DE102018212188A1

DE102018212188A1 - Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018212188A1
Application number: DE102018212188.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schuster; Raphael Distler; Anatoliy Lyubar
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Thermomanagementsystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend- einen Primärkreislauf (3), in dem ein Kältemittel geführt ist,- einen ersten Sekundärkreislauf (5), in dem ein von einer warmen Seite des Primärkreislaufs (3) erwärmtes Wärmetransportmedium geführt ist,- einen zweiten Sekundärkreislauf (7), in dem ein von einer kalten Seite des Primärkreislaufs (3) gekühltes Wärmetransportmedium geführt ist,- eine zentrale Verteilereinheit (9) zur Verteilung des Wärmetransportmediums aus dem ersten Sekundärkreislauf (5) und dem zweiten Sekundärkreislauf (7) abhängig von einem ermittelten Bedarf auf eine Anzahl von Zweigleitungen (45), wobei jede Zweigleitung (45) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers im Fahrzeug vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug zur Verteilung von Wärmeenergie auf verschiedene Verbraucher im Fahrzeug. Sie betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem derartigen Thermomanagementsystem.
Die effiziente, flexible und dynamische Steuerung von Wärmeströmen in einem Fahrzeug liefert einen signifikanten Beitrag zur Effizienz des Fahrzeugs. Der Energieinhalt dieser Wärmeströme ist im Verhältnis zu der für den Antrieb benötigten Energie nicht vernachlässigbar. Es wird daher in Anbetracht der nur begrenzten im Fahrzeug speicherbaren Energiemenge versucht, die Verteilung von Wärmeenergie im Fahrzeug besonders effizient zu gestalten.
Insbesondere die fehlende Abwärme eines Verbrennungsmotors in Elektrofahrzeugen stellt eine besondere Herausforderung an das Thermomanagementsystem eines solchen Fahrzeugs dar. Während bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in der Regel die Abwärme des Motors, die Klimaanlage und ein Kühlkreislauf für den Motor weitestgehend unabhängig voneinander für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und der Fahrzeugkomponenten sorgen, wird in Elektrofahrzeugen ein primärer Klimakreis mit daran angeschlossenen Sekundärkreisen verwendet.
Den Primärkreis bildet dabei ein Kältemittelkreis, der die Verdampfungsenthalpie eines Kältemittels nutzt, um die nötige Kühlleistung für die Sekundärkreise bereitzustellen bzw. um Wärme im Wärmepumpenbetrieb aufzunehmen. In den Sekundärkreisen wird ein Wärmetransportmedium verwendet und mithilfe elektrischer Pumpen im Kreis gepumpt. Im Kühlbetrieb wird die Wärme der zu kühlenden Fahrzeugkomponenten bzw. Fahrzeugsysteme an den Sekundärkreis und anschließend an den Primärkreis abgegeben. Im Wärmepumpenbetrieb wird die Abwärme des Kältekreises verwendet, um die Sekundärkreise zu heizen, um anschließend die zu heizenden Fahrzeugkomponenten bzw. Fahrzeugsysteme mithilfe der Sekundärkreise zu heizen.
Dabei ist die Verschaltung der Sekundärkreise untereinander und mit dem Primärkreis heute verhältnismäßig komplex ausgestaltet und auch bezüglich der Regelung sehr komplex. Außerdem ergeben sich durch die abgeleiteten Sekundärkreisarchitekturen in der Regel große Schlauchlängen und oftmals eine fehlende Dynamik des Systems.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug anzugeben, mit dem die Verteilung von Wärmeenergie auf verschiedene Verbraucher im Fahrzeug besonders flexibel, dynamisch und effizient erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug angegeben, umfassend einen Primärkreislauf, in dem ein Kältemittel geführt ist. Das Thermomanagementsystem umfasst ferner einen ersten Sekundärkreislauf, in dem ein von einer warmen Seite des Primärkreislaufs erwärmtes Wärmetransportmedium geführt ist, sowie einen zweiten Sekundärkreislauf, in dem ein von einer kalten Seite des Primärkreislaufs gekühltes Wärmetransportmedium geführt ist. Ferner umfasst das Thermomanagementsystem eine zentrale Verteilereinheit zur Verteilung des Wärmetransportmediums aus dem ersten Sekundärkreislauf und dem zweiten Sekundärkreislauf abhängig von einem ermittelten Bedarf auf eine Anzahl von Zweigleitungen, wobei jede Zweigleitung zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers im Fahrzeug vorgesehen ist oder zur Abgabe oder zur Aufnahme von Wärme an die oder von der Umgebung.
Das Thermomanagementsystem hat den Vorteil, dass durch die zentrale Verteilereinheit Komponenten wie Pumpen und Ventile eingespart werden können, da diese jeweils für alle Zweigleitungen eines Sekundärkreislaufs verwendet werden können. Daraus ergibt sich auch eine Einsparung an Gewicht und Bauraum. Ferner kann typischerweise auch die Gesamtlänge der verlegten Schläuche reduziert werden.
Die zentrale Steuereinheit erlaubt eine logische, weniger komplexe, effiziente und hoch dynamische Fahrschaltung der einzelnen Sekundärkreise eines Klimasystems.
Als Wärmetransportmedium kann ein gängiges Kühlmittel wie beispielsweise Ethylenglycol eingesetzt werden. Als Kältemittel kann beispielsweise CO₂ oder ein anderes gängiges Kältemittel eingesetzt werden.
Die mit Wärme bzw. Kälte zu versorgenden Verbraucher bzw. Schnittstellen zur Umgebung, die hier ebenfalls als „Verbraucher“ bezeichnet werden, können beispielsweise eine Batterie, eine Fahrgastzelle („heating, ventilation and airconditioning“, HVAC), ein Frontend-Kühler oder eine Leistungselektronik des Fahrzeugs sein.
Die zentrale Verteilereinheit kann eine Anzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Ventilen zur Verteilung des Wärmetransportmediums auf die Zweigleitungen aufweisen. Die Ventile können dabei insbesondere als 3-Wegeventile oder Mischventile ausgebildet sein. Insbesondere können jeder Zweigleitung zwei Ventile zugeordnet sein, wobei über ein erstes Ventil der Zulauf und über ein zweites Ventil der Rücklauf dieser Zweigleitung steuerbar ist.
Auf diese Weise kann eine einfache und dynamische Steuerung des Wärmetransports zu den Verbrauchern des Fahrzeugs erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zentrale Verteilereinheit ein Gehäuse auf, in dem die Ventile aufgenommen sind. Insbesondere kann das Gehäuse als Spritzgussteil ausgebildet sein und neben der Ventilmechanik auch die Anschlüsse für den ersten und den zweiten Sekundärkreislauf und für die Zweigleitungen sowie interne Leitungen umfassen. Eine derartige Verteilereinheit kann an einem zentralen Ort im Fahrzeug angeordnet werden und stellt ein sehr kompaktes Wärmestromregelsystem dar.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zentrale Verteilereinheit ferner zumindest eine erste Sammelleitung für warmes Transportmedium und eine zweite Sammelleitung für kaltes Wärmetransportmedium auf. Insbesondere kann die zentrale Verteilereinheit zwei erste Sammelleitungen für warmes Wärmetransportmedium sowie zwei zweite Sammelleitungen für kaltes Wärmetransportmedium aufweisen, wobei eine der ersten Sammelleitungen und eine der zweiten Sammelleitungen als Zulaufsammelleitung ausgebildet sind und die andere erste und zweite Sammelleitung als Rücklaufsammelleitungen ausgebildet sind.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass über die Sammelleitungen besonders einfach Wärmetransportmedium aus den Sekundärkreisläufen in die Zweigleitungen verteilt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weisen der erste Sekundärkreislauf und der zweite Sekundärkreislauf jeweils mindestens eine Pumpe zum Pumpen des Wärmetransportmediums auf. Dabei kann eine derartige Pumpe in dem Sekundärkreislauf selbst angeordnet sein, sie kann jedoch auch abhängig von dem zur Verfügung stehenden Bauraum innerhalb der zentralen Verteilereinheit angeordnet sein, beispielsweise kann eine solche Pumpe in den Sammelleitungen angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zentralen Verteilereinheit eine Steuereinrichtung zu Steuerung der Verteilung des Wärmetransportmediums auf die Zweigleitungen zugeordnet. Eine derartige Steuereinrichtung kann als separates Steuergerät für die Verteilereinheit ausgebildet sein oder kann in einem übergeordneten Steuergerät integriert sein. Falls die Steuereinrichtung als separates Steuergerät für die Verteilereinheit ausgebildet ist, kann diese ebenfalls in der zentralen Verteilereinheit baulich integriert sein.
Die Steuereinrichtung hat die Aufgabe, den Wärmebedarf der Verbraucher zu ermitteln oder ermitteln zu lassen und die Verteilereinheit derart anzusteuern, dass der ermittelte Bedarf gedeckt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit dem beschriebenen Thermomanagementsystem angegeben, wobei das Fahrzeug insbesondere als elektrisch antreibbares Fahrzeug ausgebildet sein kann. Das Thermomanagementsystem ist nicht nur für elektrisch antreibbare Fahrzeuge nutzbar, sondern auch für mit einem Verbrennungsmotorauntreibbare Fahrzeuge. Da jedoch in einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug häufig keine Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Verfügung steht, ist ein effizientes Thermomanagementsystem in einem solchen Fahrzeug besonders vorteilhaft.
Unter einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug wird dabei ein Fahrzeug verstanden, das auch oder ausschließlich mittels elektrischer Energie antreibbar ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figur näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch ein Thermomanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Thermomanagementsystem 1 gemäß 1 gliedert sich in einen Primärkreislauf 3, einen ersten Sekundärkreislauf 5, einen zweiten Sekundärkreislauf 7 sowie eine zentrale Verteilereinheit 9, die aus dem Primärkreislauf 3 entnommene Wärmeenergie auf eine Anzahl von Zweigleitungen 45 verteilt, die eine Anzahl von Verbraucherkreisläufen 29-35 bilden.
Der Primärkreislauf 3 weist in bekannter Form einen Verdichter 11 auf, der das in dem Primärkreislauf 3 geführte Kältemittel verdichtet, wobei es sich erhitzt. Das heiße, derart komprimierte Kältemittel gibt anschließend in dem Kondensator 13 Wärme über den Wärmetauscher 15 an den ersten Sekundärkreislauf 5 bzw. an das in diesem geführte Wärmetransportmedium ab. Beim anschließenden Durchgang durch eine Drossel 17 wird das Kältemittel im Primärkreislauf 3 entspannt, verdampft und kühlt sich ab. Im Verdampfer 19 verdampft das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme, die mittels eines weiteren Wärmetauschers 21 dem zweiten Sekundärkreislauf 7 entzogen wird. Anschließend wird das Kältemittel über einen Sammler 23 wieder zum Verdichter 11 geführt.
Der Primärkreislauf 3 stellt somit auf seiner warmen Seite am Kondensator 13 Wärme zur Verfügung, die mittels des Wärmetauschers 15 dem ersten Sekundärkreislauf 5 zugeführt wird. Ferner stellt der Primärkreislauf 3 auf seiner kalten Seite am Verdampfer 19 Kälte zur Verfügung, die mittels des Wärmetauschers 21 dem zweiten Sekundärkreislauf 7 zugeführt wird.
Die Wärme bzw. Kälte wird nun nicht in bekannter Weise dezentral zu einzelnen Verbrauchern geführt, beispielsweise die Kälte zu einer Fahrgastzellenklimatisierung oder zu einer zu kühlenden Leistungselektronik und die Wärme zu einer Batterieheizung oder zu einer Fahrgastzellenheizung, sondern das im ersten Sekundärkreislauf 5 und im zweiten Sekundärkreislauf 7 zirkulierende Wärmetransportmedium wird zunächst in einer zentralen Verteilereinheit 9 gesammelt.
Dazu weist die zentrale Verteilereinheit 9 eine erste Sammelleitung 37 für warmes Wärmetransportmedium im Vorlauf sowie eine erste Sammelleitung 39 für warmes Wärmetransportmedium im Rücklauf auf. Ferner weist sie eine zweite Sammelleitung 41 für kaltes Wärmetransportmedium im Vorlauf und eine zweite Sammelleitung 43 für kaltes Wärmetransportmedium im Rücklauf auf.
Die ersten Sammelleitungen 37, 39 sind mit dem ersten Sekundärkreislauf 5 verbunden. In diesem wird das Wärmetransportmedium, beispielsweise Ethylenglykol, mittels einer Pumpe 25 zirkuliert. Die zweiten Sammelleitungen 41, 43 sind mit dem zweiten Sekundärkreislauf 7 verbunden. Auch in diesem wird Wärmetransportmedium mittels einer Pumpe 27 zirkuliert.
Die zentrale Verteilereinheit 9 weist eine Anzahl von Ventilen 47 auf, um die Verteilung von warmem bzw. kaltem Wärmetransportmedium auf eine Anzahl von Verbraucherkreisläufen 29-35 zu steuern. In der gezeigten Ausführungsform sind beispielhaft vier Verbraucherkreisläufe 29-35 gezeigt, die beispielsweise Wärme bzw. Kälte für eine Batterie, für eine Fahrgastzelle, für einen Motorkühler sowie für Leistungselektronik des Fahrzeugs zur Verfügung stellen. Diese sind in der Figur lediglich schematisch angedeutet. Es können auch mehr oder weniger Verbraucherkreisläufe vorgesehen sein.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Ventile 47 als Wegeventile oder Mischventile ausgebildet und es ist für jeden Verbraucherkreislauf 29-35 jeweils ein Ventil im Vorlauf und ein Ventil im Rücklauf vorgesehen. Jedes der Ventile ist dabei sowohl mit einer ersten Sammelleitung 37, 39 als auch mit einer zweiten Sammelleitung 41, 43 verbunden, sodass die Temperatur von in einem Verbraucherkreislauf 29-35 geführtem Wärmetransportmedium über einen weiten Bereich steuerbar ist und kontinuierliche Massenströme gewährleistet sind.
In der gezeigten Ausführungsform kann demnach jeder der angeschlossenen Verbraucher sowohl geheizt als auch gekühlt werden. Es ist jedoch auch möglich, für ausgewählte Verbraucher lediglich eine Heiz- oder eine Kühlfunktion vorzusehen.
Zur Steigerung der Effizienz und gegebenenfalls zur Einsparung eines in der Figur nicht gezeigten internen Wärmetauschers im Primärkreis 3 kann auch vorgesehen sein, eine variable interne Verschaltung der Sammelleitungen 37-43 innerhalb der zentralen Verteilereinheit 9 zu ermöglichen.
Die zentrale Verteilereinheit 9 ist in einem Gehäuse integriert, das Anschlüsse für die Sekundärkreisläufe 5,7 sowie für die Verbraucherkreisläufe 29-35 aufweist. Eine derartige zentrale Steuereinheit ermöglicht kurze Schlauchlängen und stellt ein kompaktes Wärmestromregelsystem für ein Fahrzeug dar.
Bezugszeichenliste

1: Thermomanagementsystem
3: Primärkreislauf
5: erster Sekundärkreislauf
7: zweiter Sekundärkreislauf
9: zentrale Verteilereinheit
11: Verdichter
13: Kondensator
15: Wärmetauscher
17: Drossel
19: Verdampfer
21: Wärmetauscher
23: Sammler
25: Pumpe
27: Pumpe
29: Verbraucherkreislauf
31: Verbraucherkreislauf
33: Verbraucherkreislauf
35: Verbraucherkreislauf
37: erste Sammelleitung
39: erste Sammelleitung
41: zweite Sammelleitung
43: zweite Sammelleitung
45: Zweigleitung
47: Ventil

Claims

Thermomanagementsystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend - einen Primärkreislauf (3), in dem ein Kältemittel geführt ist, - einen ersten Sekundärkreislauf (5), in dem ein von einer warmen Seite des Primärkreislaufs (3) erwärmtes Wärmetransportmedium geführt ist, - einen zweiten Sekundärkreislauf (7), in dem ein von einer kalten Seite des Primärkreislaufs (3) gekühltes Wärmetransportmedium geführt ist, - eine zentrale Verteilereinheit (9) zur Verteilung des Wärmetransportmediums aus dem ersten Sekundärkreislauf (5) und dem zweiten Sekundärkreislauf (7) abhängig von einem ermittelten Bedarf auf eine Anzahl von Zweigleitungen (45), wobei jede Zweigleitung (45) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers im Fahrzeug vorgesehen ist.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die zentrale Verteilereinheit (9) eine Anzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Ventilen (47) zur Verteilung des Wärmetransportmediums auf die Zweigleitungen (45) aufweist.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 2, wobei jeder Zweigleitung (45) zwei Ventile (47) zugeordnet sind, wobei über ein erstes Ventil (47) der Zulauf und über ein zweites Ventil (47) der Rücklauf der Zweigleitung (45) steuerbar ist.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zentrale Verteilereinheit (9) ein Gehäuse aufweist, in dem die Ventile (47) aufgenommen sind.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 4, wobei das Gehäuse als Spritzgussteil ausgebildet ist.
Thermomanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zentrale Verteilereinheit (9) ferner zumindest eine erste Sammelleitung (37, 39) für warmes Wärmetransportmedium und eine zweite Sammelleitung (41, 43) für kaltes Wärmetransportmedium aufweist.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 6, wobei die zentrale Verteilereinheit (9) zwei erste Sammelleitungen (37, 39) für warmes Wärmetransportmedium und zwei zweite Sammelleitungen (41, 43) für kaltes Wärmetransportmedium aufweist, wobei eine der ersten Sammelleitungen (37) und eine der zweiten Sammelleitungen (41) als Zulaufsammelleitung ausgebildet sind und die andere erste und zweite Sammelleitung (39, 43) als Rücklaufsammelleitungen ausgebildet sind.
Thermomanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Sekundärkreislauf (5) und der zweite Sekundärkreislauf (7) jeweils mindestens eine Pumpe (25, 27) zum Pumpen des Wärmetransportmediums aufweisen.
Thermomanagementsystem (1) nach Anspruch 8, wobei die Pumpen (25, 27) zum Pumpen des Wärmetransportmediums in der zentralen Verteilereinheit (9) angeordnet sind.
Thermomanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zentralen Verteilereinheit (9) eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Verteilung des Wärmetransportmediums auf die Zweigleitungen (45) zugeordnet ist.
Fahrzeug mit einem Thermomanagementsystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Fahrzeug nach Anspruch 11, das als elektrisch antreibbares Fahrzeug ausgebildet ist.