DE102008037342A1

DE102008037342A1 - Kühlung eines Kühlfluids in Hybrid-Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102008037342A1
Application number: DE102008037342A
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Hüttinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Für Hybridfahrzeuge wird vorgeschlagen, ein thermoelektrisches Element, das zwischen Abgasstrang des Verbrennungsmotors und Motorkühler vorhanden ist, einzusetzen, um ein Kühlfluid zu kühlen, das in einem Fluidkanal am thermoelektrischen Element vorbeigeleitet wird. Das Kühlfluid kann für eine Innenraumklimatisierung für das Fahrzeug verwendet werden.

Description

Durch die steigenden Energiepreise und verstärktes Bewusstsein für schwindende fossile Ressourcen werden Hybrid-Fahrzeuge, d. h. solche mit alternativem Betrieb mit Verbrennungs- oder Elektromotor stetig interessanter. Bei Hybrid-Fahrzeugen bietet sich im Verbrennungsbetrieb eine Energierückgewinnung an, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2006 040853 B3 bekannt ist. Dabei wird ein thermoelektrischer Generator zwischen den Abgasstrang des Verbrennungsmotors und den Entwärmungskreislauf, d. h. den Kühler für den Motor, geschaltet. Der thermoelektrische Generator erzeugt aus der durch ihn fließenden Abwärme elektrische Energie.
Ein Problem bei Hybrid-Fahrzeugen ist die Innenraumklimatisierung. Bei Betrieb mit dem Verbrennungsmotor kann durch diesen beispielsweise ein Kältekompressor direkt mechanisch angetrieben werden, wodurch ein Kühlfluid für die Klimatisierung geeignet gekühlt wird. Im elektrischen Betrieb ist muss für den Kältekompressor ein eigener Elektromotor vorgesehen sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren für ein Hybrid-Fahrzeug anzugeben, die eine Kühlung eines Kühlfluids, beispielsweise für eine Klimaanlage, bei einem geringen baulichen Aufwand erlauben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Einrichtung durch eine Einrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist ausgestaltet zur wahlweisen Erzeugung von elektrischer Energie oder Kühlung eines Kühlfluids. Sie weist ein thermoelektrisches Element mit einer ersten und zweiten Seite auf. Zwischen der ersten und zweiten Seite kann mittels elektrischer Energie ein Wärmefluss erzeugt werden. Weiterhin kann aus einer Wärmedifferenz zwischen den beiden Seiten, also einem Wärmefluss durch das Element, elektrische Energie gewonnen werden. Weiterhin sind ein Fluidkanal zum Transport des Kühlfluids und eine Entwärmungseinrichtung vorgesehen.
Das thermoelektrische Element ist auf der ersten Seite mit der Entwärmungseinrichtung verbunden. Weiterhin ist das thermoelektrische Element auf der zweiten Seite mit dem Fluidkanal verbunden. Schließlich ist das thermoelektrische Element auf der zweiten Seite direkt oder indirekt mit einer Wärmequelle verbunden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt eine Anordnung zur Verwendung, die wenigstens einen Verbrennungsmotor und wenigstens einem Elektromotor aufweist. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird ein mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors verbundenes thermoelektrisches Element verwendet, elektrische Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors zu gewinnen. Beim Betrieb des Elektromotors wird, vorausgesetzt, der Verbrennungsmotor wird nicht betrieben, das thermoelektrische Element verwendet, ein Kühlfluid in einem mit dem thermoelektrischen Element verbundenen Fluidkanal abzukühlen. Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße Verfahren in einem Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz, das für den Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor aufweist und diese alternierend benutzt.
Das thermoelektrische Element ist zweckmäßig ein Peltier-Element oder ein thermoelektrischer Generator. Ein Peltier-Element dient üblicherweise der Beheizung oder Kühlung, während der thermoelektrische Generator üblicherweise zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird. Beide sind jedoch im Wesentlichen gleichartig und für sich genommen in dem Fachmann bekannter Weise aufgebaut. Üblicherweise ist das thermoelektrische Element flach aufgebaut. D. h., das thermo elektrische Element weist zwei zweckmäßig plane Seiten auf, die eine wesentlich größere Ausdehnung aufweisen als die Dicke des thermoelektrischen Elements. Die eine Seite dient dabei der thermischen Ankontaktierung mit einer Wärmequelle und die andere Seite der thermischen Ankontaktierung einer Wärmesenke. Dabei ist es zweckmäßig, wenn Wärmequelle und/oder Senke möglichst großflächig in Verbindung mit dem thermoelektrischen Element stehen. Bekanntermaßen kann die erzeugte elektrische Energie über Elektroden am thermoelektrischen Element abgegriffen werden. Für die Kühlung wird bevorzugt elektrische Spannung an das thermoelektrische Element angelegt.
So ist in der Erfindung das thermoelektrische Element bevorzugt großflächig, d. h. möglichst mit der ganzen ersten Seite mit der Entwärmungseinrichtung verbunden, bei der es sich beispielsweise um den Kühler für den Motor eines Hybrid-Fahrzeugs handeln kann.
Bei der zweiten Seite gibt es mehrere Alternativen für die thermische Verbindung. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die zweite Seite nur mit dem Fluidkanal verbunden ist, dies bevorzugt wieder großflächig, beispielsweise mit der gesamten zweiten Seite. Dann ist der Fluidkanal wiederum zweckmäßig mit der Wärmequelle verbunden. In diesem Fall muss der Wärmefluss von der Wärmequelle zum thermoelektrischen Element und letztlich zur Entwärmungseinrichtung immer über den Fluidkanal laufen. Der Aufbau ist dadurch vereinfacht und es steht für den Fluidkanal und letztlich indirekt für die Wärmequelle die gesamte Fläche der zweiten Seite zur thermischen Ankontaktierung zur Verfügung. Auch wird bei Kühlung des Kühlfluids nicht überflüssigerweise die Wärmequelle mitgekühlt, sondern die gesamte Wärmetransportleistung wirkt auf das Kühlfluid.
Bei der Wärmequelle kann es sich beispielsweise um den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors handeln. Es kann sich bei der Wärmequelle aber auch um den Verbrennungsmotor selbst, um einen Elektromotor oder dessen Betriebsmittel wie Umrichter oder Gleichrichter handeln.
Eine zweite Alternative besteht darin, den Fluidkanal und die Wärmequelle nebeneinander mit dem thermoelektrischen Element zu verbinden. Der Wärmefluss von der Wärmequelle zum thermoelektrischen Element findet dann nicht über den Fluidkanal statt, findet also etwas weniger thermischen Widerstand und das Kühlfluid wird durch die Wärmequelle weniger stark aufgeheizt. Dafür müssen sich in dieser Alternative der Fluidkanal und die Anbindung der Wärmequelle die gesamte zur Verfügung stehende Fläche der zweiten Seite teilen.
Rein prinzipiell ist es möglich, die thermische Verbindung zwischen den beschriebenen Elementen über thermische Zwischenleiter wie Heatpipes zu realisieren. Bevorzugt wird jedoch ein direkter mechanischer und zweckmäßig großflächiger Kontakt hergestellt.
Auch die Verbindung des Fluidkanals mit der Wärmequelle kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auch indirekt sein. So kann zwischen dem Fluidkanal und der Wärmequelle ein Hitzeschutzelement vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise aus einem Kühlkreislauf oder Thermosiphon mit einem Medium bestehen. Das Medium verdampft dabei oberhalb einer Schwelltemperatur und kühlt dadurch den Fluidkanal. Der Dampf wird an einem Kondenstor, der beispielsweise mit der Entwärmungseinrichtung verbunden ist, kondensiert. Die Schwelltemperatur wird dabei zweckmäßig auf einen für das thermoelektrische Element geeigneten Wert wie beispielsweise 280°C gesetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Element zusätzlich oder alternativ zum Hitzeschutzelement ein Wärmespeicher vorgesehen. Der Wärmespeicher agiert als Puffer zwischen dem Hitzeschutzelement oder der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Element. Der Wärmespeicher weist dazu bevorzugt in einer Kammer ein zweites Medium auf, das bei einer zweiten Schwelltemperatur vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Im Phasenübergang kann dabei sehr viel Energie gespeichert werden. Solange die Wärmezufuhr von der Wärmequelle nicht zu groß oder zu klein ist, befindet sich ein Teil des zweiten Mediums in der flüssigen, ein anderer Teil in der festen Phase, so dass die Temperatur des Wärmespeichers etwa der zweiten Schwelltemperatur entspricht. Schwankungen in der Wärmezufuhr von der Wärmequelle führen dann nicht zu einer Änderung der Temperatur sondern lediglich zu einer Änderung des Mengenverhältnisses zwischen den Teilen des zweiten Mediums im flüssigen und festen Zustand. Hierdurch kann ein verbesserter Betrieb für das thermoelektrische Element erreicht werden, da thermoelektrische Element vorteilhaft mit einer konstanten Temperatur auf der warmen Seite betrieben werden.
Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein gasförmiges Kühlfluid handeln. Bevorzugt ist das Kühlfluid aber flüssig und dient beispielsweise zur Innenraumklimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid-Fahrzeugs oder Hybrid-Autos. Dazu führt der Fluidkanal zweckmäßig eine erhebliche Strecke vom thermoelektrischen Element weg. Um im Betrieb als thermoelektrischer Generator nicht viel Wärme in den Fluidkanal abzuführen, sind bevorzugt Drosselklappen oder anderweitige Ventile im Fluidkanal vorgesehen, bevorzugt im Bereich des thermoelektrischen Elements, um den Fluidkanal abzuschließen und einen beispielsweise wärmeinduzierten Transport des Kühlfluids wenigstens weitgehend zu unterbinden.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Darstellung in der Figur ist stark schematisiert.
Die Figur zeigt einen Abgasstrang 1 eines Verbrennungsmotors in einem Hybrid-Auto. Der Abgasstrang steht an einer Stelle in flächiger Verbindung mit einer Verdampfungskammer 2. Die Verdampfungskammer 2 enthält ein Medium, das bei 280°C verdampft. Auf der vom Abgasstrang 1 abgekehrten Seite steht die Verdampfungskammer 2 in flächiger Verbindung mit einem Wärmespeicher 3, der ein zweites Medium enthält. Der Wärmespeicher 3 steht auf der von der Verdampfungskammer 2 abgewandten Seite in flächigem Kontakt mit einem Kühlfluidkanal 4, der eine Kühlflüssigkeit für die Klimaanlage des Hybrid-Autos führt. Im Kühlfluidkanal 4 sind Drosselklappen 8 vorgesehen, die ausgestaltet sind, den Fluss der Kühlflüssigkeit zuzulassen oder zu unterbinden.
Abgewandt vom Wärmspeicher steht der Kühlfluidkanal 4 in flächigem Kontakt mit einem thermoelektrischen Element 5. Das thermoelektrische Element 5 weist zwei Elektroden 7 auf, die mit einer elektrischen Schaltung und dem Akku bzw. der Batterie des Hybrid-Autos. Abgewandt vom Kühlfluidkanal 4 ist das thermoelektrische Element 5 mit dem Motorkühler 6 des Hybrid-Autos flächig verbunden.
Das Hybrid-Auto kennt im Wesentlichen zwei Betriebsmodi. Im ersten Betriebsmodus wird zum Antrieb des Hybrid-Autos der Verbrennungsmotor verwendet. Dann wird heiles Abgas durch den Abgasstrang 1 ausgestoßen. Die Temperatur des Abgases hängt vom Verbrennungsmotor und dessen Betriebszustand ab, beträgt aber im Allgemeinen mehrere 100°C. Ein Teil der Wärme des Abgases im Abgasstrang 1 geht über die thermisch bevorzugt gut leitende flächige Verbindung in die Verdampfungskammer 2 über. Steigt die Temperatur des Mediums in der Verdampfungskammer 2 über 280°C, verdampft das Medium wenigstens teilweise. Hierdurch werden transiente Spitzen der Abgastemperatur abgemildert. Der entstehende Dampf wird in einem nicht dargestellten Kühlkreislauf rekondensiert. Bevorzugt ist der Kühlkreislauf für den Dampf mit dem Kühler 6 verbunden. Die Wärme des Abgases tritt weiterhin in den Wärmespeicher 3 ein. Das Medium im Wärmespeicher 3 ist so ausgelegt, dass bei regulärem und über einen längeren Zeitraum durchschnittlichen Betrieb des Motors sich das dort enthaltene Medium gerade bei seiner Schmelztemperatur befindet. Das Medium im Wärmespeicher hält dadurch soweit möglich die Temperatur konstant auf der Schmelztemperatur.
Die Wärme des Abgases durchtritt den Kühlfluidkanal 4, der in diesem Betriebsmodus keine besondere Funktion erfüllt. Zweckmäßig sind im ersten Betriebsmodus die Drosselklappen 8 jedoch geschlossen, so dass ein Fluss der Kühlflüssigkeit unterbunden wird und so kein Wärmeabtransport stattfindet. Schließlich erreicht so die Seite des thermoelektrischen Elements 5, das dem Abgasstrang 1 zugewandt ist, eine Temperatur, die im Idealfall wenig geringer als die Schmelztemperatur des Mediums im Wärmespeicher 3 ist. Da die andere Seite des thermoelektrischen Elements 5 mit dem wärmeabführenden Kühler 6 verbunden ist, stellt sich ein deutliches Temperaturgefälle über das thermoelektrische Element 5 ein. Das Temperaturgefälle führt wiederum zu einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 7 des thermoelektrischen Elements 5. Diese wird abgegriffen und kann beispielsweise zur Aufladung des Akkus, also schlicht zur Energierückgewinnung, oder zum aktuellen Betrieb elektrischer Verbraucher wie Scheinwerfer verwendet werden.
Der zweite Betriebsmodus des Hybrid-Autos besteht darin, dass statt des Verbrennungsmotors der Elektromotor zum Antrieb des Autos verwendet wird. Im zweiten Betriebsmodus ist der Abgasstrang 1 zumindest nach genügender Abkühlzeit im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur. Der Abgasstrang 1, die Verdampfungskammer 2 und der Wärmespeicher 3 spielen in diesem Betriebsmodus keine wesentliche Rolle. Das thermoelektrische Element 5 wird in diesem Betriebsmodus als Wärmepumpe, also als Peltierelement betrieben. Hierzu wird an die Elektroden eine Spannung angelegt, die zu einem Wärmetransport von der Seite mit dem Kühlfluidkanal 4 zum Kühler 6 bewirkt. Hierdurch wird die Kühlflüssigkeit gekühlt und kann vorteilhaft für eine Klimaanlage verwendet werden, ohne dass hierzu ein Kältekompressor beispielsweise mittels eines eigenen Elektromotors betrieben werden müsste. Zweckmäßig sind die Drosselklappen 8 im zweiten Betriebsmodus geöffnet, sodass die Kühlflüssigkeit im Kühlfluidkanal 4 strömen kann. Da auch im zweiten Betriebsmodus Wärme zum Kühler 6 transportiert wird, kann dieser vorteilhaft wieder die Entwärmungsfunktion übernehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006040853 B3 [0001]

Claims

Einrichtung, ausgestaltet zur wahlweisen Erzeugung von elektrischer Energie oder Kühlung eines Kühlfluids, mit – einem thermoelektrischen Element (5) mit einer ersten und zweiten Seite, zwischen denen mittels elektrischer Energie ein Wärmefluss erzeugt werden kann und aus einem Wärmefluss elektrische Energie gewonnen werden kann, – einem Fluidkanal (4) zum Transport des Kühlfluids, – einer Entwärmungseinrichtung (6), wobei das thermoelektrische Element (5) – auf der ersten Seite mit der Entwärmungseinrichtung (6) verbunden ist, – auf der zweiten Seite mit dem Fluidkanal (4) verbunden ist, – auf der zweiten Seite direkt oder indirekt mit einer Wärmequelle (1) verbunden ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das thermoelektrische Element (5) auf der zweiten Seite indirekt mit der Wärmequelle (1) verbunden ist und der Fluidkanal (4) direkt oder indirekt mit der Wärmequelle (1) verbunden ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Fluid eine Flüssigkeit ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmequelle (1) ein Abgasstrang (1) eines Verbrennungsmotors ist.
Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (1) ein Elektromotor und/oder ein zu einem Elektromotor gehöriges elektrisches Betriebsmittel ist.
Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entwärmungseinrichtung (6) ein Kühler (6) eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor ist.
Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Verriegelung (8) zur Unterbrechung des Fluidflusses im Fluidkanal (4) vorgesehen ist.
Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Wärmequelle (1) und dem thermoelektrischen Element (5) ein Wärmespeicher (3) vorgesehen ist.
Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Wärmequelle (1) und dem thermoelektrischen Element (5) ein Hitzeschutzelement (2) vorgesehen ist.
Hybrid-Fahrzeug mit wenigstens einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem Elektromotor mit wenigstens einer Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung, die wenigstens einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem Elektromotor aufweist, die alternierend verwendet werden, wobei: – bei Betrieb des Verbrennungsmotors ein mit dem Abgasstrang (1) des Verbrennungsmotors verbundenes thermoelektrisches Element (5) verwendet wird, elektrische Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors zu gewinnen, und – bei Betrieb des Elektromotors das thermoelektrische Element (5) verwendet wird, ein Kühlfluid in einem mit dem thermoelektrischen Element (5) verbundenen Fluidkanal (4) abzukühlen.