CN110654201A - 用于加热车辆内部的加热系统和方法以及机动车辆 - Google Patents

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Abstract

提供了用于加热车辆2内部的加热系统1，其具有带有热量存储介质4的空气‑空气热量交换器3，并且该空气‑空气热量交换器3设计成在从内部5抽出的排气6和从车辆环境7供给到内部5的进气9之间、在排气6和热量存储介质4之间以及在进气8和热量存储介质4之间传递热量。还提供了具有这种加热系统1的机动车辆，以及用于加热车辆2的内部5的方法。

Description

用于加热车辆内部的加热系统和方法以及机动车辆
技术领域
本发明涉及一种用于加热车辆内部的加热系统、一种具有这种加热系统的机动车辆以及一种用于加热车辆内部的方法。
背景技术
当前和未来的车辆驱动系统由于其提高的效率而仅产生少量的废弃热量。特别是电驱动系统由于其高效率而在冷启动之后仅提供少量可用的废弃热量，或者在某些情况下甚至没有废弃热量。
对于内部舒适性以及对于与安全相关的方面，例如保持窗户无雾，或除冰窗户(除霜功能)，相应的，大部分电、辅助加热系统安装在车辆中。只要通过燃料中所含的化学能的转换产生电能，例如在传统的内燃发动机中，这些辅助加热系统就经常导致更大的燃料消耗。在电驱动的情况下，辅助加热系统的能量需求大部分由存储在牵引电池中的电能提供，然而，这导致行驶里程的显著减小。
发明内容
因此，本发明的目的是指出可以弥补上述缺点的可行性。特别是，要提高车辆中加热系统的效率。例如，要减少额外的燃料消耗，和/或使从用于加热系统的牵引电池中提取的能量所导致的行驶里程减小最小化。
该目的通过所提供的独立权利要求来实现。在从属权利要求中详细说明了本发明的有利改进。
本发明的基本构思是详细说明一种用于加热车辆内部的加热系统，其使用从内部出来的气流的排气热量和其他部件的废弃热量。加热系统具有热量存储功能，其可以储存过量的热能用于后续使用。例如，相变材料可用作用于此目的的热量存储介质。
根据本发明的用于加热车辆内部的加热系统具有带有热量存储介质的空气-空气热量交换器。该空气-空气热量交换器设计用于在从车辆内部抽出的排气和从车辆环境(即，从外部)供应到内部的进气之间，在排气和热量存储介质之间，以及在进气和热量存储介质之间传递热量。
热量存储介质应理解为介质，例如一种可以吸收热量并将其送回的液体。热量存储介质能够储存例如来自排气的热量用于例如如果要在稍后的时间点加热进气的后续使用。由此可以更快速和更有效地加热进气，使得例如可能更快地加热内部。由于使用排气的废弃热量，因此需要较少的额外能量。如果从燃料提供额外的能量，因此则可以减少燃料消耗。如果从牵引电池提取额外的能量，则可以增加行驶里程。
根据各种实施例变型，加热系统可具有空气-冷却剂热量交换器，其设计成在冷却剂和进气之间传递热量。空气-冷却剂热量交换器可以相对于进气的流动方向布置在空气-空气热量交换器的上游或下游。换句话说，空气-空气热量交换器和空气-冷却剂热量交换器串联布置。空气-空气热量交换器下游的空气-冷却剂热量交换器的布置可能使空气-空气热量交换器的效率更高，因为冷却剂温度通常高于排气的温度。
空气-冷却剂热量交换器使得进气能够通过从加热的冷却剂到进气的热量传递而被加热。冷却剂可以是例如车辆中使用的冷却剂(例如在发动机冷却回路中使用的冷却剂或用于冷却牵引电池的冷却剂)，或者提供额外的冷却剂。冷却剂本身可以借助于车辆的各种部件部分的废弃热量来加热，例如借助于车辆发动机的废弃热量和/或牵引电池的废弃热量来加热。附加地或替代地，还存在冷却剂的电加热的可行性。
作为借助于空气-空气热量交换器的加热的替代或补充，可以借助于空气-冷却剂热量交换器来加热进气。可以有利地使用其他废弃热量，使得可以进一步减少燃料消耗，或者进一步增加行驶里程。
根据另外的实施例变型，加热系统可以具有旁通，旁通具有旁通通道和流量控制装置，用于使进气绕过空气-空气热量交换器。
换句话说，进气可以通过旁通，以绕过空气-空气热量交换器。旁通可以优选地设计成仅绕过空气-空气热量交换器而不绕过空气-冷却剂热量交换器。即使在绕过空气-空气热量交换器时，仍然可以借助于空气-冷却剂热量交换器加热进气。
流量控制装置可以实现为例如翻盖或阀门。它用于将进气分配到旁通通道和空气-空气热量交换器。流量控制装置可以优选地布置在旁通通道的起始或端部处。流量控制装置可以借助于控制单元控制，该控制单元发出控制信号以设定流量控制装置的位置。控制信号可以例如根据进气的温度和/或根据排气的温度和/或根据冷却剂的温度，并且根据内部期望的温度而发出。
如果不希望在进气和排气之间以及在进气和热量存储介质之间传递热量，而是需要在排气和热量存储介质之间传递热量，则使进气绕过空气-空气热量交换器可能是有利的。可能是这种情况：例如一方面不需要进气的加热或仅需要轻微加热，这可能例如借助于空气-冷却剂热量交换器实现，并且另一方面，热量将从排气传递到热量存储介质，即热量存储介质将被再充能。在这种情况下，因为没有空气被输送到进气，绕过空气-空气热量交换器使得可以有效地对热量存储介质充能。
根据另外的实施例变型，热量存储介质可以是相变材料(PCM)。在这种情况下，热量存储介质也可以称为潜在热量存储介质。
用作潜在热量存储介质的是相变材料，其潜在熔化热量、溶液热量或吸收热量大于它们能够在其正常比热容的基础上储存的热量。因此，除了比热容之外，例如从液体到固体的相转变的潜在热量，也可用于热能的储存。
优选地，可以使用相变材料，利用了其从液体到固体和反之亦然(即固化或熔化)的相转变。固-液相转变的相转变温度应优选在0℃至40℃的温度范围之间，进一步优选在5℃至30℃之间，特别优选在10℃至25℃之间。
例如，盐水合物，含有盐水合物或链烷烃的混合物可用作相变材料。
使用相变材料作为热量存储介质有利地能够储存大量的热量，而介质的空间需求很小。
根据另外的实施例变型，加热系统可以具有电加热元件，热量能够借助于电加热元件供应到热量存储介质。
电加热元件可以用过量的电能操作，例如用在电动车辆或混合动力电动车辆的制动阶段期间产生的电能。因此，所产生的能量可以有利地重新用于加热热量存储介质，并且不需要除此以外的消散。
根据另外的实施例变型，可以借助于调温装置将热量供应到热量存储介质。该调温装置可以是例如前面描述的冷却剂。
例如，来自待冷却的部件部分(例如内燃发动机)的废弃热量、其他部件(例如电驱动系统的部件)的废弃热量或在电池充电操作期间产生的废弃热量，可以被传递到调温装置并且从调温装置传递到热量存储介质。由此可以提供废弃热量以便于使用，并且可以改善整体能量平衡。
根据本发明的机动车辆具有前述加热系统之一。机动车辆应理解为由发动机驱动的车辆，例如，陆地车辆、飞机或水上运输工具。机动车辆可以实现为电动或混合动力电动车辆，例如为轻度混合动力电动车辆或全混合动力电动车辆。
根据本发明的机动车辆的优点对应于根据本发明的加热系统及其相应的实施例变型的优点。此外，本发明在机动车辆的情况下特别有利，因为减少了燃料消耗，它可以有助于遵守关于空气污染物的可允许排放的严格法律要求。
优选地，待加热的机动车辆的内部可以被密封和/或隔离。由此可以避免在内部和车辆环境之间的不希望的热量传递，并且可以进一步改善能量平衡。
根据本发明的用于加热车辆内部的方法包括从车辆环境向具有热量存储介质的空气-空气热量交换器供应进气、从内部向空气-空气热量交换器供应排气，并且借助于空气-空气热量交换器将热量从排气传递到进气、从排气传递到热量存储介质，和/或从热量存储介质传递到进气。
根据本发明的方法可以例如借助于上面解释的根据本发明的加热系统来执行。就此而言，解释根据本发明的加热系统的上述陈述也用于描述根据本发明的方法。根据本发明的方法的优点对应于根据本发明的加热系统及其相应的实施例变型的优点。
相变材料可以优选地用作热量存储介质。
所提到的热量传输操作优选地不是同时进行，而是具有时移，例如陆续。例如，可以同时执行从排气到进气的热量传递以及从热量存储介质到进气的热量传递，但是在不同的时间点将热量从排气传递到热量存储介质。
根据各种实施例变型，该方法可以包括将进气供应到布置在空气-空气热量交换器的上游或下游的空气-冷却剂热量交换器，并且借助于空气-冷却剂热量交换器将热量从冷却剂传递到进气。
根据另外的实施例变型，只要需要加热进气，热量就可以从排气传递到进气，和/或热量可以从热量存储介质传递到进气。
例如在冷启动之后或在外部温度低的情况下，使内部温度能够快速升高可能是必要的。特别地，如果其他部件的废弃热量只能通过冷却剂在有限程度上可用于空气-冷却剂热量交换器，则可以实现从热量存储介质到进气的热量传递。以这种方式，可以避免或至少减少进气的附加(电)加热，和/或可以增加进入内部的进气的输出温度。
根据另外的实施例变型，只要不需要借助于空气-空气热量交换器加热进气，热量就可以从排气传递到热量存储介质。
可能是这种情况，例如不需要加热进气，或者可以借助于空气-冷却剂热量交换器充分加热进气，例如在已经加热的内部的情况下，其温度不再增加，而仅是保持。
换句话说，排气中的过量热量可以传递到热量存储介质。只要在排气温度和热量存储介质的温度之间存在温度梯度，就会存在过量的热能。
如果热量从排气传递到热量存储介质，则有利地，空气-空气热量交换器可以被进气绕过。例如，如前所述的旁通可用于此目的。因此，排气中的过量的热量可用于给热量存储介质充能，并且不会传递到进气。
根据另外的实施例变型，该方法可以包括借助于调温装置和/或借助于电加热元件向热量存储介质提供热量。
在这种情况下，调温装置可以借助于内燃发动机的废弃热量、其他部件(例如电驱动系统的部件)的废弃热量、或者借助于在电池充电操作期间产生的废弃热量来加热，和/或在制动操作期间产生的电能可提供给电加热元件。这可以进一步改善能量平衡。
附图说明
从以下描述和图例中可以明显看出本发明的其他优点。如图所示：
图1是一种示例性设计中的热量存储介质；
图2是标准模式下的加热系统；
图3是辅助加热模式下的加热系统，和
图4是处于热量存储模式的加热系统。
具体实施方式
在示例性设计中的加热系统1在图1中示出。加热系统1用于加热车辆2的内部5。加热系统1优选地布置在车辆2内。在图1中，仅为了简化图例，加热系统1表示在车辆2的外部。
加热系统1具有空气-空气热量交换器3，空气-空气热量交换器3中具有相变材料，该相变材料作为热量存储介质4。借助于空气-空气热量交换器3，热量可以在从车辆2的内部5抽出的排气6和从车辆环境7提供到车辆2的内部5的进气8之间传递。换句话说，排气6的过量热量可以传递到进气8。
加热系统1另外具有空气-冷却剂热量交换器9，该空气-冷却剂热量交换器9布置在空气-空气热量交换器3的下游。借助于空气-冷却剂热量交换器9，热量可以在加热的冷却剂10和进气8之间传递。换句话说，冷却剂10的过量热量可以传递到进气8。冷却剂10可以已经被加热，或者能够被加热，例如，通过内燃发动机的废弃热量、其他部件(例如电驱动系统的组件)的废弃热量或电池充电操作期间产生的废弃热量。可选地，冷却剂也可以电加热，例如，借助于恢复产生的电能。
加热系统1另外具有旁通11，通过旁通11，对于进气8，可以绕过空气-空气热量交换器3。为此目的，旁通11具有旁通通道12和流量控制装置13，在示例性实施例中，流量控制装置13实现为空气调节襟翼。根据空气调节襟翼的位置，可以确定进气是否流过旁通通道12或通过空气-空气热量交换器3。为此，可以借助于控制装置(未示出)来控制空气调节襟翼，例如取决于进气8的温度和/或排气6的温度和/或冷却剂10的温度，以及内部5的期望温度。
可选地，加热系统1可以具有电加热元件(未示出)，借助于该电加热元件可以加热热量存储介质4。此外，可选地，可以借助于调温装置给热量存储介质4提供加热。
图2以标准模式示出了图1的加热系统1。在标准模式中，热量存储介质4不执行任何功能。这可能是这种情况，例如，热量存储介质4未预先充能，即没有热量供应到热量存储介质4用于存储，或者热量存储介质4已经被放能，即不能再提供热量。如果车辆2的内部5中的空气不循环，即如果内部加热不是在空气循环模式下操作，而是从车辆环境7的进气8供应到内部5，则也可以使用标准模式。
换句话说，暖空气将作为排气6从内部抽出，例如，在+15° C的温度下，并由最初的冷进气(环境温度，例如-10° C)代替。为了避免降低内部5中的温度或者增加内部5中的温度，可以借助于空气-空气热量交换器3利用暖排气6预热冷进气8。
为此，将进气8和排气6供应到空气-空气热量交换器3，并且热量从排气6传递到进气8。旁通11在标准操作模式中不是必需的，因此在图2中用虚线表示。因此，设定流量控制装置13，使得进气8流过空气-空气热量交换器3，但不流过旁通通道12。
在流过空气-空气热量交换器3之后，进气8可以具有例如-5℃的温度，即温度已经增加了5K。因此，可以重复使用排气6排出的大部分热量。
在流过空气-空气热量交换器3之后，预热的进气8，例如温度为-5℃，进入空气-冷却剂热量交换器9。在空气-冷却剂热量交换器9中，进气8被进一步加热，其中来自冷却剂10的热量，冷却剂10可以具有例如+35℃的温度被传递到进气8。在流过空气-冷却剂热量交换器9之后，进气8可以具有例如+25℃的温度，即温度已经增加了30K，因此总共增加35K。然后，加热的进气8被供应到车辆2的内部5。
必须指出的是，上面和下面所述的温度和温度差异仅仅被视为实施例，其旨在说明本发明的基本原理。温度和温度差异可能不同，例如根据热量交换器的具体设计和实际温度条件。
图3示出了处于辅助加热模式的图1的加热系统1，其中，与标准模式(参见图2)相反，借助于来自热量存储介质4向进气8的热量传递另外加热进气8。在图3中，与图2相比，这由热量存储介质4的更致密的结构来表示。
辅助加热模式可以用于例如车辆2的冷启动之后。冷启动之后，其他部件(例如内燃发动机)的废弃热量仅在有限的程度上可用，使得冷却剂10不被加热，或者仅被轻微加热，因此不可能或者最多在很小程度上可能借助于空气-冷却剂热量交换器9加热进气8。
与标准模式不同，在辅助加热模式中，可以借助于空气-空气热量交换器3更大程度地加热进气8，例如从-10℃到+5℃，即15K(温度另外与关于图2所述的温度相同)。借助于空气-冷却剂热量交换器9，为了使直接供应到内部5的进气8达到25℃的所需温度，进一步升高温度仅需要20K(而不是如图2的情况中的30K)。
在辅助加热模式中，可以进一步减少额外的加热功率，或者可以进一步增加进入内部5的输出温度。在其他方面，与标准操作模式(图2)有关的描述也适用于辅助加热模式。
图4示出了处于热量存储模式的图1的加热系统1。在热量存储模式中，热量存储介质4可以被充能，因为来自排气6的热量被传递到热量存储介质4。在图4中，与图2和图3相比，这通过更加密集的热量存储介质4的结构来表示。
例如，如果不需要借助于空气-空气热量交换器3对进气8进行加热，例如在车辆环境7中温度适中的情况下，例如+10℃，则可以实施热量存储模式。在这种情况下，在空气冷却剂热量交换器9中借助于从冷却剂10到进气8的热量传递的加热足以加热进气8。如果内部5已经被加热并且仅需要维持内部5中的温度，则可以进一步使用热量存储模式，同样，在空气冷却剂热量交换器9中，借助于从冷却剂10到进气8的热量传递来加热进气8是足够的。
在热量存储模式中，对于进气8，借助于旁通11绕过空气-空气热量交换器3。为此目的，流量控制装置13是或可以定位成使得进气8流过旁通通道12，但不流过空气-空气热量交换器3。在流过旁通通道12之后，例如在温度为10℃，即温度不变，进气8重新加入标准模式或辅助加热模式的流动路径，并流过空气-冷却剂热量交换器9，如图2所示。在空气-冷却剂热量交换器9中，温度可以进一步增加，例如从+10℃到+25℃。
可选地，热量存储介质4也可以借助于温的调温装置充能，例如，借助于温的冷却剂10或借助于电加热元件(未示出)。有利地，过量的热量用于此目的，例如，在车辆2的行驶操作期间或在电池充电操作期间，或者也来自制动阶段的电能，部件部分增加的废弃热量待冷却。
尽管已经借助于优选的示例性实施例更详细地说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从中得出其他变型，而不脱离本发明的保护范围。
附图不一定详细或比例真实，并且可以以放大或缩小的形式表示以便提供更大的清晰度。因此，这里公开的功能细节对本领域技术人员不应被理解为限制，而仅仅作为说明性基础，用于以多种方式应用本发明。
当在一系列两个或更多个元件中使用时，这里使用的表达“和/或”意味着可以单独使用所列元件中的每一个，或者可以使用所列元件中的两个或更多个的任何组合。例如，如果描述含有组分A、B和/或C的组合物，则该组合物可仅含有A；仅B；仅C；A和B组合；A和C组合；B和C组合；或A，B和C的组合。
附图标记列表：
1 加热系统
2 车辆
3 空气-空气热量交换器
4 热量存储介质
5 内部
6 排气
7 车辆环境
8 进气
9 空气-冷却剂热量交换器
10 冷却剂
11 旁通
12 旁通通道
13 流量控制装置

Claims (15)

1.一种用于加热车辆(2)内部的加热系统(1)，包括：
具有热量存储介质(4)的空气-空气热量交换器(3)，所述空气-空气热量交换器(3)设计用于在从内部(5)抽出的排气(6)和从车辆环境(7)供应到所述内部(5)的进气(8)之间、所述排气(6)和所述热量存储介质(4)之间以及所述进气(8)和所述热量存储介质(4)之间传递热量。
2.根据权利要求1所述的加热系统(1)，包括：
空气-冷却剂热量交换器(9)，所述空气-冷却剂热量交换器(9)设计用于在冷却剂(10)和所述进气(8)之间传递热量，所述空气-冷却剂热量交换器(9)相对于所述进气(8)的流动方向布置在所述空气-空气热量交换器(3)的上游或下游。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统(1)，包括：
旁通(11)，所述旁通(11)具有旁通通道(12)和流量控制装置(13)，用于使所述进气(8)绕过所述空气-空气热量交换器(3)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统(1)，
所述热量存储介质(4)是相变材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统(1)，包括：
电加热元件，热量能够借助于所述电加热元件供应到所述热量存储介质(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统(1)，
热量能够借助于调温装置供应到所述热量存储介质(4)。
7.根据权利要求5或6所述的热量存储介质(1)，
在制动操作期间产生的电量能够被供应到所述电加热元件，和/或能够借助于内燃发动机的废弃热量、其他部件的废弃热量，或通过电池充电操作期间产生的废弃热量加热所述调温装置。
8.一种机动车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的加热系统(1)。
9.一种用于加热车辆(2)的内部(5)的方法，包括：
从车辆环境(7)向具有热量存储介质(4)的空气-空气热量交换器(3)供应进气(8)，
从所述内部(5)向所述空气-空气热量交换器(3)供应排气(6)，和
借助于所述空气-空气热量交换器(3)将热量从所述排气(6)传递到所述进气(8)，从所述排气(6)传递到所述热量存储介质(4)，和/或从所述热量存储介质(4)传递到所述进气(8)。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：
将所述进气(8)供应到布置在所述空气-空气热量交换器(3)的上游或下游的空气-冷却剂热量交换器(9)，以及
借助于所述空气-冷却剂热量交换器(9)将热量从冷却剂(10)传递到所述进气(8)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
只要需要加热所述进气(8)，热量就从所述排气(6)传递到所述进气(8)，和/或热量就从所述热量存储介质(4)传递到所述进气(8)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，
只要不需要借助于所述空气-空气热量交换器(3)加热所述进气(8)，热量就从所述排气(6)传递到所述热量存储介质(4)。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：
使所述进气(8)绕过所述空气-空气热量交换器(3)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，包括：
借助于调温装置和/或借助于电加热元件向所述热量存储介质(4)提供热量。
15.根据权利要求14所述的方法，
所述调温装置借助于内燃发动机的废弃热量、其他部件的废弃热量，或
借助于在电池充电操作期间产生的废弃热量来加热，和/或在制动操作期间产生的电能提供给所述电加热元件。
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