Fahrzeug zur Personenbeförderung mit elektrischer, gekühlter AntriebsVorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug zur Personenbe förderung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Danach ist ein Fahrzeug zur Personenbeförderung bekannt,

- mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die im Betrieb des Fahrzeuges mittels eines Kühlers dauerhaft gekühlt ist, und

- mit einem Klimagerät zur Klimatisierung eines Fahrgastin nenraums des Fahrzeugs, wobei

- das Klimagerät einen äußeren Wärmeübertrager aufweist, mit tels dem in einem Wärmepumpenbetrieb des Klimagerätes einer Umgebung des Fahrzeugs Wärme dadurch entnommen wird, dass Um gebungsluft durch einen dem äußeren Wärmeübertrager zugeord neten Lüfter an dem äußeren Wärmeübertrager vorbei geführt wird, und

- die elektrische Antriebsvorrichtung mittels eines Kühl kreislaufs gekühlt ist, dessen Kühlmedium mittels des Kühlers temperiert ist.

Solche Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, sind dazu geeignet, für einen Vortrieb des Fahrzeugs zu sorgen, ohne dass eine Oberleitung oder ein Fahrdraht verfügbar sein müs sen. Für solche Anwendungsbereiche wurde in der Vergangenheit auf Diesel-angetriebene Fahrzeuge gesetzt. Zukünftig ist er wartbar, dass diese Fahrzeuge mittels eines auf dem Fahrzeug selbst vorgesehenen Batterie- bzw. Wasserstoffantriebs ausge stattet sein werden. Solche Antriebe zeichnen sich jedoch im Fährbetrieb des Fahrzeugs durch eine erhebliche Wärmeentwick lung aus, so dass sie mit Hilfe eines Kühlers („Chiller") ge kühlt werden müssen. Auch ist es bei einer Abstellung der Fahrzeuge im Winter erforderlich, die betreffenden elektri schen Antriebsvorrichtungen zu heizen. Da die verfügbare Reichweite bei derart angetriebenen Fahrzeugen eine zentrale Bedeutung hat, ist es umso wichtiger, effiziente Systeme ein zusetzen, die möglichst eine geringe Leistungsaufnahme auf weisen.

Insbesondere ein Verdichter des Kühlers entzieht der Batterie hierbei besonders viel Energie, um eine ausreichende Kühl leistung/Heizleistung (Wärmepumpenbetrieb) bereitstellen zu können. Dies verkürzt wiederum eine verfügbare Reichweite des Fahrzeugs. Insbesondere dann, wenn zur Effizienzsteigerung gleichzeitig im Klimagerät für die Fahrgastinnenraum Klimati sierung eine Wärmepumpe betrieben wird, kann es bei Abtau ungsprozessen zur Erhöhung des Energiebedarfs kommen und so mit zur Verminderung der Reichweite des Fahrzeugs.

Dabei wird der Abtauungsprozess für den äußeren Wärmeübertra ger dann ausgelöst, wenn durch den Wärmepumpenbetrieb niedri ge Verdampfungstemperaturen von unter 0°C auftreten und bei weiterem Abkühlen der äußere Wärmeübertrager einfriert.

Der Abtauungsprozess wird durch eine Prozessumkehr im Kälte kreis des Klimagerätes durchgeführt und der „Wärmepumpenpro zess" in einen „Kälteprozess" umgekehrt. Dadurch wird der äu ßere Wärmeübertrager aufgeheizt (Umgebungsluft wird geheizt) und der innere Wärmeübertrager gekühlt (Zuluft wird gekühlt). Grundsätzlich wird die Reihenfolge der Durchströmung von Ver dampfer und Kondensator kältemittelseitig vertauscht. Die Zu luft, die im Winter eigentlich geheizt werden soll, wird nun abgekühlt und mittels eines elektrischen Heizregisters im Klimagerät erneut „gegengeheizt". Es ergibt sich daher für die Dauer des Abtauprozesses ein erheblicher Energieverbrauch für den Kompressor/Verdichter und das Heizregister des Klima gerätes, was energetisch den Nutzen der Wärmepumpe im Mittel deutlich mindert.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzuentwi ckeln, dass ein Energiebedarf vermindert und eine Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Fahrzeug gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Danach zeichnet sich das oben beschriebene Fahrzeug dadurch aus, dass bezogen auf den von dem Lüfter erzeugten Umgebungs luftstrom, dem äußeren Wärmeübertrager des Klimagerätes ein Abwärme-Wärmeübertrager vorgeschaltet ist, der mit von der elektrischen Antriebsvorrichtung zu dem Kühler zurückströmen den Kühlmedium beaufschlagt ist.

Es ist daher vorgesehen, dass von der elektrischen Antriebs vorrichtung, beispielsweise einer Batterie oder Brennstoff zelle, zu dem Kühler zurückströmendes Kühlmedium dafür ge nutzt wird, den Umgebungsluftstrom vorzuerwärmen, so dass ein Vereisen des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers des Klimagerä tes entweder wirksam verhindert oder eine aufkommende Verei sung dieses Wärmeübertragers in ihrer Ausprägung reduziert wird.

Durch die thermische Wechselwirkung des Kühlmediums des bei spielsweise Batteriekühlkreises mit der Batterie zu deren Kühlung liegt bei dem zurückströmenden Kühlmedium eine erhöh te Temperatur vor, wenn sich der Kühler im Kühlmodus befin det. Das derart temperierte Kühlmedium wird mit Hilfe des von diesem Kühlmedium durchströmten, vorgeschalteten Abwärme- Wärmeübertragers genutzt, um eine Vorerwärmung des Umgebungs luftstroms unmittelbar vor dem äußeren Wärmeübertrager des Klimagerätes zu bewerkstelligen. Im niedrigen Außentempera turbereich kann die Kühlung der Batterie vorzugsweise ohne einen Verdichter des Kühlkreislaufs für die elektrische An triebsvorrichtung sondern mit Außenluft erfolgen, mit der der Abwärme-Wärmeübertrager beaufschlagt ist. Sowohl für den Wir kungsgrad der Wärmepumpe als auch für den Abtauprozess im Wärmepumpenbetrieb kann die Abwärme der Batteriekühlung zur Effizienzsteigerung durch eine Kondensatorluftvorerwärmung genutzt werden. Im Ergebnis wird der Abtauprozess gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise zu tieferen Außentemperaturen verschoben. Die Vereisung des äußeren Wärmeübertragers wird im Wärmepumpen prozess wirksam vermindert. Vielmehr ist es möglich, dass während einer Enteisung des äußeren Wärmeübertragers mit Hil fe der Abwärme der elektrischen Antriebsvorrichtung der Ver dichter des Kühlers weniger oder nicht beansprucht werden muss und somit im Betrieb des Fahrzeugs weniger elektrische Leistung benötigt.

Bevorzugt ist eine Eingangsseite des vorgeschalteten Abwärme- Wärmeübertragers mit einer Eingangsseite eines Verdampfers des Kühlers und eine Ausgangsseite des vorgeschalteten Abwär me-Wärmeübertragers mit einer Ausgangsseite des Verdampfers des Kühlers jeweils strömungstechnisch verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass von der elektrischen Antriebsein richtung zurückströmendes, erwärmtes Kühlmedium zu dem vorge schalteten Abwärme-Wärmeübertrager gelangt und dort eine Vor erwärmung des Umgebungsluftstroms herbeiführt, wonach es zum Kühler zurückgeführt wird.

Die elektrische Antriebsvorrichtung kann bevorzugt von einer Batterie (anordnung) oder einer Brennstoffzelle(nanordnung) gebildet sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich bevorzugt um ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, wie eine Lokomotive, einen Triebzug usw., handeln.

Der äußere Wärmeübertrager des Klimagerätes kann mit einem Temperatursensor zum Feststellen einer insbesondere im Wärme pumpenbetrieb möglichen Vereisung des äußeren Wärmeübertra gers ausgestattet sein. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Steuereinrichtung des Klimagerätes bei Feststellen einer Vereisung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers einen Kreis lauf des Klimagerätes, insbesondere dessen Verdichter, deak tiviert. Alsdann kann der vorgeschaltete Abwärme- Wärmeübertrager bei stillgelegtem Kreislauf des Klimagerätes zur Enteisung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers des Klima gerätes verwendet werden. Nach Abtauen des äußeren Wärmeüber- tragers ist eine Wiederaufnahme des Betriebs des Klimagerätes möglich .

Bevorzugt ist der Kühlkreislauf für die elektrische Antriebs vorrichtung von dem Klimagerät mittels Ventilen abtrennbar. Dies ist für einen Kühlbetrieb des Klimagerätes im Sommer vorteilhaft, da der äußere Wärmetauscher nicht zusätzlich mit Abwärme aus dem Kühlkreislauf für die elektrische Antriebs vorrichtung beaufschlagt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur noch näher erläutert, wobei auch enthaltene Tempe raturangaben nur beispielhaft gemeint sind und von der Art der eingesetzten elektrischen Antriebsvorrichtung abhängen können. Die einzige Figur zeigt eine schematische Blockdia grammdarstellung eines Klimagerätes in Kombination mit einem Kühler bei einem batteriebetriebenen Schienenfahrzeug.

Die Figur gliedert sich in einen oberen Teil, der ein für ei nen Winterbetrieb z. B. eines Fahrzeugs im Wärmepumpenmodus befindliches Klimagerät 1 für einen Fahrgastinnenraum eines Schienenfahrzeugs veranschaulicht und einen unteren Teil, der einen im Kühlmodus befindlichen Kühler („Chiller") 2 für eine Antriebsbatterie des Schienenfahrzeugs zeigt. Statt eines Batterieantriebs kann gleichermaßen ein Brennstoffzellenan trieb vorgesehen sein, für den die nachstehenden Beschreibun gen genauso gelten.

Das Klimagerät 1 umfasst einen Luftbehandlerteil 3, der zum Konditionieren von Zuluft 4 (z. B. 35 bis 45 °C bei Verlassen des Luftbehandlerteils 3) für einen Fahrgastinnenraum des Schienenfahrzeugs dient. Dazu weist der Luftbehandlerteil 3 einen Zulüfter 5 zum Ansaugen von Frischluft/Umluft, ein Luftfilter 6 und einen Kondensator 7 auf, der von einem Käl temittel des Klimageräts 1 durchströmt ist und thermisch mit der angesaugten Frischluft/Umluft wechselwirkt. Des Weiteren weist das Klimagerät 1 außerhalb des Luftbehand lerteils 3 einen Verdichter 8, einen äußeren Wärmeübertrager (Verdampfer) 9 und ein Expansionsventil 10 auf.

Das Klimagerät 1 kann sowohl in einem Heiz- als auch in einem Kühlbetrieb verwendet werden. Wird das Klimagerät 1 für Heiz zwecke verwendet, arbeitet es, wie in der Figur dargestellt, als Wärmepumpe, wobei am äußeren Wärmeübertrager 9 der Umge bungsluft, die mittels eines Lüfters 11 an dem äußeren Wärme übertrager 9 vorbeigeführt wird, thermische Energie entzogen wird, um das Kühlmedium des Klimagerätes 1 aufzuheizen. Bei spielhaft betragen die Temperaturen der in den Lüfter 11 ein tretenden Umgebungsluft -20 bis 10 °C und am äußeren Wärme übertrager 9 -5 bis -10 °C. Nach Wärmeaustausch zwischen dem äußeren Wärmeübertrager 9 und dem Kühlmedium des Klimagerätes 1 hat das Kühlmedium eine Temperatur von -15 bis 0°C. Nach Verlassen des äußeren Wärmeübertragers 9 gelangt das erwärmte Kühlmedium über den Verdichter 8 zu dem Kondensator 7 des Klimagerätes 1. Bei Eintritt in den Kondensator 7 liegt die Temperatur des Kühlmediums bei 65 bis 55 °C.

Beim Betrieb des Klimagerätes 1 als Wärmepumpe kann es je nach vorliegender Umgebungslufttemperatur zu einer Vereisung des äußeren Wärmeübertragers 9 kommen.

Um einer Vereisung des äußeren Wärmeübertragers 9 vorzubeugen bzw. dieser entgegenzuwirken, ist dem äußeren Wärmeübertrager 9, bezogen auf eine Strömungsrichtung des Umgebungsluftstroms 12 ein Abwärme-Wärmeübertrager 13 vorgeschaltet, der zwischen dem Lüfter 11 und dem äußeren Wärmeübertrager 9 angeordnet ist. Die Temperatur der Umgebungsluft am Abwärme- Wärmeübertrager 13 beträgt 10 bis 18 °C.

Der vorgesehene Abwärme-Wärmeübertrager 13 wird von einem Kühlmedium, hier Wasser, eines Batteriekühlkreises 14 durch strömt. Eine Vorlauftemperatur des Kühlmediums des Batteriekühlkrei- seswird von dem Kühler 2 bestimmt. Der Kühler 2 umfasst einen Verdichter 15, einen Kondensator 16 nebst zugehörigem Konden sator-Lüfter 17, ein Expansionsventil 18 und einen Verdampfer 19.

Am Verdampfer 19 des Kühlers 2 erfolgt eine thermische Wech selwirkung eines Kühlmediums des Kühler-Kreislaufs mit dem Kältemittel des Batteriekühlkreises 14. Insbesondere der Ver dichter 15, der wie das gesamte Schienenfahrzeug über die Batterieanordnung mit elektrischer Leistung versorgt ist, be nötigt für seinen Betrieb in erheblichem Maße elektrische Leistung. Dies gilt gleichermaßen in einem Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs, wenn die Batterieanordnung zu kühlen ist wie auch in dem Fall, wenn das Fahrzeug abgestellt ist und beispielsweise im Winter die Batterieanordnung zur Einhaltung ihrer vorgegebenen Betriebstemperaturen erwärmt werden muss. Im Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs befindet sich der Kühler 2 in seinem Kühlmodus, wobei eine Vorlauftemperatur in einer Zuleitung 20 des Batteriekühlkreises 14 deutlich niedriger (z. B. 15-20 °C) ist als eine Rücklauftemperatur (z. B. 18-25 °C) in einer Rückleitung 21.

Vor Erreichen des Verdampfers 19 wird aus der Rückleitung 21 des Batteriekühlkreises 14 durch den Kühlvorgang der Batte rieanordnung erwärmtes Kühlwasser dem Abwärme-Wärmeübertrager 13 zugeleitet, der dem äußeren Wärmeübertrager 9 des Klimage rätes 1 vorgeschaltet ist. Durch die thermische Wechselwir kung des erwärmten Kühlwassers mit der Umgebungsluft am Ab wärme-Wärmeübertrager 13 wird die Umgebungsluft vorerwärmt. Die vorerwärmte Umgebungsluft bewirkt, dass entweder einer Vereisung das äußeren Wärmeübertragers 9 des Klimagerätes 1 entgegen gewirkt oder sogar eine Vereisung des äußeren Wärme übertragers 9 vollständig vermieden wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass ein Abtauen des äußeren Wärmeübertragers 9 im dann vorliegenden „Kälteprozess" des Klimagerätes ohne Ein satz eines Heizregisters 23 zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastinnenraum herbeigeführt werden kann oder das Heizre- gister mit geringerer elektrischer Leistung betrieben werden kann.

Gleichzeitig wird das am Abwärme-Wärmeübertrager 13 entwärmte Kühlwasser zur Zuleitung 20 des Batteriekühlkreises 14 zu rückgeführt. Bezogen auf eine von einer Pumpe 22 in der Rück leitung 21 bestimmte Strömungrichtung des Kühlwassers des Batteriekühlkreises 14 ist somit eine Eingangsseite des vor geschalteten Abwärme-Wärmeübertragers 13 mit einer Eingangs seite des Verdampfers 19 des Kühlers 2 und eine Ausgangsseite des vorgeschalteten Abwärme-Wärmeübertragers 13 mit einer Ausgangsseite des Verdampfers 19 des Kühlers jeweils strö mungstechnisch verbunden.

Da somit ein Teil des über die Rückleitung 21 zum Kühler 2 zurückströmenden Kühlwassers durch den Vorerwärmungsprozess am Abwärme-Wärmeübertrager 13 vollzogen wird, kann der Ver dichter 15 mit geringerer elektrischer Leistung betrieben werden, da er nicht sämtliches erwärmtes, über die Rücklei tung 21 zum Verdampfer 19 gelangendes Kühlwasser auf eine ge eignete Temperatur herunterkühlen muss. Abhängig davon, in welchem Umfang das Kühlwasser bereits an dem Abwärme- Wärmeübertrager 13 entwärmt worden ist, kann ggf. auf einen Betrieb eines Verdichters 15 vollständig verzichtet werden, was eine erhebliche Einsparung elektrischer Leistung mit sich bringt.

Im Ergebnis ist festzustellen, dass durch die Vorerwärmung der Umgebungsluft am Abwärme-Wärmeübertrager 13 für Abtau ungsprozesse des äußeren Wärmeübertragers 9 elektrische Leis tung für ein vorgesehenes Heizregister eingespart werden kann. Zudem wird auch durch einen energiesparenderen Betrieb des Verdichters 15 elektrische Leistung eingespart. Insofern bewirken die vorgenommenen Maßnahmen einen geringeren Ver brauch elektrischer Leistung für das Gesamtsystem aus Klima gerät 1, Kühler 2 und Batteriekühlkreis 14. Insbesondere für einen Sommerbetrieb ist vorgesehen, dass mittels Ventilen 24,25 der Kühlkreislauf für die elektrische Antriebsvorrichtung von dem Klimagerät 1 abtrennbar ist. In diesem Fall wechselwirkt das erwärmte Kühlwasser ausschließ- lieh mit dem Verdampfer 19 des Kühlers 2.

Zudem ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der äußere Abwärme-Wärmeübertrager 9 des Klimagerätes 1 mit einem am äußeren Wärmeübertrager 9 angeordneten Temperatursensor 26 zum Feststellen einer Vereisung des äußeren Abwärme-

Wärmeübertragers 9 ausgestattet ist. Außerdem gehen in die Bewertung, ob ein Abtauvorgang erforderlich ist oder nicht, noch Messwerte ein, die von einem Sauggastemperatursensor 27, einem Saugdrucksensor 28 und ggf. auch von einem Hochdruck- sensor 29 bereit gestellt werden. Die Sensoren 26, 27, 28, 29 sind sämtlich mit einer Steuereinrichtung 30 des Klimagerätes 1 signaltechnisch verbunden und bei Feststellen einer Verei sung des äußeren Abwärme-Wärmeübertragers 9, die einen Abtau vorgang erforderlich macht, wird der Kreislauf des Klimagerä- tes 1 durch die Steuereinrichtung deaktiviert.