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DE102023130210B4 - Thermosystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb des Thermosystems - Google Patents

Thermosystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb des Thermosystems

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DE102023130210B4
DE102023130210B4 DE102023130210.8A DE102023130210A DE102023130210B4 DE 102023130210 B4 DE102023130210 B4 DE 102023130210B4 DE 102023130210 A DE102023130210 A DE 102023130210A DE 102023130210 B4 DE102023130210 B4 DE 102023130210B4
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Thermosystem (10) für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Temperierkreislauf (12) zur Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie (18),
mit einem Klimakreislauf (14) zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle über einen Klimawärmetauscher (26), und
mit einem den Temperierkreislauf (12) mit dem Klimakreislauf (14) thermisch koppelnden Wärmetauscher (16),
wobei der Klimakreislauf (14) eine über ein regelbares erstes Expansionsventil (34) an einer Ausgangsseite eines Verdichters (24) angeschlossene Bypassleitung (32) aufweist, wobei die Bypassleitung (32) an dem Wärmetauscher (16) und dem Klimawärmetauscher (26) vorbei an eine Eingangsseite des Verdichters (24) zurückgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bypassleitung (32) über einen Sammler (30) an die Eingangsseite des Verdichters (24) zurückgeführt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Thermosystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Thermosystems, mit deren jeweiligen Hilfe eine Kraftfahrzeugbatterie temperiert und eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs klimatisiert werden kann.
  • Aus WO 2019/ 069 018 A1 ist ein Thermosystem nach dem Obergriff des Anspruchs 1 bekannt. So ist es bekannt, einen Temperierkreislauf zur Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs über einen als „Chiller“ bezeichneten Verdampfer thermisch mit einem Klimakreislauf zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zu koppeln, wobei der Klimakreislauf mit Hilfe von Ventilen wahlweise an dem Chiller vorbei und durch einen dann im Klimakreislauf angeschlossenen Verdampfer verlaufen kann.
  • Es bestehen Situationen, beispielsweise bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs, in denen eine Kraftfahrzeugbatterie nicht gekühlt, sondern aufgeheizt werden soll. Nach dem Erreichen der designierten Betriebstemperatur des Kraftfahrzeugbatterie ist in der Regel nur noch eine Kühlung erforderlich, wobei hierbei die in der Kraftfahrzeugbatterie entstehende Wärme für die Klimatisierung der Fahrgastzelle genutzt werden soll. Damit die Kraftfahrzeugbatterie möglichst schnell ihre Betriebstemperatur erreicht, bei der die Betriebstemperatur mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann, soll jedoch eine Beeinträchtigung der Heizleistung für das Aufheizen der Betriebstemperatur durch eine Leistungsabfuhr für die Klimatisierung der Fahrgastzelle bei einem möglichst geringen apparativen Aufwand vermieden werden.
  • DE 10 2018 010 019 A1 offenbart weiteren Stand der Technik.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem geringen apparativen Aufwand eine gute Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie und eine gute Klimatisierung einer Fahrgastzelle ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Thermosystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können, wobei der Schutzbereich durch die Ansprüche bestimmt wird.
  • Nach Anspruch 1 weist das Thermosystem für ein Kraftfahrzeug einen Temperierkreislauf zur Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie, einen Klimakreislauf zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle über einen Klimawärmetauscher und einen den Temperierkreislauf mit dem Klimakreislauf thermisch koppelnden Wärmetauscher auf, wobei der Klimakreislauf eine über ein regelbares erstes Expansionsventil an einer Ausgangsseite eines Verdichters angeschlossene Bypassleitung aufweist, wobei die Bypassleitung an dem Wärmetauscher und dem Klimawärmetauscher vorbei an eine Eingangsseite des Verdichters zurückgeführt ist.
  • Mit Hilfe der Bypassleitung kann ein Teil oder der gesamte Massenstrom des Klimakreislaufs im Bereich des Verdichters im Kreis gefördert werden und an einem Durchströmen des Wärmetauschers entsprechend gehindert werden. Eine Wärmeaufnahme von Wärme aus dem Temperierkreislauf kann dadurch entsprechend reduziert oder sogar ganz verhindert werden, so dass entsprechend mehr Wärme im Temperierkreislauf zum Aufheizen der Kraftfahrzeugbatterie zur Verfügung steht. Eine für die Klimatisierung der Fahrgastzelle zur Verfügung stehende Wärmeleistung wird dadurch entsprechend reduziert und stattdessen für ein schnelles Aufheizen der Kraftfahrzeugbatterie genutzt. Da die Kraftfahrzeugbatterie dadurch besonders schnell auf die Betriebstemperatur aufgeheizt wird, ist der zeitliche Verzögerung für die Klimatisierung der Fahrgastzelle für einen Fahrzeuginsassen in der Regel akzeptabel. Insbesondere ist es möglich bei einer allmählichen Erhöhung der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie die Entnahme der Wärmeleistung aus dem Temperierkreislauf in den Klimakreislauf durch eine entsprechende Anpassung des Bypassmassenstroms durch den Bypass anzupassen, um zumindest mit einer reduzierten Wärmeleistung die Klimatisierung der Fahrgastzelle vorzunehmen. Zwischen der im Temperierkreislauf benötigten Heizleistung zum Aufheizen der Kraftfahrzeugbatterie und der im Klimakreislauf benötigten Wärmeleistung zur Temperierung der Fahrgastzelle kann ein optimiertes Gleichgewicht eingestellt werden, das insbesondere von dem Abstand der aktuellen Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie und dem damit verbundenen Wirkungsgrad zu der Betriebstemperatur der Kraftfahrzeugbatterie abhängen kann. Durch die mit Hilfe des ersten Expansionsventil und der Bypassleitung erreichten Rückführung im Klimakreislauf ist bei einem geringen apparativen Aufwand eine gute Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie und eine gute Klimatisierung einer Fahrgastzelle ermöglicht.
  • Das erste Expansionsventil kann dazu ausgelegt sein eine in dem Verdichter erreichte Druckerhöhung rückgängig zu machen, so dass sich für den Verdichter die Betriebsbedingungen nicht wesentlich ändern. Vorzugsweise kann das erste Expansionsventil in einem Ausgangszustand die Bypassleitung vollständig trennen, so dass der gesamte Massenstrom des Klimakreislaufs durch den auch als „Chiller“ bezeichneten Wärmetauscher geführt wird und möglichst viel Wärme aus dem Temperierkreislauf aufnehmen kann. Vorzugsweise ist das erste Expansionsventil dazu ausgelegt einen Bypassmassenstroms durch die Bypassleitung zwischen 0% und 100% stufenlos einzustellen.
  • Der Verdichter ist insbesondere dazu ausgelegt ein gasförmiges Medium, insbesondere ein verdampftes Kältemittel, zu verdichten. An der Ausgangsseite des Verdichters kann daher ein deutlich höherer Druck als an der Eingangsseite des Verdichters vorliegen. Durch die Verdichtung kann sich auch die Temperatur des Mediums erhöhen, die auf diesem Temperaturniveau dem Klimawärmetauscher zugeführt werden kann.
  • Der Klimawärmetauscher kann dazu ausgelegt sein in die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs geleitete Luft zu klimatisieren, insbesondere zu erwärmen. In dem Klimawärmetauscher kann sich infolge von Druckverlusten der Druck des Mediums verringern und aufgrund der abgegebenen Wärme die Temperatur des Mediums verringern. Der Klimawärmetauscher ist insbesondere Teil einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs.
  • Der auch als „Chiller“ bezeichnete Wärmetauscher ist sowohl Teil des Klimakreislaufs als auch Teil des Temperierkreislauf, wobei vorzugsweise die den Wärmetauscher durchströmenden Medien des Klimakreislaufs und des Temperierkreislauf voneinander getrennt sind aber untereinander Wärme austauschen können. Eine Änderung des Aggregatszustands der Medien des Klimakreislaufs und des Temperierkreislauf in dem Wärmetauscher muss nicht zwangsläufig vorgesehen sein. Es ist aber möglich in der dem Klimakreislauf zugeordneten Seite des Wärmetauschers ein Verdampfen und/oder in der dem Temperierkreislauf zugeordneten Seite des Wärmetauschers ein Kondensieren des jeweiligen Mediums vorzusehen.
  • Die Kraftfahrzeugbatterie kann ein Teil des Temperierkreislaufs sein und je nach aktueller Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie bezogen auf die beabsichtigte Betriebstemperatur der Kraftfahrzeugbatterie als Wärmesenke oder Wärmequelle wirken. Die Kraftfahrzeugbatterie kann insbesondere innerhalb eines Gehäuses angeordnete Batteriezellen aufweisen, wobei vorzugsweise das Medium des Temperierkreislaufs in das Gehäuse der Kraftfahrzeugbatterie hineingeleitet wird, um die Batteriezellen zu umspülen.
  • Nach Anspruch 1 ist die Bypassleitung über einen Sammler, insbesondere ausschließlich über den Sammler, an die Eingangsseite des Verdichters zurückgeführt. Abgesehen von Leitungen und/oder dem Sammler sind insbesondere keine weiteren Funktionsbauteile des Klimakreislaufs zwischen dem Ausgang der Bypassleitung und dem Eingang des Verdichters vorgesehen, so dass der Bypassmassenstrom weder einem Verdampfer, noch einem Kondensator oder einem Wärmetauscherelement, wie dem Klimawärmetauscher, zugeführt wird. Ein Verbindungspunkt, an dem die Bypassleitung in die übrige Leitung des Klimakreislaufs zurückgeführt wird, kann dadurch besonders nahe am Verdichter vorgesehen sein, so dass die Bypassleitung entsprechend kurz ausgeführt sein kann. In dem Sammler kann eine Menge an Medium des Klimakreislaufs gepuffert werden, wobei prinzipiell auch eine Phasentrennung vorgesehen sein kann. Der Sammler kann dadurch auch durch das erste Expansionsventil verursachte Druckschwankungen dämpfen.
  • Insbesondere ist eine Regelstellung des ersten Expansionsventils zur Einstellung eines Bypassmassenstroms über ein PI-Regelglied regelbar. Die beabsichtigte Regelstellung des ersten Expansionsventils wird dadurch nicht schlagartig, sondern eher rampenförmig angesteuert. Plötzliche Druckschwankungen in den Leitungen des Klimakreislaufs können dadurch vermieden werden.
  • Vorzugsweise ist das erste Expansionsventil in Abhängigkeit von einem Heizbedarf im Temperierkreislauf regelbar. Eine Regelung kann den in dem Temperierkreislauf benötigten Heizbedarf berechnen und mit Hilfe der Regelung des ersten Expansionsventils nur soviel Medium des Klimakreislaufs in den Wärmetauschen einleiten lassen, dass der benötigte Heizbedarf nicht unterschritten wird. Hierbei kann die Regelung die aktuelle Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie, die designierte Betriebstemperatur der Kraftfahrzeugbatterie, eine innerhalb des Temperierkreislaufs vorgesehene Heizleistung und/oder einen Massenstrom des Mediums des Temperierkreislaufs berücksichtigen.
  • Besonders bevorzugt sind der Klimawärmetauscher und der Wärmetauscher innerhalb des Klimakreislaufs über eine unverzweigte Verbindungsleitung miteinander verbunden. Weitere Bypassleitungen im Klimakreislauf können dadurch vermieden sein. Vorzugsweise wird im Klimakreislauf zunächst der Klimawärmetauscher und nachfolgend der Wärmetauscher von dem Medium durchströmt.
  • Insbesondere ist in der Verbindungsleitung ein regelbares zweites Expansionsventil vorgesehen. Wen das zweite Expansionsventil geschlossen ist, kann Medium in einem Leitungsbereich bis zum Verdichter zurückgehalten werden, so dass die Verbindungsleitung nicht leerläuft. Außerdem ist es möglich unmittelbar am Eingang des Wärmetaischers an der Seite des Klimakreislaufs den Durchfluss durch den Wärmetauscher anzupassen, ohne dass erst die Verbindungsleitung leerlaufen muss.
  • Vorzugsweise ist das zweite Expansionsventil in Abhängigkeit von einer Regelstellung des ersten Expansionsventils regelbar. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Massenstrom am Ausgang des Verdichters der Summe der Massenströme durch die Bypassleitung und durch den Wärmetauscher entspricht. Totzeiten und Zeitverzögerungen über die Leitungsstrecke des Klimakreislaufs können dadurch vermieden werden.
  • Besonders bevorzugt weist der Temperierkreislauf einen Heizer zum Aufheizen eines Temperiermediums für die Kraftfahrzeugbatterie auf. Der Heizer kann insbesondere elektrisch betrieben sein und das Medium des Temperierkreislaufs, insbesondere Wasser, aufheizen. Wenn die Kraftfahrzeugbatterie ihre designierte Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Heizer leicht ausgeschaltet werden, so dass die Kühlfunktion des Temperierkreislaufs zum Kühlen der Kraftfahrzeugbatterie nicht beeinträchtigt wird. Durch den Heizer ist eine Wärmezufuhr aus anderen Wärmequellen, insbesondere aus dem Klimakreislauf, vermieden.
  • Insbesondere ist der Klimawärmetauscher als ein Heizregister einer Klimawärmepumpe zur Temperierung von in die Fahrgastzelle geführter Luft ausgestaltet. Die Temperierung der Fahrgastzelle kann nach dem Wärmepumpenprinzip erfolgen, wobei das zugehörige Heizregister leicht von dem Medium des Klimakreislaufs für einen Wärmeaustausch mit der in die Fahrgastzelle geführter Luft durchströmt werden kann.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Thermosystems, das wie vorstehend aus- und weitergebildet sein kann, bei dem ein im Klimakreislauf durch den Wärmetauscher geleiteter Massenstrom in Abhängigkeit von einem Heizbedarf des Temperierkreislaufs geregelt wird. Durch die mit Hilfe des ersten Expansionsventil und der Bypassleitung erreichten Rückführung im Klimakreislauf ist bei einem geringen apparativen Aufwand eine gute Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie und eine gute Klimatisierung einer Fahrgastzelle ermöglicht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können, wobei der Schutzbereich durch die Ansprüche bestimmt wird. Es zeigt:
    • 1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Thermosystems.
  • Das in 1 dargestellte Thermosystem 10 kann in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Das Thermosystem 10 weist einen Temperierkreislauf 12 und einen Klimakreislauf 14 auf, die über einen auch als „Chiller“ bezeichneten Wärmetauscher 16 thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Temperierkreislauf 12 weist eine Kraftfahrzeugbatterie 18, die meistens von einem mit Hilfe einer Pumpe 20 umgepumptes flüssigen Medium gekühlt werden soll. Hierzu kann in der Kraftfahrzeugbatterie 18 entstehende und von dem flüssigen Medium aufgenommene Wärme in dem Wärmetauscher 16 an das Medium des Klimakreislaufs 14 abgeführt werden. Falls die Kraftfahrzeugbatterie 18, beispielsweise bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs, erst auf eine designierte Betriebstemperatur aufgeheizt werden soll, kann das flüssige Medium von einem Heizer aufgeheizt werden.
  • Der Klimakreislauf 14 weist einen Verdichter 24, mit dessen Hilfe ein insbesondere gasförmiges Medium gefördert werden kann. Das von dem Verdichter auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur verdichtete Medium kann einem Klimawärmetauscher 26 zugeführt werden. Der Klimawärmetauscher 26 kann Teil eines Klimageräts 28 sein, mit dessen Hilfe in eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs geförderte Luft klimatisiert, insbesondere erwärmt, werden kann. Das nach dem Klimawärmetauscher 26 auf einem niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur vorliegende Medium kann nachfolgend dem Wärmetauscher 16 zugeführt werden, um zu Kühlungszwecke der Kraftfahrzeugbatterie 18 Wärme aus dem Temperierkreislauf 12 aufzunehmen. Das den Wärmetauscher 16 verlassende Medium des Temperierkreislauf 12 wird über einen Sammler 30 wieder dem Verdichter 24 zugeführt.
  • Damit der Klimakreislauf 14 nicht das Aufheizen der Kraftfahrzeugbatterie 18 beeinträchtigt, weist der Klimakreislauf 14 einen an einer Ausgangsseite des Verdichters 24 angeschlossene Bypassleitung 32 auf, das an dem Klimawärmetauscher 26 und dem Wärmetauscher 16 vorbei über den Sammler 30 an der Eingangsseite des Verdichters 24 angeschlossen ist. Mit Hilfe eines ersten Expansionsventils 34 kann der über die Bypassleitung 32 abgezweigte Bypassmassenstrom eingestellt werden. Der Bypassmassenstrom wird im Wesentlichen von dem Verdichter 24 über den Sammler 30 im Kreis gefördert, ohne dass eine Wärmeabfuhr aus dem Temperierkreislauf 12 an den Bypassmassenstrom erfolgen kann. Vorzugsweise ist zusätzlich einer Verbindungsleitung 36 zwischen dem Klimawärmetauscher 26 und dem Wärmetauscher 16 ein zweites Expansionsventil 38 vorgesehen, deren Durchflussmenge an den von dem ersten Expansionsventil 34 eingestellten Bypassmassenstrom angepasst ist.

Claims (10)

  1. Thermosystem (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Temperierkreislauf (12) zur Temperierung einer Kraftfahrzeugbatterie (18), mit einem Klimakreislauf (14) zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle über einen Klimawärmetauscher (26), und mit einem den Temperierkreislauf (12) mit dem Klimakreislauf (14) thermisch koppelnden Wärmetauscher (16), wobei der Klimakreislauf (14) eine über ein regelbares erstes Expansionsventil (34) an einer Ausgangsseite eines Verdichters (24) angeschlossene Bypassleitung (32) aufweist, wobei die Bypassleitung (32) an dem Wärmetauscher (16) und dem Klimawärmetauscher (26) vorbei an eine Eingangsseite des Verdichters (24) zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (32) über einen Sammler (30) an die Eingangsseite des Verdichters (24) zurückgeführt ist.
  2. Thermosystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelstellung des ersten Expansionsventils (34) zur Einstellung eines Bypassmassenstroms über ein PI-Regelglied regelbar ist.
  3. Thermosystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Expansionsventil (34) in Abhängigkeit von einem Heizbedarf im Temperierkreislauf (12) regelbar ist.
  4. Thermosystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (32) ausschließlich über den Sammler (30) an die Eingangsseite des Verdichters (24) zurückgeführt ist.
  5. Thermosystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klimawärmetauscher (26) und der Wärmetauscher (16) innerhalb des Klimakreislaufs (14) über eine unverzweigte Verbindungsleitung (36) miteinander verbunden sind.
  6. Thermosystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (36) ein regelbares zweites Expansionsventil (38) vorgesehen ist.
  7. Thermosystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Expansionsventil (38) in Abhängigkeit von einer Regelstellung des ersten Expansionsventils (34) regelbar ist.
  8. Thermosystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierkreislauf (12) einen Heizer (22) zum Aufheizen eines Temperiermediums für die Kraftfahrzeugbatterie (18) aufweist.
  9. Thermosystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klimawärmetauscher (26) als ein Heizregister einer Klimawärmepumpe zur Temperierung von in die Fahrgastzelle geführter Luft ausgestaltet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Thermosystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein im Klimakreislauf (14) durch den Wärmetauscher (16) geleiteter Massenstrom in Abhängigkeit von einem Heizbedarf des Temperierkreislaufs (12) geregelt wird.
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