DE102020201455A1

DE102020201455A1 - System sowie Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie für ein elektrisches Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020201455A1
Application number: DE102020201455.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Markowitz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-08-12
Also published as: CN113212097A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, umfassend einen ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) mit einem ersten Wärmetauscher (1) zur Kühlung der Fahrzeugbatterie; einen zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem zweiten Wärmetauscher (2) zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums; wenigstens einen ersten Verdichter (3) sowie wenigstens einen dem ersten Verdichter (3) nachgeschalteten, ersten Kondensator (4); wenigstens ein dem ersten Kondensator (4) nachgeschaltetes und dem ersten Wärmetauscher (1) vorgeschaltetes, erstes Drosselelement (5); und wenigstens ein dem zweiten Wärmetauscher (2) vorgeschaltetes, zweites Drosselelement (8). Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und der zweite Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) derart eingerichtet sind, dass dem ersten Wärmetauscher (1) Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher (2), wobei ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) vorgesehen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug.
Ein solches System sowie ein solches Verfahren sind aus der US 2009/0249802 A1 bekannt. Dabei sind ein erster Kühlkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher zur Kühlung der Fahrzeugbatterie sowie ein zweiter Kühlkreislauf mit einem zweiten Wärmetauscher zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums vorgesehen. Ein Kältemittel durchströmt dabei sowohl den ersten als auch den zweiten Kühlkreislauf, die miteinander verbunden und demnach nicht voneinander getrennt sind. Es wird dasselbe Kühlmittel für den ersten und zweiten Kühlkreislauf verwendet. Dieses Kältemittel für beide Kühlkreisläufe wird gemäß US 2009/0249802 A1 durch einen einzigen Verdichter verdichtet und auf einen erhöhten Druck gebracht, sowie nach der Verdichtung in ein und demselben Kondensator kondensiert. Diesem Kondensator nachgeschaltet angeordnet sind sodann der erste Wärmetauscher sowie der zweite Wärmetauscher, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei sowohl dem ersten als auch dem zweiten Wärmetauscher jeweils ein eigenes Drosselelement zur Reduktion des Drucks des Kältemittels zugeordnet ist. Allerdings ergibt sich durch die Parallelschaltung des ersten Kühlkreislaufes und des zweiten Kühlkreislaufes vor dem Verdichter im Betrieb notwendigerweise derselbe Druck des Kältemittels am Ausgang des ersten Wärmetauschers wie am Ausgang des zweiten Wärmetauschers. Dies wiederum bedeutet, dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im ersten Wärmetauscher auf dem gleichen Niveau liegt, wie die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher wird also auf dem gleichen Temperaturniveau wie der zweite Wärmetauscher betrieben.
Optional können bei der US 2009/0249802 A1 der erste bzw. der zweite Kühlkreislauf geschlossen werden, wenn der erste oder der zweite Wärmetauscher nicht mit Kühlmittel versorgt werden muss, da beispielsweise phasenweise entweder keine Kühlung der Fahrzeugbatterie oder keine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erforderlich ist.
Bei elektrischen Fahrzeugen kann eine hohe Kühlleistung erforderlich sein, um die Fahrzeugbatterie im Fahrbetrieb ausreichend zu kühlen, insbesondere bei hohen Belastungen des Antriebsstranges und dementsprechend hohen elektrischen Batterieströmen, die beispielsweise bei elektrischen Nutzfahrzeugen mit hoher Nutzlast, an Steigungen oder beim Beschleunigen auftreten. Dies kann sich wiederum negativ auf die Reichweite des elektrischen Fahrzeugs auswirken, da auch die Energie, die zum Betrieb des die Batterie kühlenden Kühlkreislaufes benötigt wird, letztlich durch die Fahrzeugbatterie selbst bereitgestellt werden muss. Nachteilig bei dem aus der US 2009/0249802 A1 bekannten System ist insbesondere, dass der Verdichter, der für den zweiten Kühlkreislauf zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verwendet wird, auch zur Förderung des Kühlmittels zur Kühlung der Batterie arbeiten muss. Dieser einzelne Verdichter bzw. Kompressor, der für beide Kühlkreisläufe für die Förderung des Kühlmittels sowohl zur Kühlung der Batterie als auch zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verantwortlich ist, erfordert einen hohen Energiebedarf. Das gilt insbesondere, weil der erste Kühlkreislauf zur Kühlung der Batterie auf dem gleichen Temperaturniveau arbeitet, wie der zweite Kühlkreislauf zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, obwohl die Batterie eigentlich nicht auf die gleiche niedrige Temperatur gekühlt werden muss, wie die zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erforderliche Luft. Der Betrieb des Verdichters bzw. Kompressors führt dadurch zu einem erhöhten Batterieverbrauch des elektrischen Fahrzeugs, insbesondere in einem Zustand, in dem eigentlich sowohl eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums als auch eine Kühlung der Fahrzeugbatterie notwendig ist, was sich wiederum negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie bereitzustellen, welches eine bessere Ausnutzung der durch die Batterie bereitgestellte Energie ermöglicht. Insbesondere ist es wünschenswert, die Reichweite eines elektrischen Fahrzeugs zu verbessern. Es ist erstrebenswert, die zum Betrieb des Verdichters in dem für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verantwortlichen Kühlkreislauf benötigte Energie zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Dabei können die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
Konkret wird ein System zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, vorgeschlagen, umfassend: einen ersten Kühlkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher zur Kühlung der Fahrzeugbatterie; einen zweiten Kühlkreislauf mit einem zweiten Wärmetauscher zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums; wenigstens einen ersten Verdichter sowie wenigstens einen dem ersten Verdichter nachgeschalteten, ersten Kondensator; wenigstens ein dem ersten Kondensator nachgeschaltetes und dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltetes, erstes Drosselelement; und wenigstens ein dem zweiten Wärmetauscher vorgeschaltetes, zweites Drosselelement. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf derart eingerichtet sind, dass dem ersten Wärmetauscher Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher, wobei ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf vorgesehen ist.
Dadurch, dass dem ersten Wärmetauscher, welcher für die Kühlung der Fahrzeugbatterie verantwortlich ist, Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher, kann auch die Temperaturdifferenz zwischen der Eingangstemperatur des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher und der typischen Kondensationstemperatur des Kühlmittels verringert werden. Beispielsweise kann bei dem vorliegenden System in stationären Betriebszuständen die Eingangstemperatur in den ersten Wärmetauscher im Bereich von 20°C bis 30°C liegen. Die Kondensationstemperatur ergibt sich üblicherweise aus dem Wärmeübergang am Kondensator als Folge der um das Fahrzeug herrschenden Lufttemperatur. Die Kondensationstemperatur kann beispielsweise ungefähr 55°C betragen. Die Eingangstemperatur in den zweiten Wärmetauscher für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums kann in stationären Betriebszuständen regelmäßig 3°C bis 10°C betragen. Die Eingangstemperatur in den zweiten Wärmetauscher ist dabei üblicherweise nach oben begrenzt, um eine ausreichende Entfeuchtung der Klimatisierungsluft zu gewährleisten und eine etwaige Geruchsproblematik zu vermeiden.
Durch eine mittels des vorliegenden Systems ermöglichte Reduktion der Temperaturdifferenz kann die für den Betrieb des ersten Verdichters erforderliche Energie bzw. Leistung reduziert werden. Ferner verringert die Reduktion der Druckdifferenz zwischen dem Eingangsdruck des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher (sowie dementsprechend auch dem Eingangsdruck in den ersten Verdichter) und dem für den Betrieb des Kühlkreislaufes erforderlichen Ausgangsdruck aus dem ersten Verdichter auch die erforderliche Energie bzw. Leistung zum Betrieb des ersten Verdichters. Die Druckdifferenz ist geringer und demnach ist auch die durch den ersten Verdichter zu verrichtende Arbeit geringer.
Durch die besondere Ausgestaltung des Systems kann dem ersten Wärmetauscher Kühlmittel bei anderen Temperatur- und Druckverhältnissen, insbesondere bei höherer Temperatur und höherem Druck, zugeführt werden als dem zweiten Wärmetauscher. Dafür ist ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf vorgesehen. Dieses zusätzliche Druckausgleichselement kann die unterschiedlichen Druckniveaus des Kühlmittels, das vorliegend bei unterschiedlichem Druck in den ersten bzw. in den zweiten Wärmetauscher einströmt, wieder anpassen, indem der erhöhte Druck des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf beispielsweise durch ein im ersten Kühlkreislauf angeordnetes, zusätzliches Druckausgleichselement auf den niedrigeren Druck des zweiten Kühlkreislaufs reduziert wird. Alternativ kann das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf vorgesehen sein und den dort vorherrschenden, niedrigen Druck des Kühlmittels auf den höheren Druck des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf erhöhen. Es sind auch mehrere Druckausgleichselemente sowohl im ersten als auch im zweiten Kühlkreislauf bzw. auch zur Verbindung oder zur Zusammenführung des ersten mit dem zweiten Kühlkreislauf denkbar.
Beispiele für zusätzliche Druckausgleichselemente sind zusätzliche Verdichter oder zusätzliche Drosselelemente, wie Expansions- bzw. Drosselventile. Das zusätzliche Druckausgleichselement kann beispielsweise als ein dem zweiten Wärmetauscher nachgeschaltetes Zusatzverdichterelement oder als ein dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement ausgebildet sein.
Unter einem nachgeschalteten Element ist zu verstehen, dass dieses nachgeschaltete Element in dem System in Kühlmittelflussrichtung gesehen stromabwärts hinter einem vorgeschalteten Element liegt. Also wird das nachgeschaltete Element später von Kühlmittel durchströmt als das andere, vorgeschaltete Element.
Unter einem Kühlmittel im Sinne der Anmeldung ist im Allgemeinen ein „Kältemittel“ zu verstehen, also ein Fluid, dass in Kompressions-Kältekreisläufen eingesetzt wird, um durch Ausnutzung seiner Verdampfungswärme einen effizienten Wärmetransport, bzw. eine Bereitstellung von „Kälte“, zu ermöglichen. Die Verwendung eines solchen Kältemittels, das zwischen gasförmiger und flüssiger Phase wechselt, begründet eine Koppelung von Druck und Temperatur beim Übergang zwischen den beiden Phasen anhand seiner Dampfdruckkurve.
Das vorliegende System ermöglicht es, dass die durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellte Energie besser ausgenutzt wird. Bei gleichzeitiger Versorgung des der Batterie zugeordneten Wärmetauschers sowie des für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verantwortlichen Wärmetauschers mit Kühlleistung kann die erforderliche Leistung für den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf angepasst bereitgestellt werden. Dadurch ist es auch möglich, die Reichweite des elektrischen Fahrzeugs zu verbessern, da die zum Betrieb des ersten Verdichters benötigte Energie reduziert und somit auch die angeforderte Leistung der Batterie bei gleichzeitiger Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und Kühlung der Fahrzeugbatterie verringert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der erste Kühlkreislauf getrennt von dem zweiten Kühlkreislauf eingerichtet sein, wobei das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf als ein dem zweiten Wärmetauscher nachgeschalteter, zweiter Verdichter ausgebildet ist und wobei ferner ein dem zweiten Verdichter nachgeschalteter, zweiter Kondensator vorgesehen ist. Dabei ist unter den beiden voneinander getrennten Kühlkreisläufen zu verstehen, dass sie sich kein Kühlmittel teilen. Durch die vollständige Trennung der beiden Kühlkreisläufe, die einerseits zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und andererseits zur Kühlung der Fahrzeugbatterie verantwortlich sind, können die unterschiedlichen Temperatursowie Druckniveaus der Kühlmittel einerseits für den ersten Kühlkreislauf und somit für den ersten Wärmetauscher und andererseits für den zweiten Kühlkreislauf und somit für den zweiten Wärmetauscher unabhängig voneinander und auf vorteilhafte Weise individuell eingestellt werden. Die durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellte Energie kann dadurch optimal an den Verbrauchsbedarf angepasst ausgenutzt und damit die Reichweite des elektrischen Fahrzeugs verlängert werden.
Alternativ können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf derart miteinander in Fluidverbindung stehen, dass sie sich ein Kühlmittel teilen.
Weiter vorzugsweise kann der erste Wärmetauscher parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet sein und das zusätzliche Druckausgleichselement kann im ersten Kühlkreislauf als ein dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement ausgebildet sein. Die Verwendung von lediglich einem Kühlmittel, welches sich der erste und der zweite Kühlkreislauf teilen, ist hinsichtlich des Energieverbrauchs vorteilhaft. Durch das Zusatzdrosselelement kann der erhöhte Druck des aus dem ersten Wärmetauschers austretenden Kühlmittels zwecks einer Zusammenführung mit dem aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels auf den Druck jenes, aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels reduziert werden.
Weiter vorzugsweise kann die Parallelschaltung des ersten Wärmetauscher zu dem zweiten Wärmetauscher durch ein dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher nachgeschaltetes, sowie dem ersten Verdichter vorgeschaltetes 3-Wegeventil erneut zusammengeführt sein, wobei das 3-Wegeventil zwischen einer sowohl den ersten Wärmetauscher als auch den zweiten Wärmetauscher mit dem ersten Verdichter in eine Fluidverbindung versetzende Stellung und einer lediglich den ersten Wärmetauscher mit dem ersten Verdichter in eine Fluidverbindung versetzende und gleichzeitig den zweiten Wärmetauscher absperrende Stellung versetzbar eingerichtet sein kann. Dadurch wird ein flexibleres System erreicht, mit welchem auf den erforderlichen Kühlleistungsbedarf einerseits zur Kühlung der Fahrzeugbatterie und andererseits zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums reagiert werden kann. So kann der zweite Wärmetauscher und somit der zweite Kühlkreislauf bei Bedarf durch das 3-Wegeventil von dem ersten Kühlkreislauf ausgeschlossen bzw. getrennt werden, sodass bei ausschließlichem Kühlbedarf der Fahrzeugbatterie der erste Verdichter auch nur die entsprechende Leistung zum Betrieb des ersten Kühlkreislaufes bereitstellen muss. Alternativ oder ergänzend dazu kann das 3-Wegeventil oder ein weiteres 3-Wegeventil auch der Parallelschaltung des ersten und zweiten Wärmetauschers vorgeschaltet angeordnet sein. Dann kann der gemeinsame erste und zweite Kühlkreislauf an einem solchen vorgeschalteten 3-Wegeventil aufgetrennt werden, in den Teil des ersten Kühlkreislaufs mit dem ersten Wärmetauscher sowie in den Teil des zweiten Kühlkreislaufs mit dem zweiten Wärmetauscher.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Zusatzdrosselelement in das 3-Wegeventil integriert sein. Auf diese Weise wird ein vorteilhaftes System bereitgestellt, das weniger Bauteile umfasst und kompakter sowie einfacher zu montieren ist.
Weiter vorzugsweise kann das Zusatzdrosselelement dem ersten Kühlkreislauf zuschaltbar ausgebildet sein. Dadurch kann der erste Kühlkreislauf auch derart ausgestaltet sein, dass das Zusatzdrosselelement lediglich bei Bedarf den erhöhten Druck des ersten Kühlkreislaufs mittels des zu- bzw. ebenso wegschaltbaren Zusatzdrosselelements reduziert, nämlich dann, wenn auch der zweite Kühlkreislauf aufgrund einer erforderlichen Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums aktiv ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste Wärmetauscher parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet sein und das zusätzliche Druckausgleichselement kann im zweiten Kühlkreislauf als ein dem zweiten Wärmetauscher nachgeschalteter Zusatzverdichter ausgebildet sein. Durch den Zusatzverdichter kann der geringere Druck des aus dem zweiten Wärmetauschers austretenden Kühlmittels zwecks einer Zusammenführung mit dem aus dem ersten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels auf den Druck jenes aus dem ersten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Drosselelement als Strahlpumpe, oder auch Ejektor bzw. Jetpumpe genannt, ausgebildet sein, wobei die Strahlpumpe den zweiten Kühlkreislauf mit dem ersten Kühlkreislauf verbindet und eingangsseitig in Fluidverbindung sowohl mit dem ersten Kondensator als auch mit dem zweiten Wärmetauscher steht und ausgangsseitig in Fluidverbindung mit dem ersten Wärmetauscher steht, derart, dass die Strahlpumpe das zusätzliches Druckausgleichselement zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf ausbildet. Auf diese Weise kann ein besonders kompaktes System erzielt werden. So sorgt das eine Bauteil in Form der Strahlpumpe gleichzeitig für die erforderliche Entspannung des aus dem ersten Kondensator austretenden und hinter der Strahlpumpe in den ersten Wärmetauscher eintretenden Kühlmittels, sowie auch für die erforderliche Erhöhung bzw. Anpassung des Drucks des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels zwecks Vermischung mit dem ersten Kühlkreislauf vor Eintritt des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher. Dabei kann das aus dem ersten Kondensator austretende Kühlmittel einerseits die Strahlpumpe als Treibmedium versorgen, sowie andererseits auch den zweiten Kühlkreislauf versorgen, indem es teilweise ebenso in Richtung des zweiten Wärmetauschers mit vorgeschaltetem zweiten Drosselelement strömt. Als Saugmedium für die Strahlpumpe kann dann das aus dem zweiten Wärmetauscher austretende Kühlmittel bereitgestellt werden. Durch eine solche Anordnung kann mittels des einen Bauteils in Form der Strahlpumpe sowohl die erforderliche Entspannung des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf als auch die erforderliche Erhöhung des Drucks des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels, welches einen geringeren Druck aufweist als das in den ersten Wärmetauscher eintretenden Kühlmittel, erreicht werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist ebenfalls durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst.
Konkret wird ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines ersten Kühlkreislaufs und eines zweiten Kühlkreislaufs; Durchströmen eines ersten Wärmetauschers im ersten Kühlkreislauf mit Kühlmittel zur Kühlung der Fahrzeugbatterie; Durchströmen eines zweiten Wärmetauschers im zweiten Kühlkreislauf mit Kühlmittel zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums; Verdichten von Kühlmittel mittels wenigstens eines ersten Verdichters sowie Kondensieren von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem ersten Verdichter nachgeschalteten, ersten Kondensators; Entspannen von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem ersten Kondensator nachgeschalteten und dem ersten Wärmetauscher vorgeschalteten, ersten Drosselelements; und Entspannen von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem zweiten Wärmetauscher vorgeschalteten, zweiten Drosselelements. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass, bei gleichzeitiger Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums sowie Kühlung der Fahrzeugbatterie, dem ersten Wärmetauscher Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt wird als dem zweiten Wärmetauscher, wobei Kühlmittel zur Verringerung des Drucks im ersten Kühlkreislauf und/oder zur Erhöhung des Drucks im zweiten Kühlkreislauf ferner ein zusätzliches Druckausgleichselement durchströmt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen sowie der vorstehenden und nachstehenden Beschreibung. Dabei können die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Dabei treffen die zuvor in Bezug auf das System beschriebenen Vorteile auch auf das entsprechende Verfahren zu. Dabei können die vorstehenden Beschreibungen von Merkmalen des Systems auf das Verfahren, welches insbesondere zum Betrieb dieses Systems geeignet ist, entsprechend übertragen werden.
Im Einzelnen kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf getrennt von dem Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf verwendet werden, wobei das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers zunächst den ersten Verdichter, sodann den ersten Kondensator, sodann das erste Drosselelement und schließlich erneut den ersten Wärmetauscher durchströmt, und wobei das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf nach Durchströmen des zweiten Wärmetauschers zunächst als das zusätzliche Druckausgleichselement einen zweiten Verdichter, sodann einen zweiten Kondensator, sodann das zweite Drosselelement und schließlich erneut den zweiten Wärmetauscher durchströmt.
Vorteilhafterweise kann dabei im ersten Kühlkreislauf ein erstes Fluid als Kühlmittel und im zweiten Kühlkreislauf ein zweites Fluid als Kühlmittel verwendet werden, sodass durch geeignete Auswahl der Fluide im Hinblick auf die jeweils im ersten Kühlkreislauf und im zweiten Kühlkreislauf herrschenden Temperaturniveaus die Effizienz des Betriebes weiter optimiert werden kann.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung kann sich das erste Drosselelement von dem zweiten Drosselelement unterscheiden, sodass der Betrieb der beiden Kühlkreisläufe besser auf die unterschiedlichen Druck-/Temperaturniveaus abgestimmt werden kann. Beispielsweise können thermostatische Expansionsventile (TXV) mit einer anderen Füllung oder einer anderen Abstimmung ihrer Thermoköpfe verwendet werden.
Weiter vorzugsweise kann dasselbe Kühlmittel für den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf verwendet werden, wobei der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf miteinander in Fluidverbindung stehen.
Weiter vorzugsweise kann aus dem ersten Wärmetauscher austretende Kühlmittel zur Entspannung auf das Druckniveau des aus dem parallel zum ersten Wärmetauscher geschalteten zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf ein dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement als das zusätzliche Druckausgleichselement durchströmen.
Dabei kann auch in ein 3-Wegeventil vorgesehen sein, sodass einerseits das aus dem zweiten Wärmetauscher austretende Kühlmittel in das 3-Wegeventil einströmen kann und andererseits das aus dem ersten Wärmetauscher austretende und darauf das Zusatzdrosselelement durchströmende Kühlmittel sodann ebenfalls in das 3-Wegeventil einströmen kann. Dadurch werden dann die Kühlmittelflüsse aus dem ersten Kühlkreislauf und aus dem zweiten Kühlkreislauf durch das 3-Wegeventil wieder zusammengeführt und treten gemeinsam aus diesem heraus. Dazu sorgt das Zusatzdrosselelement eben für die Angleichung des höheren Drucks des ersten Kühlkreislaufes auf den niedrigeren des zweiten Kühlkreislaufes.
Weiterhin kann dieses nachgeschaltet Zusatzdrosselelement auch in das 3-Wegeventil integriert sein.
Das 3-Wegeventil kann zwischen einer sowohl den ersten Wärmetauscher als auch den zweiten Wärmetauscher mit dem ersten Verdichter in eine Fluidverbindung versetzende Stellung und einer lediglich den ersten Wärmetauscher mit dem ersten Verdichter in eine Fluidverbindung versetzende und gleichzeitig den zweiten Wärmetauscher absperrende Stellung hin und her geschaltet werden.
Weiter vorzugsweise kann das aus dem ersten Kondensator austretende Kühlmittel einerseits in eine dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltete Strahlpumpe und andererseits zu dem zweiten Drosselelement und dem zweiten Wärmetauscher strömen, und, zum Bereitstellen des gewünschten Temperatur- und Druckniveaus des Kühlmittels für den Eintritt in den ersten Wärmetauscher, kann das aus dem zweiten Wärmetauscher austretende Kühlmittel in der Strahlpumpe mit unmittelbar aus dem ersten Kondensator in die Strahlpumpe strömenden Kühlmittel zusammengeführt werden, derart, dass die Strahlpumpe das zusätzliche Druckausgleichselement für den zweiten Kühlkreislauf ausbildet. Dabei kann das aus dem ersten Kondensator austretende Kühlmittel einerseits die Strahlpumpe als Treibmedium durchströmen, sowie andererseits auch den zweiten Kühlkreislauf versorgen, indem es teilweise ebenso in Richtung des zweiten Wärmetauschers und vorgeschaltetem zweiten Drosselelement strömt. Als Saugmedium für die Strahlpumpe kann dann das aus dem zweiten Wärmetauscher austretende Kühlmittel dienen. Ein solches Verfahren unter Verwendung nur eines Bauteils in Form der Strahlpumpe sowohl für die erforderliche Entspannung des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf als auch für die erforderliche Erhöhung des Drucks des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kühlmittels, welches einen geringeren Druck aufweist als das in den ersten Wärmetauscher eintretenden Kühlmittel, ist besonders effektiv.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher zwischen 20°C und 30°C und die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den zweiten Wärmetauscher zwischen 3°C und 10°C. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Erhöhung des Temperaturniveaus des Kühlmittels für den ersten Wärmetauscher zu einer erheblichen Reduktion des Energiebedarfs des ersten Verdichters führt. Auf diese Weise kann ein Verfahren erzielt werden, das eine bessere Ausnutzung der durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellte Energie ermöglicht und somit die Reichweite eines elektrischen Fahrzeugs verbessert.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:

1 ein erfindungsgemäßes System nach einer ersten Ausführungsform;
2 ein erfindungsgemäßes System nach einer weiteren Ausführungsform;
3 ein erfindungsgemäßes System nach einer weiteren Ausführungsform; und
4 ein erfindungsgemäßes System nach einer weiteren Ausführungsform.

Es wird darauf hingewiesen, dass gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren prinzipiell gleiche Bauteile bezeichnen. In Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibungen bezüglich eines Bauteils gelten auch für die anderen Figuren und eine wiederholende Beschreibung wird vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie für ein elektrisches Fahrzeug ist in 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Wie im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt, umfasst ein solches System einen ersten Wärmetauscher 1, der zur Kühlung der Fahrzeugbatterie in einem ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d vorgesehen ist. Ferner umfasst das System einen zweiten Wärmetauscher 2, der zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums in einem zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen ist. Außerdem umfasst das System, wie bereits bekannt, wenigstens einen ersten Verdichter 3 sowie wenigstens einen dem ersten Verdichter 3 nachgeschalteten, ersten Kondensator 4; und wenigstens ein dem ersten Kondensator 4 nachgeschaltetes und dem ersten Wärmetauscher 1 vorgeschaltetes, erstes Drosselelement 5.
Wesentlich ist nun jedoch, dass der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und der zweite Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d derart eingerichtet sind, dass dem ersten Wärmetauscher 1 Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher 2, wobei ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen ist.
Das zusätzliche Druckausgleichselement kann entweder dazu vorgesehen sein, den erhöhten Druck des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d wieder zu verringern, nachdem das Kühlmittel mit einem höheren Druck aus dem ersten Wärmetauscher 1 austritt, im Vergleich zu dem aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretenden Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d. Alternativ kann das zusätzliche Druckausgleichselement auch dazu vorgesehen sein, den niedrigeren Druck des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d wieder zu erhöhen, nachdem das Kühlmittel mit einem niedrigeren Druck aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austritt, im Vergleich zu dem aus dem ersten Wärmetauscher 1 austretenden Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d.
In dem dargestellten und insofern bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 ist das zusätzliche Druckausgleichselement zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen. Dabei ist das zusätzliche Druckausgleichselement konkret im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d als ein dem zweiten Wärmetauscher 2 nachgeschalteter, zweiter Verdichter 6 ausgebildet. Ferner ist ein dem zweiten Verdichter 6 nachgeschalteter, zweiter Kondensator 7 vorgesehen.
Dabei ist der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d getrennt von dem zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d eingerichtet, weshalb sich der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und der zweite Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d kein Kühlmittel teilen.
Durch die vollständige Trennung der beiden Kühlkreisläufe 1a, 1b, 1c, 1d bzw. 2a, 2b, 2c, 2d, die einerseits zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und andererseits zur Kühlung der Fahrzeugbatterie verantwortlich sind, können die unterschiedlichen Temperatur- sowie Druckniveaus der Kühlmittel einerseits für den ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und somit für den ersten Wärmetauscher 1 und andererseits für den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d und somit für den zweiten Wärmetauscher 2 auf vorteilhafte Weise individuell eingestellt werden. Die durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellte Energie kann dadurch optimal an den Verbrauchsbedarf angepasst ausgenutzt und somit die Reichweite des elektrischen Fahrzeugs verlängert werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitiger Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, werden, wie bereits bekannt, zunächst der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d sowie der zweite Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d bereitgestellt; der erste Wärmetauschers 1 im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d wird mit Kühlmittel zur Kühlung der Fahrzeugbatterie durchströmt; der zweite Wärmetauscher 2 im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d wird mit Kühlmittel zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums durchströmt; Kühlmittel wird mittels wenigstens des ersten Verdichters 3 verdichtet sowie mittels des dem ersten Verdichter 3 nachgeschalteten, ersten Kondensators 4 kondensiert; Kühlmittel wird ferner mittels des dem ersten Kondensator 4 nachgeschalteten und dem ersten Wärmetauscher 1 vorgeschalteten, ersten Drosselelements 5 entspannt; und ferner wird Kühlmittel mittels wenigstens eines dem zweiten Wärmetauscher 2 vorgeschalteten, zweiten Drosselelements 8 entspannt. In dem System ist wenigstens ein dem zweiten Wärmetauscher 2 vorgeschaltetes, zweites Drosselelement 8 vorgesehen.
Wesentlich an dem Verfahren ist nun, dass, bei gleichzeitiger Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums sowie Kühlung der Fahrzeugbatterie, dem ersten Wärmetauscher 1 Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt wird als dem zweiten Wärmetauscher 2, wobei Kühlmittel zur Verringerung des Drucks im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und/oder zur Erhöhung des Drucks im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d ferner ein zusätzliches Druckausgleichselement durchströmt.
Wie bereits erwähnt, wird in dem dargestellten und insofern bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 das zusätzliche Druckausgleichselement in Form des zweiten Verdichters 6 durchströmt. Im Einzelnen wird bei dem Verfahren bzw. dem System der 1 das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d getrennt von dem Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d verwendet. Dabei durchströmt das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers 1 zunächst den ersten Verdichter 3, sodann den ersten Kondensator 4, sodann das erste Drosselelement 5 und schließlich erneut den ersten Wärmetauscher 1. Dagegen durchströmt das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d nach Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 2 zunächst den zweiten Verdichter 6 als zusätzliches Druckausgleichselement, sodann den zweiten Kondensator 7, sodann das zweite Drosselelement 8 und schließlich erneut den zweiten Wärmetauscher 2.
Dadurch, dass bei dem System bzw. Verfahren gemäß 1 sowie ebenso bei den System bzw. Verfahren gemäß der weiteren Ausführungsbeispiele der 2, 3, sowie 4 dem ersten Wärmetauscher 1, welcher für die Kühlung der Batterie verantwortlich ist, Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher 2, kann auch die Temperaturdifferenz zwischen der Eingangstemperatur des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher 1 und der typischen Kondensationstemperatur verringert werden. Beispielwerte für diese Temperaturen sind bei dem vorliegenden System eine Eingangstemperatur von 20°C bis 30°C in den ersten Wärmetauscher 1 und eine Kondensationstemperatur von ungefähr 55°C. Die Eingangstemperatur in den zweiten Wärmetauscher 2 für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums kann regelmäßig 3°C bis 10°C betragen.
Durch eine mittels der vorliegenden Systeme bzw. Verfahren ermöglichte Reduktion der Temperaturdifferenz kann die für den Betrieb des ersten Verdichters 3 erforderliche Leistung reduziert werden. Ferner verringert auch die Reduktion der Druckdifferenz zwischen dem Eingangsdruck des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher 1 (sowie dementsprechend auch dem Eingangsdruck in den ersten Verdichter 3) und dem für den Betrieb des Kühlkreislaufes 1a, 1b, 1c, 1d bzw. 2a, 2b, 2c, 2d erforderlichen Ausgangsdruck aus dem ersten Verdichter 3 die erforderliche Leistung zum Betrieb des ersten Verdichters 3. Durch die besondere Ausgestaltung des Systems kann dem ersten Wärmetauscher 1 Kühlmittel bei anderen Temperatur- und Druckverhältnissen, insbesondere bei höherer Temperatur und höherem Druck, zugeführt werden als dem zweiten Wärmetauscher 2, da ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen ist. Dieses zusätzliche Druckausgleichselement kann die unterschiedlichen Druckniveaus des Kühlmittels, das vorliegend bei unterschiedlichem Druck in den ersten bzw. in den zweiten Wärmetauscher 1, 2 einströmt, wieder anpassen, indem der erhöhte Druck des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d beispielsweise durch ein im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d angeordnetes, zusätzliches Druckausgleichselement auf den niedrigeren Druck des zweiten Kühlkreislaufs 2a, 2b, 2c, 2d reduziert wird. Alternativ kann das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen sein und den niedrigen Druck des Kühlmittels auf den höheren Druck des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d erhöhen. Es sind auch mehrere Druckausgleichselemente sowohl im ersten als auch im zweiten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d bzw. 2a, 2b, 2c, 2d denkbar. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 handelt es sich bei dem besagten Druckausgleichselement um den zweiten Verdichter 6.
Das vorliegende System ermöglicht es, dass die durch die Batterie bereitgestellte Energie besser ausgenutzt wird. Bei gleichzeitiger Versorgung des der Batterie zugeordneten, ersten Wärmetauschers 1 sowie des für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verantwortlichen, zweiten Wärmetauschers 2 mit Kühlleistung kann die erforderliche Leistung für den ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d angepasst bereitgestellt werden. Dadurch ist es auch möglich, die Reichweite des elektrischen Fahrzeugs zu verbessern, da die zum Betrieb des ersten Verdichters 3 benötigte Energie reduziert und somit auch die angeforderte Leistung der Batterie bei gleichzeitiger Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und Kühlung der Fahrzeugbatterie verringert werden können.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 stehen bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2, 3, sowie 4 der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d und der zweite Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d derart miteinander in Fluidverbindung, dass sie sich ein Kühlmittel teilen. Die Verwendung von lediglich einem Kühlmittel, welches sich der erste und der zweite Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d bzw. 2a, 2b, 2c, 2d teilen, ist vorteilhaft hinsichtlich des Energieverbrauchs.
Gemäß Ausführungsbeispielen der 2 und der 3 sind der erste Wärmetauscher 1 und der zweite Wärmetauscher 2 parallel zueinander geschaltet.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zusätzliche Druckausgleichselement im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d als ein dem ersten Wärmetauscher 1 nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement 9 ausgebildet. Durch das Zusatzdrosselelement 9 kann der - im Vergleich zu dem an der Stelle 2a im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d vorherrschenden Druck - erhöhte Druck des aus dem ersten Wärmetauschers 1 austretenden Kühlmittels zwecks einer Zusammenführung mit dem aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretenden Kühlmittel auf den (geringeren) Druck jenes, aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretenden Kühlmittels reduziert werden.
Dabei wird die Parallelschaltung des ersten Wärmetauscher 1 zu dem zweiten Wärmetauscher 2 gemäß 2 durch ein dem ersten Wärmetauscher 1 und dem zweiten Wärmetauscher 2 nachgeschaltetes, sowie dem ersten Verdichter 3 vorgeschaltetes 3-Wegeventil 10 erneut zusammengeführt. Das 3-Wegeventil 10 ist dabei zwischen einer sowohl den ersten Wärmetauscher 1 als auch den zweiten Wärmetauscher 2 mit dem ersten Verdichter 3 in eine Fluidverbindung versetzende Stellung und einer lediglich den ersten Wärmetauscher 1 mit dem ersten Verdichter 3 in eine Fluidverbindung versetzende und gleichzeitig den zweiten Wärmetauscher 2 absperrende Stellung versetzbar eingerichtet. Dadurch wird ein flexibleres System erreicht, mit welchem auf den erforderlichen Kühlleistungsbedarf einerseits zur Kühlung der Fahrzeugbatterie und andererseits zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums reagiert werden kann. So kann der zweite Wärmetauscher 2 bei Bedarf durch das 3-Wegeventil 10 von dem ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d ausgeschlossen werden, sodass bei ausschließlichem Kühlbedarf der Fahrzeugbatterie der erste Verdichter 3 auch nur die entsprechende Leistung zum Betrieb des ersten Kühlkreislaufes 1a, 1b, 1c, 1d bereitstellen muss.
Alternativ oder ergänzend dazu kann das 3-Wegeventil 10 auch der Parallelschaltung des ersten und zweiten Wärmetauschers 1, 2 vorgeschaltet angeordnet sein. Ferner kann das Zusatzdrosselelement 9 auch in das 3-Wegeventil 10 integriert sein. Auf diese Weise wird ein vorteilhaftes System bereitgestellt, das weniger Bauteile umfasst und kompakter sowie einfacher zu montieren ist. Weiter vorzugsweise kann das Zusatzdrosselelement 9 dem ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d zuschaltbar ausgebildet sein. Dadurch kann der erste Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d auch derart ausgestaltet sein, dass das Zusatzdrosselelement 9 lediglich bei Bedarf den erhöhten Druck des ersten Kühlkreislaufs 1a, 1b, 1c, 1d mittels des zu- bzw. ebenso reduziert wegschaltbaren Zusatzdrosselelements 9 reduziert, nämlich dann, wenn auch der zweite Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d aufgrund einer erforderlichen Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums aktiv ist.
Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform ist das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d als ein dem zweiten Wärmetauscher 2 nachgeschalteter Zusatzverdichter 6 ausgebildet. Durch den Zusatzverdichter 6 kann der geringere Druck des aus dem zweiten Wärmetauschers 2 austretenden Kühlmittels zwecks einer Zusammenführung mit dem aus dem ersten Wärmetauscher 1 austretenden Kühlmittel auf den (höheren) Druck jenes, aus dem ersten Wärmetauscher 1 austretenden Kühlmittels erhöht werden.
Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform ist das erste Drosselelement 5 als Strahlpumpe 11 ausgebildet. Dabei verbindet die Strahlpumpe 11 den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d mit dem ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d. Dazu ist die Strahlpumpe 11 eingangsseitig einerseits in Fluidverbindung mit dem ersten Kondensator 4. Andererseits steht die Strahlpumpe 11 eingangsseitig auch mit dem zweiten Wärmetauscher 2 in Fluidverbindung. Ausgangsseitig steht die Strahlpumpe 11 in Fluidverbindung mit dem ersten Wärmetauscher 1. Damit bildet die Strahlpumpe 11 auch das zusätzliches Druckausgleichselement zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d aus.
Auf diese Weise kann ein besonders kompaktes System erzielt werden. So sorgt das eine Bauteil in Form der Strahlpumpe 11 gleichzeitig für die erforderliche Entspannung des aus dem ersten Kondensator 4 austretenden und hinter der Strahlpumpe 11 in den ersten Wärmetauscher 1 eintretenden Kühlmittels, sowie auch für die erforderliche Erhöhung bzw. Anpassung des Drucks des aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretenden Kühlmittels zwecks Vermischung mit dem ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d vor Eintritt in den ersten Wärmetauscher 1. Dabei versorgt das aus dem ersten Kondensator 4 austretende Kühlmittel einerseits die Strahlpumpe 11 als Treibmedium, sowie andererseits auch den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d, indem es teilweise ebenso in Richtung zweiten Wärmetauscher 2 mit vorgeschaltetem zweiten Drosselelement 8 strömt. Als Saugmedium für die Strahlpumpe 11 steht das aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretende Kühlmittel bereit.
Bei dem Verfahren nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 strömt demnach das aus dem ersten Kondensator 4 austretende Kühlmittel einerseits in die dem ersten Wärmetauscher 1 vorgeschaltete Strahlpumpe 11 und andererseits zu dem zweiten Drosselelement 8 und dem zweiten Wärmetauscher 2. Um das gewünschte Temperatur- und Druckniveaus des Kühlmittels für den Eintritt in den ersten Wärmetauscher 1 bereitzustellen, wird das aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretende Kühlmittel in der Strahlpumpe 11 mit unmittelbar aus dem ersten Kondensator 4 in die Strahlpumpe 11 strömenden Kühlmittel zusammengeführt, und zwar derart, dass die Strahlpumpe 11 das zusätzliche Druckausgleichselement für den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d ausbildet. Dabei durchströmt das aus dem ersten Kondensator 1 austretende Kühlmittel einerseits die Strahlpumpe 11 als Treibmedium. Andererseits versorgt das aus dem ersten Kondensator 1 austretende Kühlmittel auch den zweiten Kühlkreislauf 2a, 2b, 2c, 2d, indem es teilweise ebenso in Richtung des zweiten Wärmetauschers 2 mit vorgeschaltetem zweiten Drosselelement 8 strömt. Als Saugmedium für die Strahlpumpe 11 dient dann das aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretende Kühlmittel. Ein solches Verfahren unter Verwendung nur eines Bauteils in Form der Strahlpumpe 11 sowohl für die erforderliche Entspannung des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 1a, 1b, 1c, 1d als auch für die erforderliche Erhöhung des Drucks des aus dem zweiten Wärmetauscher 2 austretenden Kühlmittels, welches einen geringeren Druck aufweist als das in den ersten Wärmetauscher 1 eintretenden Kühlmittel, ist besonders effektiv.
Bei den in 1, 2, 3 sowie 4 dargestellten Systemen bzw. den Verfahren zu deren Betrieb ist es besonders vorteilhaft, wenn die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher 1 zwischen 20°C und 30°C beträgt und die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den zweiten Wärmetauscher 2 zwischen 3°C und 10°C beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Erhöhung des Temperaturniveaus des Kühlmittels für den ersten Wärmetauscher 1 im Vergleich zum Stand der Technik zu einer erheblichen Reduktion des Energiebedarfs des ersten Verdichters 3 führt.
Im Stand der Technik ist es üblich, dass auch das in den ersten Wärmetauscher 1 einströmende Kühlmittel die gleiche, niedrige Eingangstemperatur von 3°C bis 10°C sowie einen genauso niedrigen Druck aufweist, wie die Eingangstemperatur bzw. der Eingangsdruck des Kühlmittels in den zweiten Wärmetauscher 2. Daher muss beim Stand der Technik jedoch auch eine größere Druckerhöhung durch den ersten Verdichter 3 geleistet werden als beim vorliegenden System bzw. Verfahren. Vorliegend verbraucht der erste Verdichter 3 also im Vergleich zum Stand der Technik nicht so viel Energie. Damit kann auf die beschriebene Weise ein System bzw. ein Verfahren erzielt werden, das eine bessere Ausnutzung der durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellte Energie ermöglicht und somit die Reichweite eines elektrischen Fahrzeugs verbessert.
Bezugszeichenliste

1a, 1b, 1c, 1d: erster Kühlkreislauf
1: erster Wärmetauscher
2a, 2b, 2c, 2d: zweiter Kühlkreislauf
2: zweiter Wärmetauscher
3: erster Verdichter
4: erster Kondensator
5: erstes Drosselelement
6: zweiter Verdichter
7: zweiter Kondensator
8: zweites Drosselelement
9: Zusatzdrosselelement
10: 3-Wegeventil
11: Strahlpumpe

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

US 2009/0249802 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

System zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, umfassend: - einen ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) mit einem ersten Wärmetauscher (1) zur Kühlung der Fahrzeugbatterie; - einen zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem zweiten Wärmetauscher (2) zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums; - wenigstens einen ersten Verdichter (3) sowie wenigstens einen dem ersten Verdichter (3) nachgeschalteten, ersten Kondensator (4); - wenigstens ein dem ersten Kondensator (4) nachgeschaltetes und dem ersten Wärmetauscher (1) vorgeschaltetes, erstes Drosselelement (5); und - wenigstens ein dem zweiten Wärmetauscher (2) vorgeschaltetes, zweites Drosselelement (8); dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und der zweite Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) derart eingerichtet sind, dass dem ersten Wärmetauscher (1) Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt werden kann als dem zweiten Wärmetauscher (2), wobei ein zusätzliches Druckausgleichselement zur Verringerung des Drucks des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und/oder zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) getrennt von dem zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) eingerichtet ist, wobei das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) als ein dem zweiten Wärmetauscher (2) nachgeschalteter, zweiter Verdichter (6) ausgebildet ist und wobei ein dem zweiten Verdichter (6) nachgeschalteter, zweiter Kondensator (7) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und der zweite Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) derart miteinander in Fluidverbindung stehen, dass sie sich ein Kühlmittel teilen.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (1) parallel zu dem zweiten Wärmetauscher (2) geschaltet ist und dass das zusätzliche Druckausgleichselement im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) als ein dem ersten Wärmetauscher (1) nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement (9) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung des ersten Wärmetauschers (1) zu dem zweiten Wärmetauscher (2) durch ein dem ersten Wärmetauscher (1) und dem zweiten Wärmetauscher (2) nachgeschaltetes, sowie dem ersten Verdichter (3) vorgeschaltetes 3-Wegeventil (10) erneut zusammengeführt ist, wobei das 3-Wegeventil (10) zwischen einer sowohl den ersten Wärmetauscher (1) als auch den zweiten Wärmetauscher (2) mit dem ersten Verdichter (3) in eine Fluidverbindung versetzende Stellung und einer lediglich den ersten Wärmetauscher (1) mit dem ersten Verdichter (3) in eine Fluidverbindung versetzende und gleichzeitig den zweiten Wärmetauscher (2) absperrende Stellung versetzbar eingerichtet ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzdrosselelement in das 3-Wegeventil integriert ist.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzdrosselelement (9) dem ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) zuschaltbar ausgebildet ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (1) parallel zu dem zweiten Wärmetauscher (2) geschaltet ist und dass das zusätzliche Druckausgleichselement im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) als ein dem zweiten Wärmetauscher (2) nachgeschalteter Zusatzverdichter (6) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drosselelement (5) als Strahlpumpe (11) ausgebildet ist, wobei die Strahlpumpe (11) den zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) mit dem ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) verbindet und eingangsseitig in Fluidverbindung sowohl mit dem ersten Kondensator (4) als auch mit dem zweiten Wärmetauscher (2) steht und ausgangsseitig in Fluidverbindung mit dem ersten Wärmetauscher (1) steht, derart, dass die Strahlpumpe (11) das zusätzliche Druckausgleichselement zur Erhöhung des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) ausbildet.
Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und gleichzeitigen Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Kühlkreislaufs (1a, 1b, 1c, 1d) und eines zweiten Kühlkreislaufs (2a, 2b, 2c, 2d); - Durchströmen eines ersten Wärmetauschers (1) im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) mit Kühlmittel zur Kühlung der Fahrzeugbatterie; - Durchströmen eines zweiten Wärmetauschers (2) im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) mit Kühlmittel zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums; - Verdichten von Kühlmittel mittels wenigstens eines ersten Verdichters (3) sowie Kondensieren von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem ersten Verdichter (3) nachgeschalteten, ersten Kondensators (4); - Entspannen von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem ersten Kondensator (4) nachgeschalteten und dem ersten Wärmetauscher (1) vorgeschalteten, ersten Drosselelements (5); und - Entspannen von Kühlmittel mittels wenigstens eines dem zweiten Wärmetauscher (2) vorgeschalteten, zweiten Drosselelements (8); dadurch gekennzeichnet, dass, bei gleichzeitiger Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums sowie Kühlung der Fahrzeugbatterie, dem ersten Wärmetauscher (1) Kühlmittel bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Druck zugeführt wird als dem zweiten Wärmetauscher (2), wobei Kühlmittel zur Verringerung des Drucks im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und/oder zur Erhöhung des Drucks im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) ferner ein zusätzliches Druckausgleichselement durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) getrennt von dem Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) verwendet wird, wobei das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers (1) zunächst den ersten Verdichter (3), sodann den ersten Kondensator (4), sodann das erste Drosselelement (5) und schließlich erneut den ersten Wärmetauscher (1) durchströmt, und wobei das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) nach Durchströmen des zweiten Wärmetauschers (2) zunächst als das zusätzliche Druckausgleichselement einen zweiten Verdichter (6), sodann einen zweiten Kondensator (7), sodann das zweite Drosselelement (8) und schließlich erneut den zweiten Wärmetauscher (2) durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe Kühlmittel für den ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und den zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) verwendet wird, wobei der erste Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) und der zweite Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) miteinander in Fluidverbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem ersten Wärmetauscher (1) austretende Kühlmittel zur Entspannung auf das Druckniveau des aus dem parallel zum ersten Wärmetauscher (1) geschalteten zweiten Wärmetauscher (2) austretenden Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d) ein dem ersten Wärmetauscher (1) nachgeschaltetes Zusatzdrosselelement (9) als das zusätzliche Druckausgleichselement durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem ersten Kondensator (4) austretende Kühlmittel einerseits in eine dem ersten Wärmetauscher (1) vorgeschaltete Strahlpumpe (11) und andererseits zu dem zweiten Drosselelement (8) und dem zweiten Wärmetauscher (2) strömt, und dass, zum Bereitstellen des gewünschten Temperatur- und Druckniveaus des Kühlmittels für den Eintritt in den ersten Wärmetauscher (1), das aus dem zweiten Wärmetauscher (2) austretende Kühlmittel in der Strahlpumpe (11) mit unmittelbar aus dem ersten Kondensator (4) in die Strahlpumpe (11) strömenden Kühlmittel zusammengeführt wird, derart, dass die Strahlpumpe (11) das zusätzliche Druckausgleichselement für den zweiten Kühlkreislauf (2a, 2b, 2c, 2d) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den ersten Wärmetauscher (1) zwischen 20°C und 30°C beträgt und dass die Eingangstemperatur des Kühlmittels in den zweiten Wärmetauscher (2) zwischen 3°C und 10°C beträgt.