie auf das thermische Speicherelement 3.1 ist nach
Mit dieser Verschaltungskonfigurationen gemäß des ersten Vorkonditionierungsmodus arbeitet der Umgebungs-Wärmetauscher 4 zusammen mit dem Kältemittelkreislauf 2 als Wärmepumpe, um Wärmeenergie aus der den Umgebungs-Wärmetauscher 4 durchströmenden Umgebungsluft L in den thermischen Energiespeicher 3 zu transportieren, wo diese Wärmeenergie gespeichert wird. Hierzu wird die von der Umgebungsluft L aufgenommene Wärme über den ersten Kühlmittelkreislauf 8.1 zum indirekten Verdampfer 2.1 geführt und dient dort als Verdampfungswärme für das den indirekten Verdampfer 2.1 durchströmende Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 2. Das dampfförmige Kältemittel wird mittels des Kältemittelverdichters 2.4 auf Hochdruck verdichtet und wird anschließend in dem indirekten Kondensator 2.2 unter Abgabe von Kondensationswärme auf das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 8.2 kondensiert. Das abgekühlte Kältemittel wird mittels des Expansionsorgans 2.3 wieder auf Niederdruck in den Verdampfer 2.1 entspannt. Die von dem indirekten Kondensator 2.2 an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 8.2 abgegebene Kondensationswärme wird zum thermischen Speicherelement 3.1 geführt und dort als Wärmeenergie gespeichert.With this wiring configuration according to the first preconditioning mode, the
Damit wird in diesem ersten Vorkonditionierungsmodus das thermische Speicherelement 3.1 des thermischen Energiespeichers 3 mit Wärmeenergie geladen, also zum Heizen des Fahrzeuginnenraums 11 vorkonditioniert.In this first preconditioning mode, the thermal storage element 3.1 of the
Zusätzlich oder alternativ können auch Fahrzeugkomponenten 5, wie die elektrischen Traktionskomponenten 5.1 und die Brennkraftmaschine 5.2 als Wärmequelle herangezogen werden, wenn bspw. eine Hochvoltbatterie während des Ladens gekühlt, ein Ladegerät dieser Hochvoltbatterie gekühlt, eine elektrische Antriebsmaschine während des elektrischen Fahrbetriebs gekühlt werden muss oder wenn die Brennkraftmaschine 5.2 nach ihrer Warmlaufphase Abwärme erzeugt, die abgeführt werden muss.Additionally or alternatively,
Anschließend an den ersten Vorkonditionierungsmodus kann das nunmehr zum Heizen vorkonditionierte thermische Speicherelement 3.1 zum Heizen des Fahrzeuginnenraums 11 eingesetzt werden, also entladen werden. Hierzu wird gemäß
Die von dem Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 8.2 von dem thermischen Speicherelement 3.1 in den indirekten Verdampfer 2.1 transportierte Wärmeenergie führt dort als Verdampfungswärme zur Verdampfung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 2. Anschließend wird das Kältemittel auf Hochdruck mittels des Kältemittelverdichters 2.4 verdichtet und kondensiert in dem indirekten Kondensator 2.2, d.h. gibt die Wärmeenergie des Kältemittels an das Kühlmittel des dritten Kühlmittelkreislaufs 8.3 ab. Der den Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7.1 durchströmende Teilluftstrom L3 wird dadurch erwärmt, nimmt also die von dem thermischen Speicherelement 3.1 abgegebene Wärmeenergie auf. Die beiden Teilluftströme L2 und L3 werden über Abströmöffnungen in den Fahrzeuginnenraum 11 geleitet.The thermal energy transported by the coolant of the second coolant circuit 8.2 from the thermal storage element 3.1 into the indirect evaporator 2.1 leads there as heat of evaporation to the evaporation of the refrigerant of the
In diesen Verschaltungskonfigurationen gemäß den
In den nachfolgend beschriebenen Verschaltungskonfigurationen gemäß den
Zur Übertragung von in dem thermischen Speicherelement 3.1 gespeicherten thermischen Energie, hier Wärmeenergie auf die Umgebungsluft L, auf die als Wärmesenke eingesetzten elektrischen Traktionskomponenten 5.1 oder die ebenso als Wärmesenke eingesetzte Brennkraftmaschine 5.2 ist nach
Mit dieser Verschaltungskonfigurationen gemäß des zweiten Vorkonditionierungsmodus arbeitet der Umgebungs-Wärmetauscher 4 und/oder die als Wärmesenken eingesetzten Fahrzeugkomponenten 5 zusammen mit dem Kältemittelkreislauf 2 als Wärmepumpe, um Wärmeenergie aus dem thermischen Speicherelement 3.1 in den ersten Kühlmittelkreislauf 8.1 zu transportieren, um entweder die Wärmeenergie mittels des Umgebungs-Wärmetauschers 4 an die Umgebungsluft L abzugeben oder die elektrischen Traktionskomponenten 5.1 zu erwärmen bzw. die Brennkraftmaschine 5.2 in ihrer Warmlaufphase zu erwärmen.With these wiring configurations according to the second preconditioning mode, the
Hierzu wird von dem Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 8.2 Wärmeenergie des thermischen Speicherelements 3.1 in den indirekten Verdampfer 2.1 transportiert und bewirkt dort als Verdampfungswärme die Verdampfung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 2. Anschließend wird das Kältemittel auf Hochdruck mittels des Kältemittelverdichters 2.4 verdichtet und in dem indirekten Kondensator 2.2 kondensiert, d.h. gibt die Wärmeenergie des Kältemittels an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 8.1 als Kondensationswärme ab. Ist nur der Umgebungs-Wärmetauscher 4 in den ersten Kühlmittelkreislauf 8.1 geschaltet, wird die von dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 8.1 transportierte Wärmeenergie über diesen Umgebungs-Wärmetauscher 4 an die Umgebungsluft L abgegeben. Zusätzlich können auch die elektrischen Traktionskomponenten 5.1 und/oder die Brennkraftmaschine 5.2 in diesen ersten Kühlmittelkreislauf 8.1 geschaltet werden, so dass diese elektrischen Traktionskomponenten 5.1, also bspw. eine Hochvoltbatterie, deren Ladegerät und/oder eine elektrische Antriebsmaschine oder die Brennkraftmaschine 5.2 erwärmt wird.For this purpose, thermal energy from the thermal storage element 3.1 is transported from the coolant of the second coolant circuit 8.2 into the indirect evaporator 2.1 and causes the evaporation of the refrigerant of the
Damit wird in diesem zweiten Vorkonditionierungsmodus das thermische Speicherelement 3.1 des thermischen Energiespeichers 3 mit Kälteenergie geladen, also zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums 11 vorkonditioniert. So kann das thermische Speicherelement 3.1 des thermischen Energiespeichers 3 auf eine Temperatur von bspw. -10 °C gekühlt werden.In this second preconditioning mode, the thermal storage element 3.1 of the
Anschließend an den zweiten Vorkonditionierungsmodus kann das nunmehr zum Kühlen vorkonditionierte thermische Speicherelement 3.1 zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums 11 eingesetzt werden. Hierzu wird gemäß
Bei dem Klimagerät 7 wird gemäß
Die von dem Kühlmittel des vierten Kühlmittelkreislaufs 8.4 in den indirekten Verdampfer 2.1 transportierte Wärmeenergie führt dort als Verdampfungswärme zur Verdampfung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 2. Anschließend wird das Kältemittel auf Hochdruck verdichtet und kondensiert mittels des indirekten Kondensators 2.2 und gibt dabei die Kondensationswärme des Kältemittels an das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 8.2 ab. Das Kühlmittel dieses zweiten Kühlmittelkreislaufs 8.2 transportiert diese Kondensationswärme als Wärmeenergie zum thermischen Speicherelement 3.1, die dort gespeichert wird, d.h. das thermische Speicherelement 3.1 wird in seiner Funktion als Kältespeicher wieder entladen.The thermal energy transported by the coolant of the fourth coolant circuit 8.4 into the indirect evaporator 2.1 leads there as evaporation heat for evaporation of the refrigerant of the
Im Heizmodus gemäß
Gemäß
Des Weiteren ist es gemäß
Als Speichermedium für den thermischen Energiespeicher kann Wasser als Phasenwechselmaterial eingesetzt werden. In den Ausführungsbeispielen gemäß den
Gemäß den
Nach
Die beiden thermischen Speicherelemente 3.1 und 3.2 des thermischen Energiespeichers 3 können auch gemäß
Das Entfeuchten der dem Fahrzeuginnenraum 11 zugeführten Luft kann auch durch thermische Kopplung des Klimagerätes 7 mittels des Kältemittelkreislaufs 2 mit dem thermischen Energiespeicher 3, also im Gegensatz zu der Verschaltung nach
Hierzu wird gemäß
Auch der indirekte Kondensator 2.2 bildet zusammen mit dem das zweite thermische Speicherelement 3.2 aufweisenden weiteren zweiten Kühlmittelkreislauf 8.20 sowie dem die Konditioniereinheit 7.1 aufweisenden dritten Kühlmittelkreislauf 8.3 einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf. Ausgehend von dem indirekten Kondensator 2.2 durchströmt das Kühlmittel zunächst in dem weiteren zweiten Kühlmittelkreislauf 8.20 das zweite thermische Speicherelement 3.2, anschließend den dritten Kühlmittelkreislauf 8.3 mit der Konditioniereinheit 7.1 und fließt zurück in den indirekten Kondensator 2.2.The indirect capacitor 2.2 also forms a common coolant circuit together with the further second coolant circuit 8.20 having the second thermal storage element 3.2 and the third coolant circuit 8.3 having the conditioning unit 7.1. Starting from the indirect condenser 2.2, the coolant first flows through the second thermal storage element 3.2 in the further second coolant circuit 8.20, then through the third coolant circuit 8.3 with the conditioning unit 7.1 and flows back into the indirect condenser 2.2.
Bei dieser Verschaltung gemäß
BezugszeichenReference symbols
- 11
-
Klimaanlage des Fahrzeugs 10
Vehicle air conditioning 10 - 22
-
Kältemittelkreislauf der Klimaanlage 1Air
conditioning refrigerant circuit 1 - 2.12.1
-
indirekter Verdampfer des Kältemittelkreislaufs 2indirect evaporator of the
refrigerant circuit 2 - 2.22.2
-
indirekter Kondensator des Kältemittelkreislaufs 2indirect condenser of the
refrigerant circuit 2 - 2.32.3
-
Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs 2Expansion element of the
refrigerant circuit 2 - 2.42.4
-
Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs 2Refrigerant compressor of the
refrigerant circuit 2 - 2.52.5
- Kühlmittelpumpecoolant pump
- 2.62.6
- Kühlmittelpumpe coolant pump
- 33
- thermischer Energiespeicherthermal energy storage
- 3.13.1
-
thermisches Speicherelement des thermischen Energiespeichers 3thermal storage element of the
thermal energy storage 3 - 3.23.2
-
thermisches Speicherelement des thermischen Energiespeichers 3
thermal storage element of the
thermal energy storage 3 - 44
-
Umgebungs-Wärmetauscher der Klimaanlage 1Air conditioning
ambient heat exchanger 1 - 4.04.0
- Lüfter Fan
- 55
-
Fahrzeugkomponente des Fahrzeugs 10Vehicle component of the
vehicle 10 - 5.15.1
-
elektrische Traktionskomponente des Fahrzeugs 10electrical traction component of the
vehicle 10 - 5.25.2
-
Brennkraftmaschine des Fahrzeugs 10
Internal combustion engine of the
vehicle 10 - 66
-
Mehrwegeventil der Klimaanlage 1
Air conditioning
multi-way valve 1 - 77
-
Klimagerät der Klimaanlage 1
Air conditioning unit 1 - 7.17.1
-
Konditioniereinheit des Klimagerätes 7Conditioning unit of the
air conditioning unit 7 - 7.27.2
-
Konditioniereinheit des Klimagerätes 7Conditioning unit of the
air conditioning unit 7 - 7.37.3
-
Luftklappe des Klimagerätes 7Air flap of the
air conditioning unit 7 - 7.47.4
-
erster Kanal des Klimagerätes 7first channel of the
air conditioner 7 - 7.57.5
-
zweiter Kanal des Klimagerätes 7second channel of the
air conditioner 7 - 7.67.6
-
dritter Kanal des Klimagerätes 7
third channel of the
air conditioning unit 7 - 8.18.1
- erster Kühlmittelkreislauffirst coolant circuit
- 8.28.2
- zweiter Kühlmittelkreislaufsecond coolant circuit
- 8.208.20
- weiterer zweiter Kühlmittelkreislaufanother second coolant circuit
- 8.38.3
- dritter Kühlmittelkreislaufthird coolant circuit
- 8.48.4
- vierter Kühlmittelkreislauf fourth coolant circuit
- 1010
- Elektro- oder HybridfahrzeugElectric or hybrid vehicle
- 1111
-
Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs 10Vehicle interior of the
vehicle 10
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