DE102012004008A1

DE102012004008A1 - Verfahren zum Betrieb eines zumindest zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf und einem Kältekreislauf

Info

Publication number: DE102012004008A1
Application number: DE102012004008A
Authority: DE
Inventors: Johannes Müller; Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-02-25
Filing date: 2012-02-25
Publication date: 2012-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf (2) und einem Kältekreislauf (3), welche thermisch miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß wird während eines Bremsvorgangs rekuperierte elektrische Energie (E) in Abhängigkeit einer Außentemperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers einem Kompressor (5) des Kältekreislaufs (3) oder einem Bremswiderstand zugeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines zumindest zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf und einem Kältekreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die US 2009/026 60 94 beschreibt eine Vorrichtung und eine Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Fahrzeug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines zumindest zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf und einem Kältekreislauf anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beim Verfahren zum Betrieb eines zumindest zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf und einem Kältekreislauf, welche thermisch miteinander gekoppelt sind, wird während eines Bremsvorgangs erfindungsgemäß rekuperierte elektrische Energie in Abhängigkeit einer Außentemperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers einem Kompressor des Kältekreislaufs oder einem Bremswiderstand zugeleitet.
Dadurch kann die rekuperierte elektrische Energie in einer ersten Ausführungsvariante bei hohen Außentemperaturen, beispielsweise im Sommer, zum Antrieb des Kompressors des Kältekreislaufs verwendet werden und derart in thermische Kälteenergie gewandelt und zur Temperierung eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder des elektrischen Energiespeichers verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Kälteenergie zur Kühlung oder zur Unterkühlung des Kältekreislaufs und des mit diesem thermisch gekoppelten Niedertemperaturkreislaufs verwendet werden.
Durch die thermische Koppelung von Kältekreislauf und Niedertemperaturkreislauf kann eine große Menge thermischer Kälteenergie gespeichert werden, da ein Kühlmittelvolumen im Niedertemperaturkreislauf im Vergleich zum Kältemittelvolumen im Kältekreislauf signifikant erhöht ist. Besonders vorteilhafterweise kann die thermische Kälteenergie somit zur Kühlung aller mittels des Niedertemperaturkreislaufs gekühlter Fahrzeugkomponenten verwendet werden. Durch diese verbesserte Kühlung kann ein Lüfterlauf eines Lüfters eines Kühlmittelkühlers verkürzt werden, so dass eine Energieaufnahme dieses Lüfters verringert ist.
Weiterhin kann auf Grund der verbesserten Kühlung eine Pumpleistung einer Kühlmittelpumpe im Niedertemperaturkreislauf und eine daraus resultierende Energieaufnahme verringert werden.
In einer zweiten Ausführungsvariante wird die rekuperierte elektrische Energie bei niedrigen Außentemperaturen, beispielsweise im Winter, einem Bremswiderstand zugeleitet und derart in thermische Wärmeenergie gewandelt und zur Temperierung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet.
Dadurch ist vorteilhafterweise eine Temperierung der Fahrzeugkomponenten signifikant verbessert, wodurch niedrigere Bauteiltemperaturen und verringerter Verschleiß erreicht sind.
Besonders vorteilhafterweise werden zur Durchführung des Verfahrens bestehende und im Fahrzeug bereits vorhandene Komponenten und Kreisläufe genutzt, so dass ein solches Verfahren in bestehende Konstruktionen und/oder Fahrzeuge einfach zu integrieren ist.
Besonders vorteilhafterweise ist eine Steigerung der Gesamteffizienz des Fahrzeugs über den gesamten Fahrzyklus erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch ein Kreislaufdiagramm einer Kreislaufanordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf und einem Kältekreislauf.
1 zeigt schematisch ein Kreislaufdiagramm einer Kreislaufanordnung 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem nicht dargestellten Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf 2 und einem Kältekreislauf 3.
Das Fahrzeug ist als herkömmliches Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Ein solches Fahrzeug kann zumindest zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetrieben werden, wobei die elektrische Maschine 9 motorisch betrieben wird. Bei einem Bremsvorgang wird die elektrische Maschine 9 auf herkömmliche Weise generatorisch betrieben und wandelt die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie E. Dieser Vorgang wird auch als Rekuperation bezeichnet.
Bei einem entleerten oder teilweise entleerten elektrischen Energiespeicher wird die rekuperierte elektrische Energie E zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers verwendet. Im Falle eines vollständig oder nahezu vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers wird die rekuperierte elektrische Energie herkömmlicherweise einem so genannten Bremswiderstand zugeführt, welcher die elektrische Energie in thermische Wärmeenergie wandelt. Ein solcher Bremswiderstand wird herkömmlicherweise in einem Niedertemperaturkreislauf 2 oder einem Hochtemperaturkreislauf des Fahrzeugs gekühlt. Dadurch sind insbesondere bei hohen Außentemperaturen, beispielsweise im Sommer, erhebliche thermische Wärmeenergiemengen an eine Fahrzeugumgebung abzuführen.
Der Kältekreislauf 3 ist als herkömmlicher Kältekreislauf einer Fahrzeugklimaanlage oder Batterieklimaanlage mit zumindest einem Kondensator 4, einem Kompressor 5, einem Verdampfer 6 und einem Expansionsventil 7 ausgebildet. Im Kältekreislauf 3 zirkuliert ein Kältemittel KM.
Als Kältemittel KM können herkömmliche organische und/oder anorganische Arbeitsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser, verwendet werden.
Im Betrieb des Kältekreislaufs 3 wird das Kältemittel KM in gasförmigem Zustand durch den Kompressor 5 adiabatisch, d. h. ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, verdichtet, wodurch sich das Kältemittel KM erwärmt. Das erwärmte Kältemittel KM wird dem Kondensator 4 zugeleitet und die Wärme wird an die Fahrzeugumgebung abgegeben, wodurch das Kältemittel KM kondensiert. Danach strömt das Kältemittel KM zur Druckabsenkung durch das Expansionsventil 7 und wird anschließend in den Verdampfer 6 geleitet. Im Verdampfer 6 entzieht das verdampfende Kältemittel KM die dazu notwendige Verdampfungswärme der Umgebung, wobei ein Phasenübergang des flüssigen zum gasförmigen Kältemittel KM stattfindet. Anschließend strömt das Kältemittel KM in gasförmigem Zustand zum Kompressor 5.
Zum Betrieb des Kältekreislaufs 3 wird die erforderliche Kälteleistung durch zumindest einen Kompressor 5 erzeugt, welcher elektromotorisch angetrieben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist dem Kondensator 4 ein Lüfter 8 zugeordnet, welcher bedarfsweise Umgebungsluft durch den Kondensator 4, insbesondere dessen Kühllamellen, fördert.
In Abhängigkeit des Einsatzgebietes des Verdampfers 6 kann dieser als Innenraumwärmetauscher, als Batteriewärmetauscher oder als Wärmetauscher zwischen Niedertemperaturkreislauf 2 und Kältekreislauf 3 ausgebildet sein.
In nicht dargestellten Ausführungsvarianten können mehrere Verdampfer 6, bevorzugt parallel verschaltet, im Kältekreislauf 3 angeordnet werden.
In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante sind Niedertemperaturkreislauf 2 und Kältekreislauf 3 mittels des Verdampfers 6 thermisch gekoppelt.
Der Niedertemperaturkreislauf 2 ist im Wesentlich als herkömmlicher Niedertemperaturkreislauf ausgebildet und umfasst zumindest eine Niedertemperaturkühlmittelpumpe 10, einen Niedertemperaturkühlmittelkühler 11 mit einem zugeordneten Niedertemperaturkühllüfter 12, die zu kühlenden Fahrzeugkomponenten 13 und den Verdampfer 6, welche in einem Kreislauf verschaltet sind, in welchem ein Kühlmittel KM1 zirkuliert.
Dabei umfassen die im Niedertemperaturkreislauf 2 angeordneten und zu kühlenden Fahrzeugkomponenten jeweils nicht dargestellte Kühlmittelkanäle oder entsprechenden Wärmetauscher und können im Niedertemperaturkreislauf 2 seriell und/oder parallel verschaltet sein.
Die Fahrzeugkomponenten können beispielsweise als elektrische Antriebskomponenten, Ladeluftkühler, Getriebeölkühler und/oder kühlbare Nebenaggregate einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein.
Die elektrischen Antriebskomponenten können beispielsweise als herkömmliche Traktionsbatterie, Leistungselektronik, elektrische Maschine 9, Spannungswandler und/oder Laderegler ausgebildet sein.
In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann im Fahrzeug ein Hochtemperaturkreislauf angeordnet sein, welcher als herkömmlicher Brennkraftmaschinenkühlkreislauf für eine Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs ausgebildet ist und zumindest eine Kühlmittelpumpe, eine Bypassleitung, einen Hochtemperaturkühlmittelkühler, eine Ventilanordnung und die Verbrennungskraftmaschine mit den entsprechenden Kühlmittelkanälen umfasst, welche in einem Kreislauf verschaltet sind. Bei der Verbrennungskraftmaschine kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine, z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, handeln.
In einer ersten Ausführungsvariante können Hochtemperaturkreislauf und Niedertemperaturkreislauf 2 als separate Kühlkreisläufe ausgebildet sein. In denen jeweils ein separates Kühlmittel KM1 zirkuliert.
In einer alternativen Ausführungsvariante können Hochtemperaturkreislauf und Niedertemperaturkreislauf 2 zumindest abschnittsweise fluidisch derart miteinander gekoppelt sein, dass ein herkömmliches Kühlmittel KM1 in beiden Kreisläufen zirkuliert. Dabei kann der Niedertemperaturkreislauf 2 als ein dauerhaft oder bedarfsweise zuschaltbar betriebener Teilkreislauf des Hochtemperaturkreislaufs ausgebildet sein.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während eines Bremsvorgangs auf herkömmliche Weise durch den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 9 rekuperierte elektrische Energie E in Abhängigkeit einer Außentemperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers dem Kompressor 5 des Kältekreislaufs 3 oder einem Bremswiderstand zugeleitet.
Auf diese Weise kann rekuperierte elektrische Energie E, welche nicht im elektrischen Energiespeicher speicherbar ist, zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten oder zur Aufheizung eines Fahrzeuginnenraums verwendet werden.
In einer ersten Ausführungsvariante kann im Falle eines vollständig oder nahezu vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers und anfallender rekuperierter elektrischer Energie E selbige dem Kompressor 5 des Kältekreislaufs 3 zugeleitet werden. Dies erfolgt bevorzugt bei Außentemperaturen oberhalb eines vorgebbaren Außentemperaturgrenzwertes, bei welchem ein Fahrzeuginnenraum üblicherweise mittels eines Kältekreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage gekühlt wird.
Mittels des Kompressors 5 wird die rekuperierte elektrische Energie E im Kältekreislauf 3 in thermische Kälteenergie umgewandelt. Diese thermische Kälteenergie kann mittels des Verdampfers 6 einem Fahrzeuginnenraum, einer Traktionsbatterie und/oder dem Niedertemperaturkreislauf 2 zugeführt werden. Auf diese Weise sind Fahrzeuginnenraum und/oder Traktionsbatterie mittels der umgewandelten rekuperierten elektrischen Energie E kühlbar.
Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Kälteenergie zur Kühlung oder zur Unterkühlung des Kältekreislaufs 3 und des mit diesem thermisch gekoppelten Niedertemperaturkreislaufs 2 verwendet werden.
Durch die thermische Koppelung von Kältekreislauf 3 und Niedertemperaturkreislauf 2 kann eine große Menge thermischer Kälteenergie gespeichert werden, da ein Volumen des Kühlmittels KM1 im Niedertemperaturkreislauf 2 im Vergleich zum Volumen des Kältemittels KM im Kältekreislauf 3 signifikant erhöht ist und somit eine größere thermische Speichermasse vorhanden ist. Besonders vorteilhafterweise kann die thermische Kälteenergie somit zur Kühlung aller mittels des Niedertemperaturkreislaufs 2 gekühlter Fahrzeugkomponenten 13 verwendet werden. Durch diese verbesserte Kühlung kann ein Lüfterlauf des Niedertemperaturkühllüfters 12 des Niedertemperaturkühlmittelkühlers 11 verkürzt werden, so dass eine Energieaufnahme dieses Niedertemperaturkühllüfters 12 verringert ist.
Weiterhin kann auf Grund der verbesserten Kühlung eine Pumpleistung der Niedertemperaturkühlmittelpumpe 10 im Niedertemperaturkreislauf 2 und eine daraus resultierende Energieaufnahme verringert werden.
In einer zweiten Ausführungsvariante kann im Falle eines vollständig oder nahezu vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers und anfallender rekuperierter elektrischer Energie E selbige dem Bremswiderstand zugeleitet werden. Dies erfolgt bevorzugt bei Außentemperaturen unterhalb eines vorgebbaren Außentemperaturgrenzwertes, bei welchem ein Fahrzeuginnenraum üblicherweise mittels des Hochtemperaturkreislaufs erwärmt wird.
Mittels des Bremswiderstands wird die rekuperierte elektrische Energie E im Hochtemperaturkreislauf in thermische Wärmeenergie umgewandelt. Diese thermische Wärmeenergie kann auf herkömmliche Weise einem Fahrzeuginnenraum zur Beheizung zugeführt werden.
Besonders vorteilhafterweise werden zur Durchführung des Verfahrens bestehende und im Fahrzeug bereits vorhandene Komponenten und Kreisläufe genutzt, so dass ein solches Verfahren in bestehende Konstruktionen und/oder Fahrzeuge einfach zu integrieren ist.
Bezugszeichenliste

1: Kreislaufanordnung
2: Niedertemperaturkreislauf
3: Kältekreislauf
4: Kondensator
5: Kompressor
6: Verdampfer
7: Expansionsventil
8: Lüfter
9: elektrische Maschine
10: Niedertemperaturkühlmittelpumpe
11: Niedertemperaturkühlmittelkühler
12: Niedertemperaturkühllüfter
13: Fahrzeugkomponente
E: rekuperierte elektrische Energie
KM: Kältemittel
KM1: Kühlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0266094 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines zeit- oder abschnittsweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Niedertemperaturkreislauf (2) und einem Kältekreislauf (3), welche thermisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Bremsvorgangs rekuperierte elektrische Energie (E) in Abhängigkeit einer Außentemperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers einem Kompressor (5) des Kältekreislaufs (3) oder einem Bremswiderstand zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kältekreislaufs (3) ein Innenraum des Fahrzeugs und/oder der elektrische Energiespeicher temperiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Niedertemperaturkreislaufs (2) eine Ladeluftkühlung, eine Kühlung einer Abgasrückführung, eines Motorölkreislaufs, eines Getriebeölkreislaufs, eines Schmiermittelkreislaufs, eines Hydraulikölkreislaufs und/oder elektrischer Antriebskomponenten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rekuperierte elektrische Energie (E) im Falle eines vollständig oder nahezu vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers bei Überschreitung eines vorgebbaren Außentemperaturgrenzwertes dem Kompressor (5) des Kältekreislaufs (3) zugeleitet und in thermische Kälteenergie gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kälteenergie zur Kühlung oder zur Unterkühlung des Kältekreislaufs (3) und des mit diesem thermisch gekoppelten Niedertemperaturkreislaufs (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rekuperierte elektrische Energie im Falle eines vollständig oder nahezu vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers bei Unterschreitung eines vorgebbaren Außentemperaturgrenzwertes dem Bremswiderstand zugeleitet und in thermische Wärmeenergie gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Wärmeenergie zur Aufheizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet wird.