DE102008058712A1

DE102008058712A1 - Heizsystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008058712A1
Application number: DE102008058712A
Authority: DE
Inventors: Günter Eberspach
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Ein Heizsystem (24) für ein Fahrzeug umfasst eine an einen Antriebsstrang (22) angekoppelte oder ankoppelbare Elektromaschine (14) mit einem Rotor (16) und einem Stator (18), eine Wärmespeicheranordnung (30), eine der Wärmespeicheranordnung (30) zugeordnete elektrische Heizeinrichtung (34) und eine Schaltanordnung (26), wobei die Schaltanordnung (26) dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine (14) mit der Heizeinrichtung (34) zu koppeln, wenn die Elektromaschine (14) während eines Bremsvorgangs im Generatorbetrieb arbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem für ein Fahrzeug, durch welches beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft erwärmt werden kann.
Im modernen Fahrzeugbau wird auf Grund der immer effizienteren Ausnutzung der Verbrennungsenergie bei Brennkraftmaschinen zur Erzeugung von Vortrieb der Anteil der als Abwärme zur Verfügung stehenden und somit zum Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums nutzbaren Wärmeenergie immer geringer. Auch bei Hybridantriebssystemen besteht insbesondere in Phasen, in welchen der Antrieb rein elektrisch erfolgt, nicht die Möglichkeit, Abwärme aus der Brennkraftmaschine auszukoppeln und diese zur Erwärmung zu nutzen. Entsprechendes gilt für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge, bei welchen die insbesondere im Bereich der Elektromotoren anfallende Abwärme im Vergleich zu Brennkraftmaschinen deutlich reduziert ist und auf Grund der Positionierung der Elektromotoren beispielsweise im Bereich von Radnaben die entstehende Wärme deutlich schwieriger abzugreifen und auf ein zu erwärmendes Medium zu übertragen ist. Dies führt dazu, dass in derartigen Antriebssystemen bzw. Fahrzeugen im allgemeinen elektrisch erregbare Heizer vorhanden sind, welche die erforderliche elektrische Energie von einem elektrischen Energiespeicher abgreifen, der beispielsweise auch die Elektromaschine speist, wenn diese als Antriebsaggregat zu nutzen ist, bzw. auch von dieser wieder aufladbar ist, wenn diese im Generatorbetrieb arbeitet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Heizsystem für ein Fahrzeug vorzusehen, welches bei effizienter Ausnutzung der verfügbaren Energie einen zuverlässigen Heizbetrieb gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Heizsystem für ein Fahrzeug, umfassend eine an einen Antriebsstrang angekoppelte oder ankoppelbare Elektromaschine mit einem Rotor und einem Stator, eine Wärmespeicheranordnung, eine der Wärmespeicheranordnung zugeordnete elektrische Heizeinrichtung und eine Schaltanordnung, wobei die Schaltanordnung dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine mit der Heizeinrichtung zu koppeln, wenn die Elektromaschine während eines Bremsvorgangs im Generatorbetrieb arbeitet.
Bei dem erfindungsgemäß aufgebauten Heizsystem kann im Bremszustand eines Fahrzeugs die dabei frei werdende kinetische Energie über die Elektromaschine, die dann im Generatorbetrieb arbeitet, umgesetzt werden zunächst in elektrische Energie, die dann wiederum genutzt wird, um vermittels der Heizeinrichtung einen Wärmespeicher zu laden. Somit wird es möglich, immer dann, wenn im Fahrzustand Bremsenergie zum Aufladen des Wärmespeichers verfügbar ist, dies auch zu tun, während gleichzeitig in einem kontinuierlichen Prozess Wärmeenergie von dem Wärmespeicher abgegriffen wird, beispielsweise, um einem Fahrzeuginnenraum kontinuierlich Wärme zuzuführen. Da das Aufladen des Wärmespeichers dann erfolgt, wenn das Fahrzeug im Bremszustand ist, kann das Fahrzeug insbesondere dann, wenn es im Stadtbetrieb mit wiederholten Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen betrieben wird, ohne zusätzlichen Energiebedarf geheizt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Heizsystem bzw. einem damit ausgestatteten Fahrzeug kann ferner ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen sein, wobei die Schaltanordnung dann dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine mit dem elektrischen Energiespeicher zu koppeln, wenn die Elektromaschine während eines Bremsvorgangs im Generatorbetrieb arbeitet. Über einen derartigen elektrischen Energiespeicher kann das Bordsystem mit den verschiedenen darin vorhandenen Verbrauchern elektrischer Energie gespeist werden, wobei auch die hierfür erforderliche Energie aus der bei Bremsvorgängen frei werdenden kinetischen Energie gewonnen werden kann.
Die Schaltanordnung kann so ausgebildet sein, dass sie wahlweise die Heizeinrichtung und/oder den elektrischen Energiespeicher mit der Elektromaschine koppelt, wobei der Bereitstellung elektrischer Energie für ein Fahrzeug dadurch Vorrang gegeben werden kann, dass die Schaltanordnung dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine mit dem elektrischen Energiespeicher zu koppeln, wenn dessen Ladezustand unter einem Grenzwert liegt oder diesen unterschreitet. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn ein bestimmter Mindestladezustand nicht mehr vorliegt, grundsätzlich dem elektrischen Energiespeicher Vorrang gegeben wird und dafür gesorgt wird, dass dieser in einen Ladezustand gebracht wird, der ein zuverlässiges Betreiben des Fahrzeugs an sich gewährleistet. Erst wenn dieser Zustand sicher gestellt ist, wird bei weiteren Bremsvorgängen wieder der Wärmespeicher bzw. die darin vorgesehene Heizeinrichtung bedient.
Gemäß einem weiteren, besonderes vorteilhaften Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Schaltanordnung dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine mit dem elektrischen Speicher und der Wärmespeicheranordnung zu koppeln, wenn eine durch die Elektromaschine bereit gestellte Ladeleistung über einem Grenzwert liegt oder diesen überschreitet. Auch bei dieser Ausgestaltung wird also grundsätzlich dem Laden des elektrischen Energiespeichers im Generatorbetrieb der Elektromaschine Priorität gegeben, wobei gleichzeitig dafür gesorgt ist, dass überschüssige bereitgestellte Energie nicht verloren ist, bzw. auf Grund einer Überlastung des elektrischen Energiespeichers zu einer Beschädigung desselben führen könnte, sondern dazu genutzt wird, den Wärmespeicher zu laden. Dies ist vor allem bei Elektrofahrzeugen von besonderer Bedeutung, bei welchen die Elektromaschine beispielsweise im Vergleich zu Starter-Generator-Anordnungen leistungsstärker ist und somit auch im Generatorzustand eine stärkere Umsetzung kinetischer Energie in elektrische Energie ermöglicht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird vorgeschlagen, dass die Wärmespeicheranordnung einen Latentwärmespeicher umfasst. Derartige Latentwärmespeicher arbeiten beispielsweise mit in ihrem Kristallisationszustand durch Wärme beeinflussbaren Salzen oder dgl., welche durch einen Phasenübergang Wärme speichern und nachfolgend bei entsprechend umgekehrtem Phasenübergang Wärme freigeben.
Die Heizeinrichtung kann wenigstens ein PTC-Heizelement umfassen, und der Wärmespeicheranordnung kann eine Wärmetauscheranordnung zugeordnet sein zur Übertragung von darin gespeicherter Energie auf ein zu erwärmendes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder zu erwärmende Luft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Heizsystem.
In einem derartigen Antriebssystem kann vorgesehen sein, dass die Elektromaschine als Antriebsaggregat betreibbar ist. Bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann die Elektromaschine dann das einzige Antriebsaggregat sein. Alternativ ist es möglich, dass bei sog. Hybridantriebssystemen ferner eine als Antriebsaggregat betreibbare Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Insbesondere in einer Betriebsphase, in welcher die Antriebsenergie durch diese Brennkraftmaschine geliefert wird, kann die Elektromaschine dann während Bremsvorgängen dazu genutzt werden, kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und diese entweder im elektrischen Energiespeicher zu speichern, sofern dieser geladen werden muss, oder in der Wärmespeicheranordnung zu speichern. Auch bei rein Brennkraftmaschinen-betriebenen Fahrzeugen ist es möglich, eine beispielsweise als Starter-Generator ausgebildete Elektromaschine in der vorangehend betriebenen Art und Weise zu betreiben, um die bei Bremsvorgängen frei werdende Energie nutzen zu können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende 1 detailliert beschrieben, welche in prinzipartiger Darstellung ein erfindungsgemäß aufgebautes Antriebssystem bzw. Heizsystem veranschaulicht.
Das in der 1 dargestellte Antriebssystem 10 ist beispielsweise nach Art eines Hybridantriebs aufgebaut und umfasst eine Brennkraftmaschine 12 sowie eine Elektromaschine 14 mit einem Rotor 16 und einem Stator 18. Zwischen der Brennkraftmaschine 12 und der Elektromaschine 14 ist eine schaltbare Kupplung 20 vorgesehen, so dass bei elektromotorischem Antrieb die Brennkraftmaschine 12 abgekoppelt werden kann. Der auf den Rotor 16 folgende Bereich des Antriebsstrangs 22 kann ein Getriebe und die über dieses anzutreibenden Antriebsräder umfassen.
Ein für ein Fahrzeug vorgesehenes Heizsystem 24 umfasst neben der Elektromaschine 14 eine Schaltanordnung 26, durch welche wahlweise ein elektrischer Energiespeicher 28, also beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, oder ein Wärmespeicher 30 mit der Elektromaschine 14 gekoppelt werden kann. Der Wärmespeicher 30 ist vorzugsweise als Latentwärmespeicher mit einem Wärmespeichermedium 32 in einem thermisch isolierten Behälter ausgebildet. In dem Wärmespeichermedium 32 ist eine elektrische Heizeinrichtung 34, diese beispielsweise umfassend ein oder mehrere PTC-Heizelemente, vorgesehen. Dem Wärmespeicher 30 ist ferner eine Wärmetauscheranordnung 36 zugeordnet, welche von einem zu erwärmenden Medium M durchströmbar ist. Die in dem Wärmespeichermedium 32 beispielsweise durch Erzwingung eines Phasenübergangs gespeicherte Energie kann auf das die Wärmetauscheranordnung 36 durchströmende Medium M übertragen werden und dieses somit erwärmen. Dabei kann beispielsweise die Wärmetauscheranordnung 36 einen das Wärmespeichermedium 32 umgebenden Mantel bilden, in welchem das Medium M strömt und somit Wärme aufnehmen kann.
Die Schaltanordnung 26 ist dazu ausgebildet, dann, wenn ein mit dem Antriebssystem 10 ausgestattetes Fahrzeug in einem Bremszustand ist, also weder durch die Elektromaschine 14 noch die Brennkraftmaschine 12 Antriebsenergie bereit gestellt werden muss, die Elektromaschine 14 als Generator an den elektrischen Speicher 28 oder den Wärmespeicher 30 bzw. die Heizeinrichtung 34 anzukoppeln. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass grundsätzlich dem elektrischen Speicher 28, welcher das nur symbolhaft angedeutete und mit elektrischer Energie zu speisende Bordsystem B versorgt, Priorität hat, um den zuverlässigen Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten. Ist jedoch der elektrische Energiespeicher ausreichend geladen, liegt also sein Ladezustand über einem vorbestimmten Grenzwert, koppelt die Schaltanordnung 26 die als Generator wirksame Elektromaschine 14 an die Heizeinrichtung 34 an, so dass diese durch elektrische Erregung Wärme erzeugt, die dann in dem Wärmespeichermedium 32 gespeichert wird.
Mit dieser Ausgestaltung des Heizsystems 24 wird es möglich, kinetische Energie, die sonst nicht genutzt wäre bzw. durch Bremsaktivierung abgebaut werden müsste und somit verloren wäre, zusätzlich zu nutzen, um ein Fahrzeug ausreichend zu temperieren. Dabei bildet der Wärmespeicher 30 einen Puffer, welcher die intermittierend auftretenden Wärmeladeintervalle überbrückt, so dass eine kontinuierliche Wärmezufuhr gewährleistet ist.
Es ist selbstverständlich, dass das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch Anwendung finden kann, wenn das Antriebssystem 10 beispielsweise keine Brennkraftmaschine umfasst und die Elektromaschine 14 als einziges Antriebsaggregat zu betreiben ist. Auch dabei kann dann, wenn beispielsweise bei sehr starken Verzögerungsvorgängen so viel elektrische Energie frei wird, dass sie nicht vollständig in den elektrischen Energiespeicher 28 eingespeist werden kann, ein Teil dieser frei werdenden Energie zum Laden des Wärmespeichers 30 genutzt wird. Es kann insbesondere dann, wenn die Elektromaschine 14 als einziges Antriebsaggregat vorhanden ist, aber auch bei Hybridantriebssystemen oder dann, wenn die Elektromaschine 14 in Zuordnung zu einer Brennkraftmaschine 12 als sog. Starter-Generator ausgebildet ist, durch die Schaltanordnung 26 auch vorgesehen sein, dass dann, wenn bei starken Verzögerungsvorgängen die Ladeleistung für den elektrischen Energiespeicher zu hoch ist, nur ein Teil der durch die Elektromaschine 14 bereit gestellten elektrischen Energie zum elektrischen Speicher 28 geleitet wird, während ein weiterer Teil zum Wärmespeicher 30 geleitet wird. Dies bedeutet, dass durch die Schaltanordnung 26 der elektrische Speicher 28 und der Wärmespeicher 30 gleichzeitig mit der Elektromaschine 14 gekoppelt werden können, um Energie zu speichern.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Wärmespeichers 30 kann das Wärmespeichermedium 32 als Flüssigkeit ausgebildet sein, die thermisch isoliert in einem Behälter gehalten werden kann, um somit auch in Phasen, in welchen über eine längere Zeitdauer hinweg ein Nachladen nicht möglich ist, Wärme zu speichern und nachfolgend abgeben zu können. Als Flüssigkeit kann hier beispielsweise das Kühlmittel eingesetzt werden, das durch Motor- oder Generatoreinheiten zirkuliert wird.
Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Heizsystem 24 auch möglich, vermittels der Schaltanordnung 26 den Wärmespeicher 30 bzw. die Heizeinrichtung 34 desselben mit dem elektrischen Speicher 28 zu koppeln, um beispielsweise in Phasen, in welchen der elektrische Speicher 28 ausreichend geladen ist, der Wärmespeicher 30 jedoch nur wenig Energie zur Abgabe als Wärmeenergie speichert, eine ausreichende Wärmeversorgung sicherzustellen.

Claims

Heizsystem (24) für ein Fahrzeug, umfassend eine an einen Antriebsstrang (22) angekoppelte oder ankoppelbare Elektromaschine (14) mit einem Rotor (16) und einem Stator (18), eine Wärmespeicheranordnung (30), eine der Wärmespeicheranordnung (30) zugeordnete elektrische Heizeinrichtung (34) und eine Schaltanordnung (26), wobei die Schaltanordnung (26) dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine (14) mit der Heizeinrichtung (34) zu koppeln, wenn die Elektromaschine (14) während eines Bremsvorgangs im Generatorbetrieb arbeitet.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiespeicher (28) vorgesehen ist und dass die Schaltanordnung (26) dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine (14) mit dem elektrischen Energiespeicher (28) zu koppeln, wenn die Elektromaschine (14) während eines Bremsvorgangs im Generatorbetrieb arbeitet.
Heizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schaltanordnung (26) wahlweise die Heizeinrichtung (34) oder/und der elektrische Energiespeicher (28) mit der Elektromaschine (14) koppelbar ist.
Heizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (26) dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine (14) mit dem elektrischen Energiespeicher (28) zu koppeln, wenn dessen Ladezustand unter einem Grenzwert liegt oder diesen unterschreitet.
Heizsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (26) dazu ausgebildet ist, die Elektromaschine (14) mit dem elektrischen Speicher (28) und der Wärmespeicheranordnung (30) zu koppeln, wenn eine durch die Elektromaschine (14) bereitgestellte Ladeleistung über einem Grenzwert liegt oder diesen überschreitet.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (34) wenigstens ein PTC-Heizelement umfasst.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicheranordnung (30) eine Wärmetauscheranordnung (36) zugeordnet ist zur Übertragung von in der Wärmespeicheranordnung (30) gespeicherter Energie auf ein zu erwärmendes Medium.
Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend ein Heizsystem (34) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (14) als Antriebsaggregat betreibbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Antriebsaggregat betreibbare Brennkraftmaschine vorgesehen ist.