DE102013010294A1

DE102013010294A1 - Water tank as heat storage for drive units of motor vehicles

Info

Publication number: DE102013010294A1
Application number: DE201310010294
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Die Erfindung sieht vor, mit Hilfe eines Wassertanks die Abwärme eines Antriebsaggregates einzufangen und zu speichern. Die dazugehörige Strategie sieht vor, nach Erreichen der Betriebstemperatur das Kühlmedium durch den Wärmespeicher zu leiten, und diesen auf die Betriebstemperatur aufzuheizen. Nach dem Aufheizen werden die beiden Kreisläufe getrennt. Wenn beim Starten die Temperatur des Antriebsaggregates niedriger ist als die Speichertemperatur, wird das Kühlmedium im Speicher erwärmt und dem Aggregat zugeführt.The invention provides to capture and store the waste heat of a drive unit with the aid of a water tank. The associated strategy envisages, after reaching the operating temperature, passing the cooling medium through the heat accumulator and heating it up to the operating temperature. After heating, the two circuits are separated. If the temperature of the drive unit is lower than the storage temperature when starting, the cooling medium in the storage is heated and supplied to the unit.

Description

Stand der Technik:State of the art:

Es gibt vielfältige Bestrebungen, die Betriebswärme des Antriebsaggregates eines Kraftfahrzeuges zu erhalten und zu speichern, um den nächsten Einsatz bereits bei einer näher an der Betriebstemperatur gelegenen Temperatur beginnen zu können. Diese Maßnahme bringt eine Reihe von Vorteilen, sowohl für Verbrennungsmotoren, als auch für Elektroantriebe und Brennstoffzellen.There are many attempts to obtain the operating heat of the drive unit of a motor vehicle and store in order to start the next use already at a temperature closer to the operating temperature can. This measure brings a number of advantages, both for internal combustion engines, as well as for electric drives and fuel cells.

Im Einzelnen:

– Schnell wirkende Heizung ohne zusätzlichen Energiebedarf.
– Geringerer Verschleiß durch kürzere Warmlaufphase.
– Weniger Emissionen.
– Niedrigerer Verbrauch.

In detail:

- Fast-acting heating without additional energy consumption.
- Less wear due to shorter warm-up phase.
- Less emissions.
- Lower consumption.

Die wichtigsten Methoden zum Erhalt der Wärmeenergie sind Motorkapselung und Latentwärmespeicher. Beide Methoden haben ihre spezifischen Nachteile.The most important methods of conserving heat energy are motor encapsulation and latent heat storage. Both methods have their specific disadvantages.

Um wirksam zu sein, muss die Motorkapselung den Motor vollständig dicht umhüllen, eine fast unlösbare Aufgabe bei der Fülle an Kabeln, Leitungen, Schläuchen, Rohren und sonstigen Bauteilen, die zum Motorraum hinein- und herausführen. Außerdem darf die Kühlung nicht beeinträchtigt werden, was eine bedarfsorientierte Steuerung von Lüftungsklappen usw. voraussetzt. Die Wirksamkeit leidet auch unter der großen Oberfläche, die ein derartiges Konzept notgedrungen aufweist.To be effective, the engine encapsulation must completely envelop the engine, an almost unsolvable task with the abundance of cables, wires, hoses, pipes and other components that lead in and out of the engine compartment. In addition, the cooling must not be affected, which requires an on-demand control of ventilation flaps, etc. The effectiveness also suffers from the large surface area such a concept inevitably has.

Das Prinzip des Latentwärmespeichers konnte sich bislang nicht durchsetzen, weil es verhältnismäßig teuer ist, und die aggressiven Betriebsmedien Probleme bereiten.The principle of the latent heat storage could not prevail so far, because it is relatively expensive, and cause the aggressive operating media problems.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Speichermöglichkeit zu schaffen, die effizient, einfach und kostengünstig ist.The object of the invention is therefore to provide a storage option that is efficient, easy and inexpensive.

Beschreibung:Description:

Ein mit Wasser gefüllter Behälter ist in der Art eines Wärmetauschers von einem Rohrsystem durchzogen. Dieses Rohrsystem ist über zwei Ventile an das Kühlsystem des Motors angeschlossen. Die Ventile verfügen über drei Stellungen, die sich nach der jeweiligen Situation richten.

Stellung 1: Normalstellung. Das Antriebsaggregat befindet sich auf Betriebstemperatur, der Speicher ist vollständig aufgeheizt. Die beiden Systeme sind voneinander getrennt.
Stellung 2: Aufheizen. Das Antriebsaggregat befindet sich auf Betriebstemperatur, die Speichertemperatur liegt unterhalb der Betriebstemperatur. Kühlsystem und Speichersystem werden verbunden und das Speichermedium erwärmt sich.
Stellung 3: Wärmeabgabe. Das Antriebsaggregat befindet sich noch nicht auf Betriebstemperatur, die Temperatur des Kühlsystems liegt unterhalb der Speichertemperatur. Das Speichersystem wird mit dem Kühlsystem verbunden. Damit sich das Antriebsaggregat schneller aufheizt, sind die Kühlelemente des Kühlsystems abgekoppelt.

A container filled with water is traversed by a pipe system in the manner of a heat exchanger. This pipe system is connected via two valves to the cooling system of the engine. The valves have three positions, which depend on the situation.

Position 1: normal position. The drive unit is at operating temperature, the accumulator is fully heated. The two systems are separated.
Position 2: heating up. The drive unit is at operating temperature, the storage temperature is below the operating temperature. Cooling system and storage system are connected and the storage medium heats up.
Position 3: Heat output. The drive unit is not yet at operating temperature, the temperature of the cooling system is below the storage temperature. The storage system is connected to the cooling system. Thus, the drive unit heats up faster, the cooling elements of the cooling system are disconnected.

Statt mit dem Antriebsaggregat kann das Speichersystem auch mit verbunden werden, entweder alleine, oder in Verbindung mit dem Antriebsaggregat. Dazu sind besondere, in der Fig. nicht dargestellte Ventile erforderlich.Instead of the drive unit, the storage system can also be connected to, either alone, or in conjunction with the drive unit. For this purpose, special, not shown in the Fig. Valves are required.

Der Wasserspeicher kann in seiner Formgebung an ungenutzte Freiräume im Fahrzeug angepasst werden. Zum Zwecke einer guten Isolierung sollte die Form jedoch nicht allzu zerklüftet sein. Der Speicher eignet sich auch hervorragend dazu, bei entsprechender Unterbringung den Schwerpunkt abzusenken oder die Gewichtsverteilung zu verbessern.The water reservoir can be adapted in shape to unused spaces in the vehicle. However, for the purpose of good insulation, the shape should not be too jagged. The storage is also ideal for lowering the center of gravity or improving the weight distribution when accommodated appropriately.

Eine effiziente Isolierung ist einfach und kostengünstig möglich, da der Behälter lediglich durch zwei problemlos abdichtbare Schläuche und ggfs. Sensorleitungen mit der Außenwelt verbunden ist.Efficient insulation is easy and cost-effective because the container is connected to the outside world only by means of two easily sealable hoses and, if necessary, sensor lines.

Wasser eignet sich besonders gut als Speichermedium, da es eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität besitzt. Deshalb lassen sich bereits mit relativ geringen Wassermengen gute Ergebnisse erzielen. Die Dimensionierung hängt natürlich sehr stark vom jeweiligen Einsatzfall ab, sowie von den angestrebten Eigenschaften.Water is particularly suitable as a storage medium, as it has a very high specific heat capacity. Therefore, good results can be achieved even with relatively small amounts of water. The dimensioning of course depends very much on the particular application, as well as the desired properties.

Wasser hat weiterhin den Vorteil der Umweltfreundlichkeit und der guten Verfügbarkeit. Zum Schutz gegen Einfrieren muss das Wasser mit einem handelsüblichen Frostschutzmittel versehen sein.Water still has the advantage of environmental friendliness and good availability. To protect against freezing, the water must be provided with a commercially available antifreeze.

Der typische Anwendungsfall eines derartigen Systems ist natürlich die Kombination mit einem Verbrennungsmotor. Aber auch bei einem Elektroantrieb entsteht Abwärme in den einzelnen Komponenten Elektromotor, Batterie und Steuergerät. Alle drei Komponenten benötigen ein effizientes Temperaturmanagement, um einen Ausfall wegen Überhitzung zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung bietet in diesem Zusammenhang gleich zwei wesentliche Vorteile:

1. Die Leistung des Lithium-Ionen-Akkus fällt bei niedrigen Temperaturen stark ab.
2. Die Heizung im Winter verbraucht einen Großteil der elektrischen Energie.

The typical application of such a system is of course the combination with an internal combustion engine. But even with an electric drive, waste heat is generated in the individual components of the electric motor, battery and control unit. All three components require efficient temperature management to prevent overheating failure. The present invention offers two major advantages in this context:

1. The performance of the lithium-ion battery drops sharply at low temperatures.
2. The heating in winter consumes a large part of the electrical energy.

Das System kann also einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, im Winter die Leistungsfähigkeit, den Komfort und die Reichweite zu verbessern, ohne eine größere, schwerere und kostspielige Batterie zu verwenden.The system can thus make a significant contribution to improving performance, comfort and range in winter without using a larger, heavier and more expensive battery.

Ferner eignet sich das Prinzip zur Kombination mit anderen Kühlmedien, z. B. mit der bei Elektroantrieben häufig eingesetzten Luftkühlung. Der schlechteren Effizienz der Temperaturübertragung muss allerdings bei der Auslegung Rechnung getragen werden.Furthermore, the principle is suitable for combination with other cooling media, eg. B. with the air cooling frequently used in electric drives. However, the poorer efficiency of temperature transfer must be taken into account in the design.

Für Elektroantriebe wegen ihrer Kurzstreckeneinsätze ganz besonders hilfreich (aber auch bei Verbrennungsmotoren fallweise sinnvoll, z. B. in Nordländern) ist ein Anschluss für eine Aufheizung des Wärmespeichers durch ein elektrisches Heizsystem, das z. B. vom öffentlichen Stromnetz versorgt werden kann. Zusammen mit der Batterieladung kann auch das Speichersystem aufgeheizt werden, ohne eine zusätzliche Verbindung mit dem Netz herstellen zu müssen.For electric drives because of their Kurzstreckeneinsätze very helpful (but also occasionally useful in internal combustion engines, for example, in northern countries) is a connection for heating the heat storage by an electric heating system, the z. B. can be supplied from the public grid. Along with the battery charge, the storage system can also be heated without having to make an additional connection to the network.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Verwendung von Wasser als Speichermedium. Es bietet die einfache Möglichkeit, den Speicherinhalt ganz oder teilweise abzulassen, wenn z. B. im Sommer eine Temperaturspeicherung nicht erforderlich oder gewünscht ist. Auf diese Weise kann das Fahrzeuggewicht abgesenkt werden.Another advantage is the use of water as a storage medium. It offers the easy way to drain all or part of the memory content, if z. B. in the summer, a temperature storage is not required or desired. In this way, the vehicle weight can be lowered.

Claims

Method for using a water-filled tank as a heat storage for the drive units of motor vehicles.

The method of claim 1, in that the heat accumulator is connected in the manner of a heat exchanger with the cooling system of the vehicle assembly and can be flowed through by the cooling medium.

A method according to claim 2, in that between the storage system and the cooling system are used valves with three positions with which the systems can be selectively connected or disconnected.

The method of claim 3, such that in a first valve position, the cooling circuit of the drive unit is connected to the storage system.

A method according to claim 3, such that in a second valve position, the two systems are completely separated from each other.

The method of claim 3, such that in a third valve position, the storage system and the drive unit are connected to each other, the cooling system of the drive unit is disconnected, however.

A method according to claim 4, 5, 6, in that a logic decides the respective position of the valves, takes into account the operating situation, sensor signals and parameters.

A method according to claim 6, to the effect that instead of the drive unit or in addition to the drive unit and the heating system of the vehicle can be connected to the heat exchanger.

Method according to claim 7, in that the storage medium can be partially or completely discharged.