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DE102011051624A1 - Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102011051624A1
DE102011051624A1 DE201110051624 DE102011051624A DE102011051624A1 DE 102011051624 A1 DE102011051624 A1 DE 102011051624A1 DE 201110051624 DE201110051624 DE 201110051624 DE 102011051624 A DE102011051624 A DE 102011051624A DE 102011051624 A1 DE102011051624 A1 DE 102011051624A1
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Bastian Freese
Udo Höfer
Thomas Tscheppe
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (1) zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (8) und einem integriertem Elektroantrieb zur Kühlung einer Hochspannungsquelle (10), insbesondere einer Hochvoltbatterie, beziehungsweise zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums, mit einem Kältekreislauf (2) und einem Kühlkreislauf (4), wobei der Kältekreislauf (2) einen Kältemittelverdichter (14), mindestens einen Kondensator (16), mindestens ein Regelventil (26), mindestens ein Expansionsventil (28), ein Klimagerät (18) und eine erste und zweite Zweigleitung (20, 24) aufweist, wobei der Kühlkreislauf (4) eine Pumpe (38), die Hochspannungsquelle (10), ein Drei-Drei-Wege-Ventil (40), einen Kühler (44) und eine dritte und vierte Zweigleitung (36, 42) aufweist, wobei der Kältekreislauf (2) und der Kühlkreislauf (4) über einen zweiten Verdampfer (22) miteinander gekoppelt sind, wobei das Klimagerät (18) durch ein Wärmeübertragungsmittel mit einem Heizkreislauf (6) gekoppelt ist, der eine elektrische Zuheizvorrichtung (12), eine zweite Pumpe (46), ein Drei-Zwei-Wege-Ventil (48) und ein Drei-Drei-Wege-Ventil (54) aufweist, derart, dass das Drei-Zwei-Wege-Ventil (48) hinter der Zuheizvorrichtung (12) angeordnet ist und eine fünfte Zweigleitung (50) zum Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsmotor (8) und eine sechste Zweigleitung (52), die diesen bypassiert, schaltet und dass ein Drei-Drei-Wege-Ventil (54) hinter dem Verbrennungsmotor angeordnet ist und eine siebte Zweigleitung (56) zum Wärmeaustausch mit der Hochspannungsquelle über einen Wärmetauscher (59) und eine achte Zweigleitung (58), die diese bypassiert, schaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb zur Kühlung einer Hochspannungsquelle, insbesondere einer Hochvoltbatterie, beziehungsweise zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes, mit einem Kältekreislauf und einem Kühlkreislauf, wobei der Kältekreislauf einen Kältemittelverdichter, mindestens einen Kondensator, mindestens ein Regelventil, mindestens ein Expansionsventil und einen ersten Verdampfer und eine erste und zweite Zweigleitung aufweist, wobei der Kühlkreislauf eine Pumpe, die Hochspannungsquelle, ein Drei-Zwei-Wege-Ventil, einen Kühler und eine dritte und vierte Zweigleitung aufweist, wobei der Kältekreislauf und der Kühlkreislauf über einen zweiten Verdampfer miteinander gekoppelt sind. Dabei stellt ein Klimagerät die Schnittstelle zum Fahrzeuginnenraum dar.
  • Ein derartiges Kühlsystem ist beispielsweise aus der EP 1 264 715 B1 (siehe hierzu insbesondere 7) bekannt. Dadurch, dass die Hochspannungsquelle direkt in den Kühlkreislauf eingebunden ist, können deutlich höhere Wärmemengen abgeführt werden und ist die Kühlung der Hochspannungsquelle unabhängiger durchzuführen von der Temperatur im Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeuges, die im Wesentlichen durch den Kältekreislauf bestimmt wird.
  • Ein derartiges Kühlsystem wird auch in der Publikation der Firma BEHR (Thermomanagement bei Hybridfahrzeugen, Technischer Presstag 2009) offenbart. Insbesondere Abbildung 8 dieser Publikation zeigt einen Kältekreislauf und einen mit diesem Kältekreislauf über einen sogenannten Chiller verbundenen Kühlkreislauf zur Kühlung der Hochspannungsquelle. Um bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Hochspannungsquelle schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, ist hier vorgesehen, dass das Kühlmittel durch eine elektrische Heizung erwärmt wird, um die Hochspannungsquelle aufzuheizen. Zum Betrieb der elektrischen Heizung sind große Mengen elektrischer Energie notwendig, was zu einer schnellen Entladung der Hochspannungsquelle führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kühlsystem für Kraftfahrzeuge dahingehend zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Klimagerät des Kühlsystems mit einem Heizkreislauf mit einem Wärmeübertragungsmittel gekoppelt ist, und es eine elektrische Zuheizvorrichtung, eine Pumpe, ein Drei-Zwei-Wege-Ventil und ein Drei-Drei-Wege-Ventil aufweist, derart, dass das Drei-Zwei-Wege-Ventil hinter der Zuheizvorrichtung angeordnet ist und eine fünfte Zweigleitung zum Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsmotor und eine sechste Zweigleitung, die diesen bypassiert, schaltet, und dass Drei-Drei-Wege-Ventil hinter dem Verbrennungsmotor angeordnet ist und eine siebte Zweigleitung zum Wärmeaustausch mit der Hochspannungsquelle und eine achte Zweigleitung, die diese bypassiert, schaltet. Der Wärmeaustausch mit der Hochspannungsquelle erfolgt über einen zusätzlichen Wärmetauscher, um die Hochspannungsquelle wahlweise auf einem niedrigeren Temperaturniveau zu heizen. Auf diese Weise wird ein einfach aufgebautes Kühlsystem geschaffen, das zum Einen den Innenraum kühlen und sogar bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor beheizen kann, wobei auch die Hochspannungsquelle auf einfache, effektive Art und Weise bei kalten Außentemperaturen in der Kaltstartphase auf Betriebstemperatur geheizt werden kann. Vorteil im Vergleich zu bestehenden Systemen ist das energieeffiziente Heizen der der Hochspannungsquelle durch Abwärme des Verbrennungsmotors, wodurch der Energieinhalt der Hochspannungsquelle geschont wird.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der zweite Verdampfer als Chiller ausgeführt ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühler als Niedertemperatur-Kühler ausgeführt. Darüber hinaus kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kältekreislauf einen inneren Wärmetauscher aufweisen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Kühlsystems zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
  • Das Blockschaltbild zeigt ein Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, das als Hybridfahrzeug ausgeführt ist. Das erfindungsgemäße Kühlsystem 1 besteht im Wesentlichen aus einem Kältekreislauf 2 und einem Kühlkreislauf 4. Um den Innenraum auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 8 und kalten Außentemperaturen erwärmen zu können und um eine Hochspannungsquelle 10 auf einfache Weise bei kalten Außentemperaturen in der Kaltstartphase auf Betriebstemperatur zu bringen, ist zusätzlich ein Heizkreislauf 6 vorgesehen, der unter anderem eine elektrische Zuheizvorrichtung 12 besitzt und über einen Wärmetauscher 59 mit dem Kühlkreislauf 4 zum Heizen der Hochspannungsquelle verbunden ist.
  • Der Kältekreislauf 2 ist ein an sich bekannter Kältekreislauf mit einem elektrischen Kältemittelverdichter 14, mindestens einem Kondensator 16, einem Klimagerät 18 das in einer ersten Zweigleitung 20 angeordnet ist, sowie einem zweiten Verdampfer 22, der im vorliegenden Fall als ein an sich bekannter Chiller ausgeführt ist und in einer zweiten Zweigleitung 24 angeordnet ist. Die erste und zweite Zweigleitung 20, 24 weisen an sich bekannte Regelventile 26 und Expansionsventile 28 auf.
  • Um den Wirkungsgrad des Kältekreislaufes 2 noch zusätzlich zu erhöhen, ist des Weiteren ein innerer Wärmetauscher 30 vorgesehen, der die Temperaturdifferenz zwischen einer Druckleitung 32 und einer Saugleitung 34 nutzt.
  • Über den als Chiller ausgeführten zweiten Verdampfer 22 ist der Kühlkreislauf 4 zur Kühlung der Hochspannungsquelle 10 angekoppelt. Derartige Chiller sind spezielle Wärmeübertrager, die sehr kompakt und mit hoher Leistungsdichte Wärme übertragen können. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Kühlung der Hochspannungsquelle 10 bei normalen und hohen Außentemperaturen als sekundären Kühlkreislauf 4 zum Kältekreislauf 2 durchführen zu lassen. Diese Zweigleitung 36 ist auch durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Neben den bereits genannten Elementen weist der Kühlkreislauf 4 noch eine Pumpe 38 und ein Drei-Drei-Wege-Ventil 40 auf. Im Falle von besonders niedrigen Außentemperaturen kann das Drei-Drei-Wege-Ventil 40 eine zehnte Zweigleitung 42 schalten, die das Kühlmittel 4 durch einen Niedertemperatur-Kühler 44 zum Verdichter 38 leitet.
  • Um bei kalten Außentemperaturen den Innenraum heizen zu können, ist das Klimagerät 18 mit dem Heizkreislauf 6 verbunden. Dabei ist der Heizkreislauf 6 auf bekannte Weise durch den Verbrennungsmotor 8 geführt, wobei eine Pumpe 46 zum Transport des Wärmeübertragungsmittels im Heizkreislauf 6 vorgesehen ist. Hinter dem elektrischen Zuheizer 12 ist ein weiteres Drei-Zwei-Wege-Ventil 48 vorgesehen, das eine fünfte Zweigleitung 50 zum Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsmotor 8 und eine sechste Zweigleitung 52, die diesen bypassiert, schaltet. Im vorliegenden Fall ist die sechste Zweigleitung 52 in durchgezogener Linie dargestellt. Des Weiteren weist der Heizkreislauf 6 ein Drei-Drei-Wege-Ventil 54 auf, das eine siebte Zweigleitung 56 zum Wärmeaustausch über einen Wärmetauscher 59 mit der Hochspannungsquelle 10 und eine achte Zweigleitung 58, die diese bypassiert, schaltet. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Hochspannungsquelle 10, insbesondere eine Hochvoltbatterie, bei kalten Außentemperaturen durch Abwärme des Verbrennungsmotors schnell auf Betriebstemperatur zu bringen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1264715 B1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Thermomanagement bei Hybridfahrzeugen, Technischer Presstag 2009 [0003]

Claims (4)

  1. Kühlsystem (1) zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit Verbrennungsmotor (8) und integriertem Elektroantrieb zur Kühlung einer Hochspannungsquelle (10), insbesondere einer Hochvoltbatterie, beziehungsweise zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums, mit einem Kältekreislauf (2) und einem Kühlkreislauf (4), wobei der Kältekreislauf (2) einen Kältemittelverdichter (14), mindestens einen Kondensator (16), mindestens ein Regelventil (26), mindestens ein Expansionsventil (28), ein Klimagerät (18) und eine erste und zweite Zweigleitung (20, 24) aufweist, wobei der Kühlkreislauf (4) eine Pumpe (38), die Hochspannungsquelle (10), ein Drei-Zwei-Wege-Ventil (40), einen Kühler (44) und eine dritte und vierte Zweigleitung (36, 42) aufweist, wobei der Kältekreislauf (2) und der Kühlkreislauf (4) über einen zweiten Verdampfer (22) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimagerät (18) mit einem Heizkreislauf (6) mit einem Wärmeübertragungsmittel gekoppelt ist, der eine elektrische Zuheizvorrichtung (12), eine zweite Pumpe (46), ein Drei-Zwei-Wege-Ventil (48) und ein Drei-Drei-Wege-Ventil (54) aufweist, derart, dass das Drei-Zwei-Wege-Ventil (48) hinter der Zuheizvorrichtung (12) angeordnet ist und eine fünfte Zweigleitung (50) zum Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsmotor (8) und eine sechste Zweigleitung (52), die diesen bypassiert, schaltet und dass ein Drei-Drei-Wege-Ventil (54) hinter dem Verbrennungsmotor angeordnet ist und eine siebte Zweigleitung (56) zum Wärmeaustausch mit der Hochspannungsquelle über einen Wärmetauscher (59) und eine achte Zweigleitung (58), die diese bypassiert, schaltet.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfer (22) als Chiller ausgeführt ist.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (44) als Niedertemperatur-Kühler ausgeführt ist.
  4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (2) einen inneren Wärmeaustauscher (3) aufweist.
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