DE102008057396A1

DE102008057396A1 - Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Kraftfahrzeuginnenraumes

Info

Publication number: DE102008057396A1
Application number: DE102008057396A
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Kraftfahrzeuginnenraumes, insbesondere für ein Elektrofahrzeug. Die Vorrichtung umfasst ein Speichersystem mit einem Thermospeicher (05) und einem in diesem integrierten Wärmespeisemittel (03) sowie eine Wärmeabgabevorrichtung (07). Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine externe Energiequelle (01) zur Beladung des Thermospeichers (05) an das Wärmespeisemittel (03) des Thermospeichers (05) direkt angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Kraftfahrzeuginnenraumes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Erneuerbare Energien sind in den letzten 10 Jahren ein entscheidender energie-wirtschaftlicher Faktor geworden. Von einer Randerscheinung haben sie sich zu einer langfristigen Alternative entwickelt. Auch die Fahrzeughersteller haben erkannt, dass die Zukunft der Energieversorgung in den erneuerbaren Energien steckt. Fahrzeuge mit Elektroantrieb haben derzeit noch einige Schwachen, die für alle Komponenten benötigte Energie bereitzustellen, um auch größere Reichweiten zu erzielen. Der Energiebedarf für die Heizung des Fahrgastraumes im Winter ist sehr groß. Es gibt verschiedene Ansätze, die Abwärme der einzelnen Komponenten auszunutzen, dies funktioniert aber nur bei Betrieb des Fahrzeugs.
Da die Wärmeenergie eine flüchtige Größe ist, lässt sie sich nur mit intelligenten Lösungen speichern. Nur wenn der richtige Speichertyp ausgewählt wird, kann möglichst viel gespeicherte Energie auch tatsächlich genutzt werden, dabei ist die Speichertechnik ein wichtiges Merkmal. Die Unterschiede der Speicherarten von Wärmeenergie basieren auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien die in einem Prozess ablaufen, daraus resultiert die Einteilung in sensible, latente und chemische Wärmespeicher. Neben Kurzzeitspeichern werden in verschiedenen Anwendungen und Konzepten auch Langzeitwärmespeicher eingesetzt.
Die DE 42 06 611 A1 offenbart ein Verfahren zur Kühlung von Antriebskomponenten und zur Heizung eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeugs. Der aus dem Fahrgastraum abgeführte Luftstrom wird durch ein Luftstromsteuerelement in einen Fortluft- und einen Umluftanteil aufgeteilt. Dabei wird der Umluftanteil im Wärmetauscher des Kühlkreislaufs des Antriebsaggregates aufgeheizt und dem Fahrgastraum als Heizluft wieder zugeführt.
Aus der DE 41 40 321 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der der abgeführte Abluftstrom aus dem Fahrzeuginnenraum über einen Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes geführt wird. Die dort entzogene Abwärme wird mittels eines Kondensators vom Kältemittelkreislauf dem Wärmeträgerkreislauf zugeführt. Der Kondensator ist als ein Fluid-Fluid-Wärmetauscher in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden.
In der DE 195 34 427 B4 wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer Batterie beschrieben. Die Abwärme der Wärme entwickelnden Aggregate wird zur Erwärmung einer Batterie benutzt, dabei wird die Luftströmung mit einem Gebläses erzeugt und der Batterie zugeführt.
Schließlich beschreibt die DE 196 09 048 C2 eine Heizungs- und Klimatisierungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst einen ersten Flüssigkeitskreis sowie einen dem ersten Flüssigkeitskreis zuschaltbaren zweiten Flüssigkeitskreis mit einem Thermospeicher und einer Wärmequelle. Der Thermospeicher kann sowohl Wärme-, als auch Kälteenergie speichern, wobei diese zwei unterschiedlichen Vorgänge nicht gleichzeitig ablaufen können, sondern abwechselnd zueinander.
Die Entwicklung und Nutzung von Latentwärmespeichern erfolgte schon in den späten 1980er Jahren. Durch die hohen Kosten und eingeschränkten Funktionalitäten gegenüber den damaligen konventionellen Standheizungen, konnte sich diese Technologie nie richtig durchsetzten.
Sofern Elektrofahrzeuge zunehmend konventionell betriebene Fahrzeuge ersetzen sollen, ist ein vergleichbarer Komfort- und Sicherheitsstandard eine Grundvoraussetzung für eine entsprechende Marktakzeptanz. Zwar ermöglicht eine benzin- oder dieselbetriebene Standheizung eine angenehme Temperierung des Fahrzeiginnenraumes, es kann aber aufgrund der durch die Verbrennung des Treibstoffes entstehenden Abgase nicht mehr von einem „Zeroemission-vehicle” gesprochen werden. Wird die Heizung des Innenraumes rein elektrisch betrieben, reduziert sich die Reichweite des Elektrofahrzeugs nochmals deutlich, da die für Heizzwecke benötigte elektrische Energie ebenfalls aus der Batterie entnommen wird und einen zusätzlichen Energiebedarf darstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klimatisierungsvorrichtung zu schaffen, die eine ausreichende Erwärmung des Innenraumes eines Elektrofahrzeugs ermöglicht, wobei die Aspekte des Komforts und der Sicherheit nicht vernachlässigt werden sollen und wobei die Hauptantriebsbatterie des Fahrzeuges nicht oder nur minimal zusätzlich belastet werden soll. Optional soll die Klimatisierungsvorrichtung als Standheizung verwendbar sein.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Innenraumes eines Elektrofahrzeugs gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Fahrzeuginnenraumes, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug umfasst ein Speichersystem mit einem Thermospeicher, mindestens ein in den Thermospeicher integriertes Wärmespeisemittel und eine Wärmeabgabevorrichtung.
Durch mindestens eine externe Energiequelle erfolgt die Beladung des Thermospeichers. Dabei ist es von Vorteil, dass die Energiequelle direkt an den Thermospeicher angeschlossen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Thermospeicher ein Latentwärmespeicher oder ein ähnlich ausgeführtes thermisches Speichersystem. Der Latentwärmespeicher ermöglicht vorteilhafterweise die Speicherung von Wärmeenergie über mehrere Tage und benötigt während des Fahrzeugbetriebs keine Energiezufuhr durch die Batterie des Fahrzeugs oder durch Verbrennung von Treibstoff jeglicher Art.
Verschiedene Latentwärmespeicher, wie beispielsweise Paraffine, Fettsäuren oder bestimmte Salzhydrate, welche bei einer bestimmten Temperatur schmelzen und dabei die zugeführte Wärmeenergie ohne weitere Temperaturerhöhung speichern, sind bekannt. Durch die Zusammensetzung beispielsweise der Salzmischung kann der Latentwärmespeicher für unterschiedliche Betriebstemperaturen angepasst werden. Die gespeicherte Wärmeenergie wird beim Phasenübergang in den festen Zustand wieder abgegeben und kann zur Erwärmung des Kraftfahrzeug-Innenraums genutzt werden.
Mittels des Wärmespeisemittels, welches vorzugsweise eine elektrische Heizwendel aufweist, welche direkt in den Thermospeicher integriert ist, wird der Thermospeicher mit Wärmeenergie beladen. Das Aufladen des Thermospeichers erfolgt vorzugsweise während der Stillstandphase des Fahrzeugs, wobei es von Vorteil ist, wenn dies zeitgleich mit dem Ladevorgang der Batterie stattfindet. Auf Grund der benötigten Energie kann auch eine zeitversetzte Beladung des Thermospeichers erfolgen, die durch ein Thermomanagement geregelt werden kann. Dieses Management wird mittels Elektronik, die beispielsweise in einem Ladegerät integriert ist, realisiert.
Die im Thermospeicher gespeicherte Wärmeenergie kann im Fahrbetrieb bei Bedarf wieder abgerufen werden und zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
Die Wärmeabgabe wird durch eine Wärmeabgabevorrichtung, die einen Wärmetauscher und ein Gebläse umfasst, realisiert. Der Wärmetauscher steht mit dem Thermospeicher in Verbindung und besitzt eine gute Wärmeleitung. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher in den Thermospeicher integriert. Die Wärmeübertragung wird vorzugsweise mittels eines Warmwasser- oder Luftkreislaufes und einer Wasserpumpe bzw. einem Lüfter realisiert. Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher als ein Spiralwärmetauscher gestaltet, da dadurch eine höhere Wärmeabgabefläche erreicht wird. Sofern direkt Luft den Wärmetauscher durchströmt, kann diese sowohl Frischluft als auch Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum sein. Die erwärmte Luft wird mittels Gebläse in dem Fahrzeuginnenraum befördert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Thermospeicher mittels einer elektrischen Energiequelle direkt über eine Heizwendel beladen. Beispielsweise kann diese Energiequelle eine Ladestation sein, welche nur in der Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden kann. Eine weitere Möglichkeit für die Beladung des Thermospeichers ist die Verwendung einer – vorzugsweise mobilen – Photovoltaikanlage. Die Photovoltaikanlage ist beispielsweise auf dem Dach des Kraftfahrzeuges vorgehen und stellt die notwendige Energie zum Aufladen des Thermospeichers bereit. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung findet das Aufladen sowohl im Stillstand als auch während der Fahrt des Kraftfahrzeuges statt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung wird eine zweite externe Energiequelle zum Aufladen des Thermospeichers oder zur direkten Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes genutzt. Dabei ist die zweite Energiequelle einerseits direkt mit dem Thermospeicher zu dessen Aufladung verbunden und zusätzlich direkt an die Wärmeabgabevorrichtung angeschlossen. Die Benutzung dieser Energiequelle kann bedarfsweise während der Fahrt zugeschaltet werden. Die zweite externe Energiequelle ist vorzugsweise eine Solaranlage oder eine mobile Photovoltaikanlage, wobei die Zellen der Anlage beispielsweise auf dem Fahrzeugdach angebracht sein können.
Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der zweiten Energiequelle ist die Nutzung der Abwärme eines ganzen Antriebsstranges oder einzelner Wärme entwickelnder Aggregate, die beispielsweise ein Antriebsmotor, ein Batteriemodul oder die Leistungselektronik sein können. Auch die Umwandlung der Bremsenergie, die sogenannte thermische Rekuperation, bietet sich als eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der zweiten Energiequelle für eine komfortable und sichere Erwärmung des Innenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder für die direkte Beladung des Thermospeichers.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Klimatisierungsvorrichtung mit einer externen Energiequelle;
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Klimatisierungsvorrichtung mit zwei Energiequellen;
3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Klimatisierungsvorrichtung mit mehreren Energiequellen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Klimatisierungsvorrichtung, welche ein Speichersystem, ein Wärmespeisemittel und eine Wärmeabgabevorrichtung umfasst. Eine externe Energiequelle 01 ist mittels eines Elektroan schlusses 02 mit dem Wärmespeisemittel verbunden. Das Wärmespeisemittel ist in dieser Ausführungsform eine Heizspirale 03, welche direkt in einem Thermospeicher 05 angeordnet ist. Der Elektroanschluss 02 kann sowohl mit einer Ladestation als auch mit einer Photovoltaikanlage als externe Energiequelle verbunden werden. Des Weiteren ist im Thermospeicher 05 ein Wärmetauscher 07 als Wärmeabgabevorrichtung angeordnet. Diese ist mit einem Gebläse 09 des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Im Falle eines Latentwärmespeichers als Thermospeicher 05, beispielsweise eines aus den Wärmekissen bekannten Natriumacet-Trihydrat-Speichers, erfolgt mittels der Heizwendel 03 das Aufladen, als ein ”Schmelzen” des auskristallisierten Natriumacetat. Im flüssigen Zustand ist der Thermospeicher 05 also aufgeladen. Soll die Wärme aus dem Thermospeicher entnommen werden, erfolgt vorzugsweise eine Anregung mechanischer Art. Bei der Auskristallisation wird viel Energie in Form von Wärme frei. Diese kann dann über den Wärmetauscher 07 und den daran angeschlossenen Heizkreislauf mittels der Gebläse 09 in den Fahrzeuginnenraum geführt werden.
Der Fachmann kennt verschiedene Möglichkeiten der Nutzung von Latentwärmespeichern und kann geeignete Materialien auswählen.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer Klimatisierungsvorrichtung. welche die wesentlichen Elemente der vorhergehenden Ausführungsform besitzt, jedoch mit zwei Energiequellen für die Beladung des Wärmespeichers ausgerüstet ist. Die Besonderheit hier ist der Anschluss einer zweiten Energiequelle 11 über eine zweite Heizspirale 13 an den Thermospeicher 05. Die zweite Energiequelle 11 ist beispielsweise ein Verdampfer, dessen Abwärme ebenfalls zur Aufladung des Thermospeichers 05 dienen kann. Als zweite Energiequelle kann aber auch die Abwärme des Antriebsstrangs oder der Leistungselektronik genutzt werden. Ein Kühlkreislauf 10 dient einerseits der Kühlung wärmeentwickelnder Aggregate (Batterie, Elektromotor, Leistungselektronik) und gestattet andererseits auch die direkte Verbindung mit dem Gebläse 09 zur Heizung des Fahrgastraumes. Die zur Verfü gung stehende Abwärme kann also nach Bedarf entweder direkt dem Fahrgastraum zugeführt oder im Thermospeicher 05 zwischengespeichert werden.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt, welche die wesentlichen Elemente der vorhergehenden Ausführungsform besitzt. Die Besonderheit hier ist die Ankopplung einer dritten externen Energiequelle, welche z. B. eine Solaranlage 15 ist. Außerdem ist am Elektroanschluss 02 eine mobile Photovoltaikanlage 16 angeschaltet, die der ständigen Energieversorgung der Heizspirale 03 dient. Die Solaranlage 15 ist über einen Flüssigkeitskreislauf 17 mit dem Thermospeicher 05 mittels einer dritten Heizspirale 18 verbunden, worüber die Beladung des Thermospeichers 05 erfolgt. Durch Solarthermie erfolgt eine Erwärmung der Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf 17. Eine Pumpe 19 sorgt für eine Zirkulation der Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf 17. Durch eine direkte Verbindung zwischen der Solaranlage 15 und dem Gebläse 09 über einen weiteren Kreislauf 20, erfolgt eine zusätzliche direkte Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes durch Solarthermie.

01: erste Energiequelle
02: Elektroanschluss
03: Heizspirale
05: Thermospeicher
07: Wärmetauscher
09: Gebläse
10: Kühlkreislauf
11: zweite Energiequelle
13: zweite Heizspirale
15: Solaranlage
16: Photovoltaikanlage
17: Flüssigkeitskreislauf
18: dritte Heizspirale
19: Pumpe
20: Kreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4206611 A1 [0004]
- DE 4140321 A1 [0005]
- DE 19534427 B4 [0006]
- DE 19609048 C2 [0007]

Claims

Klimatisierungsvorrichtung zur Erwärmung eines Kraftfahrzeuginnenraumes, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, die ein Speichersystem mit einem Thermospeicher (05) und einem in diesem integrierten Wärmespeisemittel (03) sowie eine Wärmeabgabevorrichtung (07) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine externe Energiequelle (01) zur Beladung des Thermospeichers (05) an das Wärmespeisemittel (03) des Thermospeichers (05) direkt angeschlossen ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermospeicher (05) ein Latentwärmespeicher ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeisemittel eine elektrische Heizwendel (03) umfasst.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabevorrichtung einen in den Thermospeicher (05) integrierten Wärmetauscher (07) umfasst.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (07) mit einem zum Fahrzeuginnenraum gerichteten Gebläse (09) gekoppelt ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (01) eine elektrische Ladestation oder eine mobile Photovoltaikanlage (16) ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeisemittel weitere Heizspiralen (13, 18) umfasst, an welche mindestens eine zweite Energiequelle (11, 15) direkt anschließbar ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiequelle eine mobile Solaranlage (15) ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach dem auf Anspruch 5 rückbezogenen Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage (15) außerdem zur Erwärmung des Kraftfahrzeuginnenraumes über einen Kreislauf (20) direkt mit dem Gebläse (09) verbunden ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Kühlkreislauf (10) umfasst, der zur Aufnahme der Abwärme von Wärme entwickelnden Aggregaten dient und diese über die weitere Heizspirale (13) an den Thermospeicher (05) abgibt.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme entwickelnden Aggregate ein Antriebsmotor, ein Batteriemodul und/oder eine Leistungselektronik sind.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Kühlkreislaufs (10) außerdem zur Erwärmung des Kraftfahrzeuginnenraumes direkt mit dem Gebläse (09) gekoppelt ist.