DE102015014874A1 - Activation of a latent heat storage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Aktivierungsvorrichtung für einen Latentwärmespeicher (16), welcher über einen Flüssigkeitskreislauf mit einer elektrischen Komponente (11, 12, 14) in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist, Die Aktivierungsvorrichtung umfasst einen Kristallisationskeimgenerator (36), welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einer mechanischen Anregung Kristallisationskeime in einem als unterkühlte Schmelze vorliegenden Phasenwechselmaterial (33) des Latentwärmespeichers bereitzustellen, und ein Antriebselement (31), welches dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem mittels einer Steuervorrichtung (37) des Kraftfahrzeugs bereitstellbaren Steuersignal den Kristallisationskeimgenerator mechanisch anzuregen. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Latentwärmespeicher (16) mit einer derartigen Aktivierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Aktivierung eines derartigen Latentwärmespeichers.The invention relates to an activation device for a latent heat accumulator (16) which can be coupled via a fluid circuit to an electrical component (11, 12, 14) in a motor vehicle. The activation device comprises a crystallization nucleus generator (36) which is designed as a function of a mechanical excitation to provide nucleation nuclei in a phase change material (33) of the latent heat accumulator present as a supercooled melt, and a drive element (31) which is designed to mechanically excite the crystallization nuclei generator in dependence on a control signal which can be provided by means of a control device (37) of the motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a latent heat accumulator (16) with such an activation device and a method for activating such a latent heat accumulator.
Description
Die Erfindung betrifft eine Aktivierungsvorrichtung für einen Latentwärmespeicher, welcher über einen Flüssigkeitskreislauf mit einer elektrischen Komponente in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Latentwärmespeicher mit einer derartigen Aktivierungsvorrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aktivierung eines Latentwärmespeichers, welcher über einen Flüssigkeitskreislauf mit einer elektrischen Komponente in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist.The invention relates to an activation device for a latent heat storage, which can be coupled via a fluid circuit with an electrical component in a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a latent heat storage with such an activation device. Moreover, the invention relates to a method for activating a latent heat accumulator, which can be coupled via a fluid circuit with an electrical component in a motor vehicle.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, welcher bevorzugt aus Lithium-Ionen-Zellen oder Nickelmetallhydrid-Zellen aufgebaut sind. Die Energiespeicher der Lithium-Ionen- und Nickelmetallhydrid-Technologie besitzen zum Teil deutliche Einschränkungen bezüglich ihrer erlaubten Ladeströme und Entladeströme beziehungsweise der noch entnehmbaren Ströme am unteren Nutztemperaturbereich des Fahrzeugs. Heute werden für die Entnahme von Energie und auch den Ladebetrieb deshalb Nutzungsbeschränkungen über das Energiemanagement des Fahrzeugs realisiert, um sicherzustellen, dass die erlaubten Betriebsgrenzen der Energiespeicherzellen nicht verletzt werden. Das bedeutet nicht nur, dass der entnehmbare Strom im kalten Zustand begrenzt ist, sondern auch, dass heute Zellen bei tiefen Minustemperaturen nur sehr eingeschränkt geladen werden können, solange der Speicher kalt ist.Motor vehicles, in particular electric vehicles or hybrid vehicles, may have an electrical energy store, which are preferably constructed from lithium-ion cells or nickel-metal hydride cells. The energy storage of the lithium-ion and nickel metal hydride technology sometimes have significant limitations in terms of their permitted charging currents and discharge currents or the still removable currents at the lower useful temperature range of the vehicle. Today, for the removal of energy and also the charging operation, use restrictions are therefore implemented via the energy management of the vehicle to ensure that the permitted operating limits of the energy storage cells are not violated. This not only means that the removable current is limited in the cold state, but also that today cells can be charged only very limited at low minus temperatures, as long as the memory is cold.
Ersteres führt zu deutlich wahrnehmbaren Dynamikeinbußen beim Beschleunigen des Fahrzeugs und zur Einschränkung von Komfortfunktionen, letzteres führt zu einer deutlichen Einbuße von Energierückgewinnungspotentialen aus dem Antriebsstrang, weil der Speicher nicht mit dem von der Elektromaschine maximal rückgewinnbaren Strom beim Rekuperieren beaufschlagt werden darf. Erst, wenn der Speicher gewisse Temperaturgrenzen überschreitet, wird der Betrieb mit vollen Energieeinsparungsmöglichkeiten und voller Antriebsdynamik ermöglicht.The former leads to clearly perceptible loss of dynamics when accelerating the vehicle and the restriction of comfort features, the latter leads to a significant loss of energy recovery potential from the drive train, because the memory must not be charged with the maximum recoverable by the electric machine power during recuperation. Only when the memory exceeds certain temperature limits, the operation is enabled with full energy saving options and full drive dynamics.
Bekannt sind heute vornehmlich zwei Erwärmungsverfahren. Den Standardfall stellt die Erwärmung lediglich durch die Stromwärme bei Arbeitsbestromung mit dem temperaturbestimmt erlaubten Strom dar, was üblicherweise und abhängig von der Größe und Masse des Energiespeichers längere Zeit benötigt, als ein typischer Fahrzyklus in dem meisten Ländern der Welt. Je kälter der Speicher ist, umso weniger Strom ist erlaubt beziehungsweise entnehmbar, umso länger dauert der Anwärmvorgang durch den Betrieb selbst. Für höher entwickelte und ausgestattete Fahrzeuge und Antriebsstränge sind elektrothermische Zuheizer bekannt, die das Kühlwasser anwärmen, das den Energiespeicher durchströmt. Das erstgenannte Verfahren startet erst, wenn das Fahrzeug in Fahrbetrieb genommen wird, wodurch große Ströme anfallen, die thermisch relevant werden. Das zweite Verfahren kann auch über einen definierten, programmierten Startpunkt durch autarkes Inbetriebnehmen des Hochvoltsystems für vorgezogene Klimatisierung gestartet werden, kostet jedoch wertvolle, gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher, die dann an elektrischer Reichweite für das Fahrzeug fehlt.Today, primarily two heating methods are known. The standard case is the heating only by the current heat at working current with the temperature-controlled allowable current, which usually takes longer and depending on the size and mass of the energy storage longer than a typical driving cycle in most countries in the world. The colder the reservoir is, the less power is allowed or removed, the longer the warming up process by the operation itself. For more sophisticated and equipped vehicles and powertrains electrothermal heaters are known to heat the cooling water flowing through the energy storage. The former method only starts when the vehicle is being driven, resulting in large currents that become thermally relevant. The second method can also be started via a defined, programmed starting point by autonomous commissioning of the high-voltage system for advanced air conditioning, but costs valuable, stored energy from the energy storage, which then lacks the electrical range for the vehicle.
Bekannt sind auch Latentwärmespeicher zur Anwendung in Gebäuden, in der Industrieprozessabwärmespeicherung und -rückgewinnung und auch in Kraftfahrzeugen, wo diese schon verwendet wurden, um in verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen nach dem Motorstart schnell die noch im Latentwärmespeicher gespeicherte Restwärme zu nutzen, um den Kühlwasserkreislauf anzuwärmen, damit der Verbrenner schneller Betriebstemperatur erreicht und sauberes Abgas freisetzt sowie somit auch zur Innenraumerwärmung des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Bekannt sind im einfachsten Fall isolierte Behälter, in denen mehrere Liter Kühlwasser in einem evakuierten Doppelwandgefäß aufbewahrt werden. Die Isolation bewirkt, dass die enthaltene Kühlflüssigkeit die enthaltene Wärme nur langsam verliert und bis zu etwa 36 Stunden sinnvoll verwertbare Energiemengen erhalten bleiben. Nachteilig ist dabei, dass der unerwünschte Wärmeverlust sofort nach dem Abstellen und Abkühlen des Fahrzeugs beginnt. Einmal abgekühlt, muss eine wesentlich größere Menge Kühlwasser als normal erhitzt werden. Außerdem muss viel Bauraum für das Isoliergefäß bereitgestellt werden, möglichst in einem Bereich, in dem die Wärme auch anfällt. Am besten sind kugelförmige Gefäße geeignet, die im Fahrzeug nur schwer unterzubringen sind. Ebenfalls bekannt, jedoch für die benannten Anwendungen interessanter sind Latentwärmespeicher, die ein sogenanntes Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) nutzen. Hierbei wird der Phasenübergang des Materials selbst benutzt, um bei gleichbleibender Temperatur die anfallende Energie für den Aggregatszustandsübergang zu nutzen. Durch Verwendung entsprechender Medien kann die Temperatur, bei der der Phasenübergang geschieht, vorbestimmt werden. Es eignen sich Parafine, Fettsäuren oder Salzhydrate, unter Umständen auch einige Zuckeralkohole. Entweder wird nur der Schmelz-Erstarrungsprozess ausgenutzt, oder die Kristallisierungsphase von Salzen. Üblicherweise werden bei Nutzung der Kristallisierungsphase den Medien Stoffe zugesetzt, die die Keimbildung oberhalb der Schmelztemperatur des Mediums ermöglichen. Wenn der Übergang von fest nach flüssig geschieht, gibt anschließend nach Ende der Wärmezufuhr das Medium durch die sich ausbreitende Kristallisation und Verfestigung in einem exothermen Prozess die gespeicherte Wärme wieder ab. Diese Energie kann für einen neuen Erwärmungszyklus verwendet werden. Bei entsprechender Speicherauslegung lassen sich so Tag- und Nachtschwankungen der Temperatur, beispielsweise in Gebäuden, bei stark verringertem Energieeinsatz sehr gut ausgleichen.Also known are latent heat storage for use in buildings, in the industrial process waste heat storage and recovery, and in motor vehicles, where they have already been used to quickly use the still stored in the latent heat storage residual heat in internal combustion engine driven vehicles after engine start to heat the cooling water circuit so the combustor reaches operating temperature faster and releases clean exhaust gas and thus also provide for the interior heating of the vehicle. In the simplest case, isolated containers are known in which several liters of cooling water are stored in an evacuated double wall vessel. The insulation causes the contained cooling liquid to lose the contained heat only slowly and to maintain useful amounts of energy for up to 36 hours. A disadvantage is that the unwanted heat loss begins immediately after parking and cooling of the vehicle. Once cooled, a significantly larger amount of cooling water than normal must be heated. In addition, a lot of space must be provided for the insulated vessel, if possible in an area where the heat is generated. The best are spherical vessels that are difficult to accommodate in the vehicle. Also known, but more interesting for the named applications are latent heat storage, using a so-called phase change material (PCM). In this case, the phase transition of the material itself is used to use the accumulated energy for the aggregate state transition at the same temperature. By using appropriate media, the temperature at which the phase transition occurs can be predetermined. Parafins, fatty acids or salt hydrates may be suitable, possibly including some sugar alcohols. Either only the melt-solidification process is exploited, or the crystallization phase of salts. Usually, when the crystallization phase is used, substances are added to the media which allow nucleation above the melting temperature of the medium. When the transition from solid to liquid occurs, then, after the end of the heat supply, the medium enters through the propagating crystallization and solidification an exothermic process, the stored heat again. This energy can be used for a new heating cycle. With appropriate memory design can be so day and night fluctuations in temperature, for example, in buildings, with very reduced energy use very well balanced.
In diesem Zusammenhang offenbart die
Weiterhin ist aus der
Nachteilig an derartigen Latentwärmespeicheranordnungen ist jedoch, dass eine hohe Selbstentladung auftritt, wenn der Latentwärmespeicher nicht aufwendig isoliert wird.A disadvantage of such latent heat storage arrangements, however, is that a high self-discharge occurs when the latent heat storage is not consuming isolated.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, einen Latentwärmespeicher mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung bereitzustellen, welcher eine effizientere Speicherung von Wärmeenergie in dem Latentwärmespeicher erlaubt.It is therefore an object of the present invention to provide a device, a latent heat accumulator with such a device and a method for operating such a device, which allows a more efficient storage of heat energy in the latent heat storage.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Aktivierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Latentwärmespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an activation device having the features of patent claim 1, a latent heat accumulator having the features of patent claim 5 and by a method having the features of patent claim 8. Advantageous developments of the present invention are the subject matter of the dependent claims.
Die Erfindung geht aus von einer Aktivierungsvorrichtung für einen Latentwärmespeicher, welcher über einen Flüssigkeitskreislauf mit einer elektrischen Komponente in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist. Eine solche elektrische Komponente kann beispielsweise durch eine Leistungselektronik in Form eines Antriebsstromrichters des Kraftfahrzeugs, durch eine elektrische Maschine oder durch einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in Form einer Batterie, gegeben sein. Erfindungsgemäß wird die Aktivierungsvorrichtung weitergebildet durch einen Kristallisationskeimgenerator, welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einer mechanischen Anregung Kristallisationskeime in einem als unterkühlte Schmelze vorliegenden Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers bereitzustellen, und ein Antriebselement, welches dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem mittels einer Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs bereitstellbaren Steuersignal den Kristallisationskeimgenerator mechanisch anzuregen.The invention is based on an activation device for a latent heat accumulator, which can be coupled via a fluid circuit with an electrical component in a motor vehicle. Such an electrical component can be provided, for example, by power electronics in the form of a drive converter of the motor vehicle, by an electrical machine or by an electrical energy store of a motor vehicle, in particular in the form of a battery. According to the invention, the activation device is further developed by a nucleation generator which is designed to provide crystallization nuclei in a phase change material of the latent heat accumulator present as a supercooled melt as a function of a mechanical excitation, and a drive element which is designed as a function of one by means of a control device of the motor vehicle provide a controllable control signal to mechanically stimulate the seed generator.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Möglichkeiten eines Phasenwechselmaterials, welches mit einer elektrischen Komponente in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist, derzeit nur unzureichend ausgeschöpft werden. Insbesondere wird die Möglichkeit, dass das Phasenwechselmaterial in einem Zustand einer unterkühlten Schmelze – welcher auch als metastabiler Zustand bezeichnet wird – vorliegen kann, nicht ausgenutzt. Es wird also nur das erhöhte Speichervermögen von Wärmeenergie während des Phasenübergangs von flüssig nach fest oder fest nach flüssig ausgenutzt, die weitere Möglichkeit einer verzögerten Wärmeenergieabgabe bleibt hingegen ungenutzt. Dies ist insbesondere dadurch von großem technischem und wirtschaftlichem Interesse, da auf diese Weise eine aufwendige Isolierung zur langen Aufrechterhaltung der eingelagerten Wärmeenergie einfacher ausgestaltet werden kann und dadurch Nebenkosten sowie auch Bauraum und Gewicht eingespart werden können. Demnach erfolgt bei dem Übergang von dem Phasenwechselmaterial von einer Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts zu einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts nunmehr ein Kristallisationsvorgang nicht mehr selbsttätig, vielmehr ist dieser Kristallisationsvorgang durch eine entsprechende externe Anregung auszulösen. Eine hierfür geeignete Aktivierungsvorrichtung wird von der Erfindung bereitgestellt.The inventors have recognized that the possibilities of a phase change material, which can be coupled with an electrical component in a motor vehicle, are currently only insufficiently exhausted. In particular, the possibility that the phase change material may be present in a state of a supercooled melt - which is also referred to as a metastable state - is not exploited. It is therefore only the increased storage capacity of thermal energy during the phase transition from liquid to solid or solid liquid used, the further possibility of a delayed heat energy release, however, remains unused. This is particularly of great technical and economic interest, since in this way a complex insulation for long maintenance of the stored thermal energy can be made simpler and thereby additional costs and space and weight can be saved. Accordingly, during the transition from the phase change material from a temperature above its melting point to a temperature below the melting point, a crystallization process no longer takes place automatically; rather, this crystallization process is triggered by a corresponding external excitation. A suitable activation device for this purpose is provided by the invention.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kristallisationskeimgenerator als ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, reversibel verbiegbares Federelement ausgebildet, insbesondere als Federstahlplättchen.In an advantageous development of the seed generator is designed as a standing under mechanical prestress, reversibly bendable spring element, in particular as spring steel plate.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Antriebselement als elektromechanischer Aktuator ausgebildet.In a further advantageous embodiment, the drive element is designed as an electromechanical actuator.
Bevorzugt ist das Antriebselement dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Steuersignal seine Länge zu ändern. The drive element is preferably designed to change its length depending on the control signal.
Ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher weist eine erfindungsgemäße Aktivierungsvorrichtung sowie ein Phasenwechselmaterial auf, welches dazu ausgelegt ist, sich bei Überschreiten seiner Schmelztemperatur zu verflüssigen und in einem vorgebbaren Temperaturbereich unterhalb der Schmelztemperatur ohne ein Vorhandensein von Kristallisationskeimen in einem metastabilen Zustand der unterkühlten Schmelze zu verbleiben.A latent heat storage device according to the invention has an activation device according to the invention and a phase change material which is designed to liquefy when its melting temperature is exceeded and to remain in a predeterminable temperature range below the melting temperature without a presence of crystallization nuclei in a metastable state of the supercooled melt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Antriebselement außerhalb des Phasenwechselmaterials angeordnet.In an advantageous development, the drive element is arranged outside the phase change material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Latentwärmespeicher ein Gehäuse auf, in dem das Phasenwechselmaterial angeordnet ist, wobei der Kristallisationskeimgenerator über das Gehäuse mechanisch mit dem Antriebselement gekoppelt ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimgenerator über eine magnetische Kopplung mit dem Antriebselement gekoppelt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Kraftübertragung, da das Gehäuse in diesem Fall nicht elastisch verformbar sein muss.In a further advantageous embodiment, the latent heat accumulator has a housing in which the phase change material is arranged, wherein the crystallization nucleus generator is mechanically coupled to the drive element via the housing. Alternatively it can be provided that the crystallization nucleus generator is coupled via a magnetic coupling with the drive element. This results in a particularly advantageous power transmission, since the housing in this case does not have to be elastically deformable.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Aktivierung eines Latentwärmespeichers, welcher über einen Flüssigkeitskreislauf mit einer elektrischen Komponente in einem Fahrzeug koppelbar ist. Erfindungsgemäß wird das Verfahren weitergebildet durch Bereitstellen von Kristallisationskeimen in einem als unterkühlte Schmelze vorliegenden Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers in Abhängigkeit von einer mechanischen Anregung eines Kristallisationskeimgenerators, und mechanisches Anregen des Kristallisationskeimgenerators in Abhängigkeit von einem mittels einer Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs bereitstellbaren Steuersignal.The invention is further based on a method for activating a latent heat accumulator, which can be coupled via a fluid circuit with an electrical component in a vehicle. According to the invention, the method is further developed by providing crystallization nuclei in a phase change material of the latent heat accumulator present as a supercooled melt as a function of a mechanical excitation of a crystallization nucleus generator, and mechanically exciting the crystallization nucleus generator in dependence on a control signal which can be provided by means of a control device of the motor vehicle.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die für die erfindungsgemäße Aktivierungsvorrichtung sowie für den erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich könne für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein. In den Fig. bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Merkmale und Funktionen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. The advantages and features and embodiments described for the activation device according to the invention and for the latent heat storage device according to the invention apply equally to the method according to the invention and vice versa. Consequently, corresponding device features and vice versa can be provided for device features. In the figures, like reference characters designate like or equivalent features and functions.
Dabei zeigen:Showing:
Die Erfindung erlaubt einen optimierten Betrieb bezüglich der Betriebsparameter eines elektrochemischen Energiespeichers für Fahrzeuge mit alternativen Antriebssträngen. Solche Fahrzeuge enthalten Energiespeicher, beispielsweise Batteriezellen, welche innerhalb gewisser Temperaturgrenzen ladbar und entladbar sind. Der Betriebsstrom, mit dem diese entladen oder geladen werden dürfen, hängt von der Kerntemperatur der Batteriezellen ab. Die Erfindung erlaubt einen optimierten Betrieb dahingehend, dass ein Latentwärmespeicher benutzt wird, um bei hohen Lasten Abwärme zwischenzuspeichern, ohne einen weiteren Temperaturanstieg hinnehmen zu müssen, und diese Energie nur im Bedarfsfall vom Fahrzeug angesteuert zur Vorwärmung des Energiespeichers wieder freizusetzen. Somit kann der Temperaturbereich mit freigegebener Hochstromladefähigkeit und/oder Hochstromentladefähigkeit am Beginn des Fahrzyklus oder schon vor dem programmierten Fahrtantritt erreicht werden, wenn sonst der Speicher noch zu kalt wäre, als auch eine stark verbesserte Kühlung in Hochlastphasen unter dem oberen Grenzwert des erlaubten Temperaturbereichs ermöglicht werden.The invention allows optimized operation with respect to the operating parameters of an electrochemical energy storage device for vehicles with alternative drive trains. Such vehicles contain energy storage devices, for example battery cells, which can be charged and discharged within certain temperature limits. The operating current at which they may be discharged or charged depends on the core temperature of the battery cells. The invention allows optimized operation to the effect that a latent heat storage is used to buffer waste heat at high loads without having to accept a further increase in temperature, and release this energy only when needed by the vehicle to preheat the energy storage release again. Thus, the temperature range with released high-current capacity and / or Hochstromentladefähigkeit can be achieved at the beginning of the drive cycle or even before the programmed departure, otherwise the memory would be too cold, as well as a greatly improved cooling in high load phases below the upper limit of the allowed temperature range allows ,
In den Kühlkreislauf eines elektrischen Antriebssystems kann ein Wärmetauscher eingebracht werden. Dieser ermöglicht es, einen Wärmeübergang vom Kühlmedium zu einem im Wärmetauscher enthaltenen Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) herzustellen, dessen Phasenübergangstemperaturen so liegen, dass die Abwärme im Kühlsystem für das elektrische Antriebssystem in einem normalen Fahrzyklus hinreichend groß ist, um einen Phasenübergang von fest nach flüssig sicherzustellen. Solange, wie der Aggregatszustandsübergang stattfindet, nimmt das Phasenwechselmaterial Energie auf, ohne dass sich die Temperatur desselben ändert. Unabhängig vom Aggregatszustand und dem thermischen Status des Phasenwechselmaterials kann dieses bis zur thermischen Sättigung Lastspitzen puffern, indem der Energieeintrag entweder den Aggregatszustandswechsel beschleunigt wird oder zur einfachen Temperaturerhöhung führt. Die eingetragene Abwärme kann auch aus dem Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs stammen.In the cooling circuit of an electric drive system, a heat exchanger can be introduced. This makes it possible to heat transfer from the cooling medium to a phase change material contained in the heat exchanger (Phase Change Material, PCM), the phase transition temperatures are such that the waste heat in the cooling system for the electric drive system in a normal driving cycle is sufficiently large to a phase transition of solid to ensure liquid. As long as the aggregate state transition takes place, that takes Phase change material on energy without the temperature of the same changes. Regardless of the state of aggregation and the thermal status of the phase change material, it can buffer load peaks until thermal saturation by either accelerating the energy input or changing the state of the aggregate state or simply increasing the temperature. The registered waste heat can also originate from the internal combustion engine of a hybrid vehicle.
Für eine sinnvolle Nutzung der Möglichkeiten des Phasenwechselmaterials ist die vorgeschlagene Nutzung im Fahrzeug besonders vorteilhaft umsetzbar, wenn die Rekristallisation nach der Aufwärmphase nicht sofort beginnt, sondern auf Anforderung gestartet werden kann. Dazu muss das Phasenwechselmaterial frei von Kristallisationskeimen sein. Somit verbleibt es in der passiven Phase nach der Erhitzung in seinem flüssigen Aggregatszustand, selbst wenn eine starke Unterkühlung stattfindet. Ein aus handelsüblichen Taschenwärmern bekannter Effekt wird benutzt, um nur und ausschließlich auf Anforderung durch das Fahrzeug die exotherme Reaktion des Aggregatszustandsübergangs zurück in die Kristallisationsphase auszulösen.For a meaningful use of the possibilities of the phase change material, the proposed use in the vehicle is particularly advantageous feasible if the recrystallization does not start immediately after the warm-up, but can be started on request. For this purpose, the phase change material must be free from crystallization nuclei. Thus, it remains in the passive phase after heating in its liquid state, even if a strong hypothermia takes place. An effect known from commercial pocket warmers is used to initiate the exothermic reaction of the aggregate state transition back into the crystallization phase only and exclusively at the request of the vehicle.
Erfindungsgemäß kann dazu ein Aktuator von einem Steuergerät im Fahrzeug angesteuert werden, wenn eine programmierte Abfahrtszeit im Fahrzeug bekannt ist, oder wenn der Kunde sich dem Fahrzeug mitteilt, beispielsweise mittels Fernbedienung. Der Aktuator verbiegt vorzugsweise ein im Innern des Wärmetauschers verbautes Federstahlplättchen mit einer Vorspannung. Durch diesen Vorgang werden Kristallisationskeime freigesetzt und so die Kristallisation angestoßen und die exotherme Reaktion in Gang gesetzt. Das im Wärmetauscher befindliche Kühlmittel wird durch die Wärmeabgabe des Phasenwechselmaterials auf Temperatur gebracht und steht somit zur Anwärmung des Energiespeichers und auf Wunsch auch zum Anwärmen des Innenraumes des Fahrzeugs zur Verfügung. Das Kühlsystem muss daraufhin mit Hilfe einer Pumpe das angewärmte Kühlmittel in den Energiespeicher befördern, wo es die Batteriezellen anwärmt. Vorzugsweise werden als Unterbringungsort für den Wärmetauscher versiegelte Hohlräume der Karosserie verwendet, die ohnehin vorhanden sind. Im Unterboden und im Schwellerbereich werden dabei gleich sonst kalte Fahrzeugteile im Fußbereich auf angenehme Temperaturen gebracht. Ist der Speicher entladen und das PCM liegt komplett in seiner festen Aggregation vor, kann der nächste Aufladungszyklus beginnen, indem wieder Abwärme aus dem Betriebszyklus benutzt wird, um das Phasenwechselmaterial erneut zu verflüssigen.According to the invention an actuator can be controlled by a control unit in the vehicle, if a programmed departure time is known in the vehicle, or if the customer communicates with the vehicle, for example by means of remote control. The actuator preferably bends a spring steel plate installed in the interior of the heat exchanger with a bias voltage. This process liberates nuclei and initiates crystallization and initiates the exothermic reaction. The coolant contained in the heat exchanger is brought by the heat output of the phase change material to temperature and is thus available for heating the energy storage and, if desired, for heating the interior of the vehicle. The cooling system then needs to pump the warmed coolant into the energy storage unit where it heats the battery cells by means of a pump. Preferably used as a location for the heat exchanger sealed cavities of the body, which are available anyway. In the underbody and in the Schwellerbereich thereby otherwise cold vehicle parts in the foot area are brought to pleasant temperatures. When the reservoir is depleted and the PCM is completely in its fixed aggregation, the next charge cycle may begin by again using waste heat from the duty cycle to reflow the phase change material.
Auf eine starke Isolation kann verzichtet werden, weil das verflüssigte Phasenwechselmaterial die Energie auch bei starker Unterkühlung gespeichert behält. Sie kann jedoch verwendet werden, um einen möglichst großen Anteil der anfallenden Abwärme nutzen zu können und nicht Teile davon für die Erwärmung des Phasenwechselmaterials selbst verwenden zu müssen.A strong isolation can be dispensed with, because the liquefied phase change material keeps the energy stored even with strong hypothermia. However, it can be used in order to use as much of the waste heat as possible and not have to use parts thereof for the heating of the phase change material itself.
Es können auch Ausführungsformen vorgesehen sein, bei denen der Kühlwasserpfad den Wärmetauscher mit dem Phasenwechselmaterial mittels eines Bypasses umgehen kann, was immer dann zweckmäßig ist, wenn ohnehin hohe Außentemperaturen vorliegen. Dazu kann ein Steuergerät Jahreszeit- und Positionsdaten auswerten oder/und Temperaturprofile verfolgen, um das jeweilige Abkühlungspotential in der potentiellen Abstellpause zu bewerten und dementsprechend in der Betriebsphase die Ventile so betätigen, dass das Kühlwasser den Wärmtauscher nicht durchströmt, wenn keine Wärme gespeichert werden soll oder der Speicher bereits beladen ist. Damit wird nur so viel Kühlwasser im Zyklus erwärmt, wie nötig und die Betriebstemperatur wird sehr schnell erreicht.It can also be provided embodiments in which the cooling water path can bypass the heat exchanger with the phase change material by means of a bypass, which is always useful when there are high outside temperatures anyway. For this purpose, a controller can evaluate season and position data and / or track temperature profiles to assess the respective cooling potential in the potential Abstellpause and accordingly operate in the operating phase, the valves so that the cooling water does not flow through the heat exchanger, if no heat is to be stored or the store is already loaded. Thus, only as much cooling water is heated in the cycle as necessary and the operating temperature is reached very quickly.
Es kann weiter vorgesehen sein, die Energie im Latentwärmespeicher zu nutzen, um den Innenraum einer Nutzfahrzeugfahrerkabine zu wärmen, wenn das Fahrzeug Lenkpause hat und mit abgestelltem Verbrenner parken muss.It may further be provided to use the energy in the latent heat storage to warm the interior of a commercial vehicle cab when the vehicle has a steering break and park with the burner turned off.
Weiterhin sind Ausführungen denkbar, bei denen der gesamte Latentwärmespeicher als Modul herausnehmbar ist und anschließend an einem genormten Anschluss für „off car use” zum Beispiel zum Erwärmen von Trinkwasser genutzt werden kann. Der Vorteil wäre eine effektive Nutzung der Abwärme, die heute in der Garage wirkungslos durch Abkühlung verpufft. Denkbar sind auch Anwendungen, bei denen tagsüber mittels Solarthermie oder Geothermie ein Tauschmodul erwärmt wird, um dieses anschließend bei der nächsten Abfahrt nutzen zu können.Furthermore, embodiments are conceivable in which the entire latent heat storage module is removable as a module and can then be used on a standardized connection for "off car use", for example for heating drinking water. The advantage would be an effective use of waste heat, which fizzles in the garage today by cooling down ineffective. Also conceivable are applications in which an exchange module is heated by solar thermal or geothermal energy during the day in order to be able to use it at the next departure.
In einer ersten Anordnung gemäß der Darstellung in
Die Pumpe
Mittels der Drosselventile
Eine zweite Anordnung mit einem Latentwärmespeicher
Der erste Kühlkreislauf ist hierbei an die erste Pumpe
Ein Ablauf der zweiten Pumpe
Anhand der
Der Auslösemechanismus zum Auslösen der Energieabgabe kann so gestaltet sein, dass das Antriebselement
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere die konkreten Ausgestaltungen von Antriebselement
Die Erfindung ermöglicht es, in der Betriebsphase eines Antriebsystems anfallende Abwärme so zu speichern, dass sie anschließend nicht ungenutzt verloren geht, sondern nur bei Bedarf und vom Fahrzeug angesteuert freigesetzt wird, wenn sehr niedrige Umgebungstemperaturen herrschen, untern denen der Energiespeicher betriebstechnischen Restriktionen unterliegt. Dadurch kann die Freisetzung für einen späteren Zeitpunkt aufgespart werden und steht auch nach längerer Standzeit zur Verfügung, wenn durch Isolierung zurückgehaltene Wärme längst verloren wäre. Weiterhin ermöglicht die Erfindung in sehr heißen Umgebungsbedingungen, zumindest zeitlich begrenzt eine Temperaturanstiegsbegrenzung ähnlich einem Kühleffekt zu erzeugen, wenn der Speicher vorher entladen war. Dazu verwendete Temperaturprofile, Orts- und Zeitdaten sind im Fahrzeug ohnehin vorhanden. Die Erfindung ermöglicht es somit, den Nutzungsbereich des Energiespeichers ohne temperaturbedingt eingeschränkte Betriebsparameter zu erweitern bzw. größere Teile eines Fahrzyklus auch unter klimatisch harschen Bedingungen ohne jegliche Beschränkung der Betriebsparameter zu nutzen. Dadurch ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik Vorteile in Bezug auf Sparsamkeit und Energieverbrauch, Nutzungskomfort und elektrischer Reichweite bei elektrisch oder hybridisch angetriebenen Fahrzeugen. Wird der Latentwärmespeicher als entnehmbares Tauschmodul gestaltet, kann die Energie auch außerhalb des Fahrzeugs beispielsweise in einem Haushalt verwendet werden, beispielsweise um Trinkwasser zu erwärmen oder das Haus selbst zu heizen.The invention makes it possible to store in the operating phase of a drive system waste heat accumulated so that it is not lost unused, but only when needed and controlled by the vehicle is released when very low ambient temperatures prevail, under which the energy storage is subject to operational restrictions. As a result, the release can be saved for a later time and is available even after a longer service life, if retained by insulation heat would be lost long ago. Furthermore, in very hot environmental conditions, the invention allows to produce, at least for a limited time, a temperature rise limit similar to a cooling effect when the storage was previously discharged. For this purpose used temperature profiles, location and time data are available in the vehicle anyway. The invention thus makes it possible to expand the range of use of the energy storage without temperature-limited operating parameters or to use larger parts of a driving cycle even under climatically harsh conditions without any limitation of the operating parameters. This results in advantages over the prior art in terms of economy and energy consumption, ease of use and electrical range in electrically or hybrid-powered vehicles. If the latent heat storage designed as a removable exchange module, the energy can also be used outside the vehicle, for example in a household, for example, to heat drinking water or to heat the house itself.
Somit wurde voranstehend gezeigt, wie ein Latentwärmespeicher
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1111
- Leistungselektronikpower electronics
- 1212
- elektrische Maschineelectric machine
- 1313
- Kühlercooler
- 13a13a
- erster Kühlerfirst cooler
- 13b13b
- zweiter Kühlersecond cooler
- 1414
- Batteriebattery
- 1515
- Pumpepump
- 15a15a
- erste Pumpefirst pump
- 15b15b
- zweite Pumpesecond pump
- 1616
- LatentwärmespeicherLatent heat storage
- 3131
- Antriebselementdriving element
- 3232
- elastisches Gehäuseteilelastic housing part
- 3333
- PhasenwechselmaterialPhase change material
- 34, 3534, 35
- Betätigungselementactuator
- 3636
- PhasenwechselauslöserPhase change triggers
- 3737
- Steuervorrichtungcontrol device
- 3838
- Gehäusecasing
- 103, 103a, 103b103, 103a, 103b
- Drosselventilthrottle valve
- 106, 106b106, 106b
- Drosselventilthrottle valve
- 110110
- Drosselventilthrottle valve
- 112112
- Drosselventilthrottle valve
- Y11, Y12, Y13, Y14Y11, Y12, Y13, Y14
- Verzweigungspunktbranching point
- Y21, Y22, Y23, Y24Y21, Y22, Y23, Y24
- Verzweigungspunktbranching point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008034857 A1 [0006] DE 102008034857 A1 [0006]
- DE 102011105366 A1 [0007] DE 102011105366 A1 [0007]
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022131017A1 (en) | 2022-11-23 | 2024-05-23 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Electrical connector element and method for charging a vehicle, charging device and vehicle |
Citations (2)
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DE102008034857A1 (en) | 2008-07-26 | 2010-02-04 | Daimler Ag | Motor vehicle operating method, involves flowing coolant of coolant circuit through heat accumulator while reaching preset upper temperature limit in vehicle operation until accumulator is cooled to preset temperature value |
DE102011105366A1 (en) | 2011-06-22 | 2012-03-15 | Daimler Ag | Cooling arrangement for e.g. high volt battery of electric vehicle, has cooling circuit thermally coupled with another cooling circuit over latent heat storage unit, and bypass pipe to bypass latent heat storage unit |
-
2015
- 2015-11-17 DE DE102015014874.5A patent/DE102015014874A1/en not_active Withdrawn
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