DE102015200749B4

DE102015200749B4 - Elektrisches Batterieladen durch Rekuperation von Abgaswärme

Info

Publication number: DE102015200749B4
Application number: DE102015200749.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Häfele; Carsten Spengler; Gerrit Suck
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015200749A1

Abstract

Vorrichtung zum Umwandeln von Abwärme in einem Kraftfahrzeug (1) in elektrische Energie miteiner Verbrennungskraftmaschine als einer Wärmequelle (2),einem von dieser Wärmequelle (2) erzeugbaren Hauptwärmestrom (3),in Form eines Abgasstroms,wenigstens einem thermoelektrischen Modul (4.3), welches zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie eingerichtet ist,einer Wärmespeichereinrichtung (4.5), welche zur Aufnahme und Speicherung eines ersten Wärmestroms aus diesem Hauptwärmestrom (3)eingerichtet ist und, von welcher ein zweiter Wärmestrom an das thermoelektrische Modul (4.3) abgebbar ist undeiner Wärmesteuereinrichtung, welche zum Steuern eines der Wärmeströme eingerichtet ist,wobei während eines ersten Betriebsmodus (4.a), der zweite Wärmestrom unterbrochen und der erste Wärmestrom übertragbar ist,wobei während eines zweiten Betriebsmodus (4.b) der zweite Wärmestrom übertragbar ist und der erster Wärmestrom, wenigstens im Wesentlichen, unterbrochen ist, wobeider zweite Wärmestrom durch die Wärmesteuereinrichtung (4.5)unterbrechbar istdadurch gekennzeichnet, dassdie Wärmesteuereinrichtung (4.5) aus einer Gruppe von Einrichtungen ausgewählt ist, welche elektrische, pneumatische oder hydraulische Betätigungseinrichtungen aufweist unddass sich das Kraftfahrzeug (1) im ersten Betriebsmodus (4.a) in einem Fahrbetrieb befindet und im zweiten Betriebsmodus (4.b) in einem Fahrzeugstillstand befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für das elektrische Batterieladen durch Rekuperation von Abgaswärme.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung sind aus der DE 11 2010 003 759 T5 bekannt.
Mithilfe von thermoelektrischen Generatoren (TEG), also Vorrichtungen, welche dazu vorgesehen sind, thermische in elektrische Energie zu wandeln, wird ein Teil der im Abgas enthaltenen Abwärme in elektrische Energie gewandelt. Diese Energie ist dann elektrischen Verbrauchern zuführbar. Damit ist ein Generator/Lichtmaschine in einem Kraftfahrzeug und infolgedessen auch eine Verbrennungskraftmaschine entlastbar und der Kraftstoffverbrauch ist absenkbar.
Die Einbindung derartiger thermoelektrischer System in das Abgas-(Wärmequelle) und Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs ist häufig aufwendig. Weiter entstehen durch zusätzlich benötigte Komponenten (Leitungen, Steuerklappen, Ventile, TEG) Kosten und Gewicht, dies ist in der Regel unerwünscht. Zusätzlich gibt es Betriebszustände während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs, während welcher keine oder nur ein minimaler Betrag an Energie aus dem TEG in ein Kraftfahrzeug Bordnetz zurückführbar ist, beispielsweise wird während eines Bremsvorgangs bei einem Hybridfahrzeug häufig derart viel Energie rekuperiert, dass die elektrische Energie aus dem TEG in diesem Fall ungenutzt bleibt. Dabei ist unter dieser Rekuperation die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie zu verstehen. Weiter fällt häufig, durch die relativ großen Verlustgrade von thermischen Kraftmaschinen von 50% und mehr, eine große thermische Leistung an. Um instantan also unmittelbar eine hohe Leistung nutzbar zu machen, ist demnach ein ebenso leistungsstarker TEG notwendig, welcher in der Regel ein hohes Gewicht aufweist.
Die DE 11 2010 003 759 T5 befasst sich mit einem System, bei welchem thermische Energie aus einem Abgasstrang in einem thermischen Energiespeicher speicherbar und von da aus einem thermoelektrischen Generator zuführbar ist. Aus der DE 10 2012 211 466 A1 sowie aus der DE 10 2006 040 855 B3 sind Vorrichtungen zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie in einem Kraftfahrzeug bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung weiterzubilden, so dass die Effizienz dieses Systems gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Steuerung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß ist, insbesondere zur Verbesserung der Effizienz, eine Wärmesteuereinrichtung vorgesehen, durch welche ein Wärmestrom zwischen einer Wärmespeichereinrichtung und einem thermoelektrischen Modul unterbrechbar ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Wärmequelle insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine zu verstehen. Vorzugsweise ist diese Verbrennungskraftmaschine als thermische Kraftmaschine mit innerer Verbrennung, insbesondere als ein Verbrennungsmotor in Hubkolbenbauweise, welcher weiter vorzugsweise nach dem Diesel- oder Ottoprinzip arbeitet, zu verstehen.
Bei derartigen Verbrennungskraftmaschinen fällt durch die Umwandlung von Energie, die im Kraftstoff in chemisch gebundener Form vorliegt, in mechanische Energie ein Abgasstrom an. Dieser Abgasstrom enthält in der Regel eine gewisse Restenergiemenge. Insbesondere durch thermoelektrische Module, welche dazu eingerichtet sind, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, kann wenigstens ein Teil der in diesem Abgasstrom enthaltenen Energiemenge für die weitere Verwendung nutzbar gemacht werden.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Wärmespeichereinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist. Vorzugsweise ist diese Wärmespeichereinrichtung zur Speicherung von Wärmeenergie aus diesem Abgasstrom eingerichtet.
Zum Aufladen der Wärmespeichereinrichtung ist dieser ein erster Wärmestrom aus dem Abgasstrom zuführbar. Vorzugsweise ist dieser erste Wärmestrom durch einen Volumenstrom, insbesondere ein Wärmetauschermedium, darstellbar. Dabei nimmt ein derartiges Wärmetauschermedium Wärmeenergie im Abgasstrom auf, strömt zur Wärmespeichereinrichtung und gibt die Wärmeenergie an diese wenigstens teilweise ab. Weiter vorzugsweise ist der erste Wärmestrom über Konvektion darstellbar. Vorzugsweise kontaktiert die Wärmespeichereinrichtung unmittelbar eine Führungseinrichtung, insbesondere ein Abgasrohr, in welchem dieser Abgasstrom geführt wird. Insbesondere durch die Übertragung des ersten Wärmestroms mittels eines Volumenstroms ist es ermöglicht, die Wärmespeichereinrichtung nahezu unabhängig von der Führung des Abgasstroms zu positionieren. Insbesondere durch die Übertragung des ersten Wärmestroms mittels Kontaktierung ist es ermöglicht, eine besonders effiziente Übertragung zu erreichen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem zweiten Wärmestrom eine Energieströmung zu verstehen, welche von der Wärmespeichereinrichtung zum thermoelektrischen Modul gerichtet ist. Vorzugsweise ist auch dieser zweite Wärmestrom, wie auch der erste Wärmestrom, durch einen Volumenstrom (Konvektion), Kontaktierung (Wärmeleitung) beziehungsweise durch Wärmestrahlung übertragbar.
Insbesondere dadurch, dass der zweite Wärmestrom durch die Wärmesteuereinrichtung unterbrechbar ist, ist es ermöglicht, die Wärmespeichereinrichtung während einer Fahrzeit bzw. während eines Fahrzyklusses des Kraftfahrzeugs aufzuladen und während des anschließenden Fahrzeugstillstands durch das thermoelektrische Modul zu entladen.
Ebenso ist es ermöglicht auch schon während der Fahrt einen relativ geringen Wärmestrom aus der Wärmespeichereinrichtung dem thermoelektrischen Modul zuzuführen. Dabei ist im Sinne der Erfindung unter einem relativ geringen Wärmestrom ein Wärmestrom zu verstehen, welcher geringer ist als der maximal der Wärmespeichereinrichtung zuführbare Wärmestrom. Vorzugsweise ist dieser zweite Wärmestrom kleiner als 75% des ersten Wärmestorms, weiter vorzugsweise geringer als 50% und besonders bevorzugt kleiner als 25%. Durch eine derartige Aufteilung ist es einerseits ermöglicht ein relativ kleines thermoelektrisches Modul einzusetzen und andererseits wird durch die Wärmespeichereinrichtung ein großes Abwärmepotential nutzbar.
Dabei ist ein Grundgedanke der Erfindung, die Nutzung (Umwandlung in elektrische Energie) der während des Fahrzykluses zur Verfügung gestellten Abwärme, welche in der Wärmespeichereinrichtung speicherbar ist, von der Abspeicherung dieser, zeitlich zu entkoppeln. Durch diese Entkopplung ist es insbesondere ermöglicht, ein vorzugsweise leistungsschwaches thermoelektrisches Modul einzusetzen, welches während, verglichen mit einer Zeit zum Abspeichern, längeren Zeitphase, die Wärmespeichereinrichtung entlädt. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch ein thermoelektrisches Modul und eine Wärmespeichereinrichtung, welche in der zuvor genannten Art und Weise konfiguriert sind, sowohl ein Gewichts-, wie auch ein Kostenvorteil gegenüber bekannten Systemen erreichbar sind.
Weiter vorteilhaft ist, dass sich durch einen geringen zweiten Wärmestrom ein geringer dritter Wärmestrom, Abwärme des thermoelektrischen Moduls, einstellen kann. Ein derart geringer dritter Wärmestrom ist dann mittels passiver Kühlung abführbar und es ist damit insbesondere keine aktive Kühlung aus einem Fahrzeugkühlsystem notwendig.
Bei diesem Entladevorgang wird elektrische Energie für das Bordnetz zur Verfügung gestellt und es ist durch die spezielle Konfiguration der Erfindung ermöglicht, dass diese im Bordnetz, insbesondere in der elektrischen Energiespeichereinrichtung, aufnehmbar ist. Weiter vorzugsweise ist die Wärmespeichereinrichtung bedarfsgerecht ansteuerbar. Unter dem bedarfsgerechten Ansteuern ist vorzugsweise zu verstehen, dass diese durch das thermoelektrische Modul entladbar ist, wenn elektrische Energie im Bordnetz aufnehmbar ist, wenn also insbesondere die elektrische Energiespeichereinrichtung einen Ladezustand unterhalb eines vorbestimmbaren Grenzwertes aufweist.
Dabei ist während eines ersten Betriebsmodus der Wärmestrom zwischen der Wärmespeichereinrichtung und dem thermoelektrischen Modul unterbrochen und der erste Wärmestrom, zwischen dem Abgasstrom und der Wärmespeichereinrichtung, ist übertragbar. Weiter ist dieser erste Betriebsmodus dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine im befeuerten Betrieb läuft, bzw. dass sich das Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb befindet.
In einem zweiten Betriebsmodus wird der zweite Wärmestrom von der Wärmespeichereinrichtung in Richtung auf das thermoelektrische Modul übertragen und weiter nimmt die Wärmespeichereinrichtung in diesem zweiten Betriebsmodus im Wesentlichen keinen ersten Wärmestrom aus diesem Abgasstrom auf. Weiter ist dieser zweite Betriebsmodus durch den Fahrzeugstillstand bzw. dadurch, dass die Verbrennungskraftmaschine stillsteht, weiter gekennzeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wärmestrom durch Wärmeleitung, insbesondere durch eine mittelbare oder unmittelbare Kontaktierung des thermoelektrischen Moduls mit der Wärmespeichereinrichtung, übertragbar. Insbesondere ist unter einer unmittelbaren Kontaktierung zu verstehen, dass am thermoelektrischen Modul und an der Wärmespeichereinrichtung ein Kontaktierungsbereich vorgesehen ist, in welchem sich diese zur Wärmeübertragung kontaktieren bzw. berühren. Weiter ist unter einer mittelbaren Kontaktierung des thermoelektrischen Moduls mit der Wärmespeichereinrichtung zu verstehen, dass zwischen diese beiden wenigstens ein oder mehrere Übertragungsbauteile zur Übertragung des zweiten Wärmestroms bringbar sind. Insbesondere durch eine unmittelbare Übertragung des zweiten Wärmestroms ist eine besonders effiziente Übertragung dieses Wärmestroms ermöglicht. Weiter ist insbesondere durch eine mittelbare Übertragung des zweiten Wärmestroms ein besonders sicheres Trennen der Wärmeübertragung zwischen dem thermoelektrischen Modul und der Wärmespeichereinrichtung ermöglicht.
Vorzugsweise ist zur mittelbaren Übertragung des zweiten Wärmestroms ein Übertragungsbauteil vorgesehen, welches bewegbar ist, vorzugsweise wenigstens teilweise translatorisch oder rotatorisch bewegbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wärmestrom dadurch unterbrechbar, dass das thermoelektrische Modul relativ zur Wärmespeichereinrichtung bewegbar gelagert ist. Vorzugsweise ist das thermoelektrische Modul zum Übertragen des zweiten Wärmestroms unmittelbar in Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung und wird zum Unterbrechen dieses zweiten Wärmestroms relativ von der Wärmespeichereinrichtung weg bewegt.
Zur Bewegung des thermoelektrischen Moduls ist eine elektrische, bevorzugt eine hydraulische oder eine pneumatische Betätigungseinrichtung vorgesehen. Insbesondere pneumatische Betätigungseinrichtungen wie bspw. eine Unterdruckdose, finden häufig im Kraftfahrzeugbau Anwendung und weisen eine hohe Betriebssicherheit auf. Insbesondere mittels einer hydraulischen Betätigungseinrichtung kann ein besonders sicheres Andrücken des thermoelektrischen Moduls auf der Wärmespeichereinrichtung erreicht werden und somit kann die Übertragung des zweiten Wärmestroms verbessert werden. Insbesondere mittels einer elektrischen Betätigungseinrichtung ist ein besonders präzise regelbares Andrücken des thermoelektrischen Moduls auf der Wärmespeichereinrichtung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmespeichereinrichtung als einen Bestandteil, welcher zur Wärmespeicherung vorgesehen ist, ein Bauteil auf, welches wenigstens teilweise oder vollständig aus einem Werkstoff besteht, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wenigstens folgende Werkstoffe aufweist:

- Metall,
- Keramik,
- Thermo- / Thermalöl,
- Phasenwechselmaterial, insbesondere Salz oder Metalle mit großer Schmelzwärme.

Dabei zeichnen sich die oben genannten Materialen durch eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus und weisen wenigstens z.T. eine hohe Dicht auf.
Im Sinne der Erfindung sind unter Phasenwechselmaterial Werkstoffe zu verstehen, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Derartige Werkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die oben genannten Werkstoffe, insbesondere aber Metallen, mit einer großen Schmelzwärme weisen eine Schmelzwärme von vorzugsweise größer als 100 kJ/Kg, bevorzugt größer 200 kJ/kg und besonders bevorzugt größer als 300 kJ/kg auf. Weiter vorzugsweise sind unter derartigen Metallen Werkstoffe zu verstehen, die als einen Bestandteil Aluminium, bevorzugt Zinn und besonders bevorzugt Zink aufweisen, oder wenigstens abschnittsweise daraus bestehen.
Vorzugsweise ist unter einem Metall ein Stahlwerkstoff, insbesondere ein Edelstahlwerkstoff, zu verstehen. Weiter vorzugsweise weist der Werkstoff für die Wärmespeichereinrichtung als einen Bestandteil wenigstens einen der folgenden Bestandteile auf oder besteht aus diesen, Aluminium, Kupfer, Nickel oder Messing.
Vorzugsweise sind unter einem Keramikwerkstoff Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid zu verstehen. Besonders bevorzugt ist Aluminiumoxid als Al₂O₃ ausgebildet.
Insbesondere weisen die Werkstoffe aus der Gruppe der Metalle eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität auf. Insbesondere Keramikwerkstoffe weisen ebenfalls eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität und zudem gegenüber Metallen eine geringe Dichte und damit ein geringes Gewicht auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das thermoelektrische Modul wenigstens einen Übertragerbereich zum Abgeben eines dritten Wärmestroms auf. Vorzugsweise ist dieser Übertragerbereich zum Abgeben einer Wärmemenge eingerichtet. Insbesondere dadurch, dass nicht die vollständige, dem thermoelektrischen Modul zuführbare Wärmeleistung in elektrische Energie wandelbar ist und dass weiter ist in der Regel durch das thermoelektrische Modul diese Restwärmemenge an die Umgebung abgebar. Durch diesen Übertragerbereich ist dieser dritte Wärmestrom gezielt abgebbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist dieser Übertragerbereich einen Kühlkörper auf bzw. ist als Kühlkörper mit wenigstens einer oder vorzugsweise mehreren Kühlrippen ausgestaltet. Dabei sind diese Kühlrippen derart ausgerichtet, dass sich eine natürliche bzw. freie Konvektion aufgrund des abgebbaren dritten Wärmestroms einstellt, vorzugsweise vertikale Ausrichtung der Kühlrippen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Übertragebereich von einem Konvektionsvolumenstrom anströmbar, wobei dieser Konvektionsvolumenstrom durch eine Lüftereinrichtung erzeugbar ist. Vorzugsweise ist eine Strömungsrichtung dieses Konvektionsvolumenstroms in Richtung der Erstreckung der Kühlrippen orientiert. Insbesondere durch eine derartige Ausrichtung des Konvektionsvolumenstroms und der Kühlrippen ist eine besonders gute Wärmeübertragung erreichbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Konvektionsvolumenstrom, insbesondere, nachdem dieser den Übertragerbereich verlassen hat, einer Wärmesenke im Kraftfahrzeug zuführbar bzw. aus dem Kraftfahrzeug abführbar. Im Sinne dieser Erfindung ist unter einer Wärmesenke im Kraftfahrzeug insbesondere ein Schmierstoffreservoir zu verstehen. Derartige Schmierstoffreservoire sind insbesondere in der Motorölwanne oder in einem Getriebegehäuse ausgebildet. Insbesondere durch das Zuführen dieses Konvektionsvolumenstroms an diese Wärmesenken im Kraftfahrzeug ist ein Vorwärmen von Schmierstoff beziehungsweise das Verlangsamen des Auskühlens des Schmierstoffs ermöglicht und damit ist eine weitere Effizienzsteigerung erreichbar. Insbesondere durch das gezielte Abführen des Konvektionsvolumenstroms aus dem Kraftfahrzeug ist ein verbessertes Thermo-Management des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist nach einem Verfahren steuerbar, bei welchem während einer ersten Betriebsphase der Wärmespeichereinrichtung ein erster Wärmestrom zugeführt wird, gleichzeitig oder nach dieser ersten Phase, wird aus dieser Wärmespeichereinrichtung ein zweiter Wärmestrom ab- und dem thermoelektrischen Modul zugeführt. Weiter wird in dieser zweiten Phase von wenigstens einem der thermoelektrischen Module ein dritter Wärmestrom abgeführt. Insbesondere durch die Steuerung der Wärmeströme in dieser Art und Weise ist es ermöglicht, in einer ersten Phase die Wärmespeichereinrichtung mit Wärmeenergie zu laden und während einer zweiten Phase, insbesondere einer Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs, diesen Wärmespeicher zu entladen und die dabei umgewandelte elektrische Energie besonders effizient in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung des Kraftfahrzeugs zu speichern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser zweite Wärmestrom dem thermoelektrischen Modul im Fahrzeugstillstand, insbesondere wenn Fahrgeschwindigkeit, vorzugsweise während einer geraumen Zeit, gleich Null ist, zuführbar.
Weiter kann ein Fahrzeugstillstand noch weiteren Kriterien, über eine Erkennung der Fahrgeschwindigkeit hinaus, unterworfen sein. Dadurch sind kurzzeitige Haltephasen, wie insbesondere einen Ampelhalt, nicht als Fahrzeugstillstand einordenbar. Vorzugsweise ist unter einer geraumen Zeit eine Zeitspanne von 1 Sekunde (sec.) oder mehr, bevorzugt von 60 sec. oder mehr und besonders bevorzugt von 300 sec. oder mehr zu verstehen. Weiter ist unter zusätzlichen Kriterien insbesondere eine Erkennung zu verstehen ob sich ein sogenannter Zündschlüssel oder eine Keycard zum Starten des Kraftfahrzeugs in diesem befindet.
Weiter vorzugsweise wird auch der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung berücksichtigt um zu entscheiden, ob dem thermoelektrischen Modul ein zweiter Wärmestrom zuführbar ist. Vorzugsweise ist dem thermoelektrischen Modul nur dann ein zweiter Wärmestrom zuführbar, wenn der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung, welcher elektrische Energie aus dem thermoelektrischen Modul zuführbar ist, einen Ladezustand unterhalb eines vorbestimmbaren Grenzwertes aufweist. Vorzugsweise ist dieser Grenzwert für den Ladezustand 95%, bevorzugt 85% und besonders bevorzugt 75%. Insbesondere durch einen derartigen Grenzwert wird eine effiziente Speicherung von Energie in der elektrischen Energiespeicheinrichtung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dem thermoelektrischen Modul der zweite Wärmestrom nur so lange zugeführt, bis die Wärmespeichereinrichtung einen vorbestimmbaren Energieinhalt erreicht oder unterschreitet. Vorzugsweise wird zum Feststellen dieses Energieinhalts in der Wärmespeichereinrichtung eine Temperatur, wenigstens eines Bereichs dieser Einrichtung, herangezogen. Weiter vorzugsweise ist dieser Energieinhalt (Grenzwert), bis zu welchem die Wärmespeichereinrichtung entladen wird, von der Umgebungstemperatur abhängig.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgend beschriebenen, wenigstens teilweise schematisierten, Figuren. Dabei zeigt:

1: einen Längsschnitt durch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: ein Betriebsschema für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3: zwei Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der in 1 dargestellten Schnittdarstellung des Kraftfahrzeugs 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 dargestellt. Dabei wird der Vorrichtung 4 aus der Verbrennungskraftmaschine 2 der Hauptwärmestrom 3 in Form eines Abgasstroms zugeführt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Betätigungseinrichtung (Unterdruckdose) nicht dargestellt. Der Hauptwärmestrom 3 in Form eines Abgasstroms ist vor dem Eintritt in die Vorrichtung 4 an der Stelle 3.a energiereicher als nach dem Austritt aus der Vorrichtung 4 an der Stelle 3.b.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 weist einen Abgaswärmetauscher 4.1 auf, welcher dazu eingerichtet ist, dem Hauptwärmestrom 3 in Form eines Abgasstrom möglichst viel thermische Energie zu entziehen und der Wärmespeichereinrichtung 4.5 zuzuführen. Dabei wird der Wärmespeichereinrichtung 4.5 durch den ersten Wärmestrom (nicht dargestellt) aus dem Abgaswärmetauscher 4.1 Energie zugeführt. Im Fahrzeugstillstandsmodus und wenn der Wärmespeichereinrichtung 4.5 aufgeladen ist, kann dem thermoelektrischen Modul 4.3 der zweite Wärmestrom (nicht dargestellt) zugeführt werden. Das thermoelektrische Modul 4.3 wandelt die ihm zugeführte thermische Energie in elektrische Energie um, diese ist in der Fahrzeugbatterie 6 abspeicherbar.
Dabei kann diese Batterie 6 als Traktions- oder Starter-Energiespeicher ausgebildet sein. Zum Abführen eines dritten Wärmestroms in Form eines Konvektionsvolumenstroms 4.7 über eine Abluftwärmeleitung 4.6 weist die Vorrichtung 4 einen Übertragerbereich 4.4 mit mehreren Kühlrippen auf. Zur Erhöhung der Effizienz weist die Vorrichtung 4 eine thermische Isolationsschicht 4.2 auf, mittels welcher unplanmäßige Wärmeströmungen aus der Speichereinrichtung verringerbar sind.
In 2 ist der Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit v_FZG, der Temperatur der Wärmespeichereinrichtung Tws, der durch das thermoelektrische Modul 4.3 rückgewonnenen elektrischen Leistung P_EL sowie der kumulierten Energiemenge E_kum, jeweils als Verlauf über der Zeit t dargestellt.
Während einer ersten Phase P_I befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 in einem ersten Betriebsmodus 4.a, in welchem das thermoelektrische Modul 4.3 die Wärmespeichereinrichtung nicht kontaktiert. Der elektrische Energiespeicher 6.a ist zu Beginn der ersten Phase P_I vollständig geladen, weitere Energie wäre damit nicht in diesem speicherbar. In der ersten Phase P_I bewegt sich das Kraftfahrzeug 1 mit der Geschwindigkeit v_FZG. Dabei steigt die Temperatur der Wärmespeichereinrichtung Tws durch das Zuführen eines Wärmestroms aus dem Abgasstrom an diese Wärmespeichereinrichtung an.
Wird ein Fahrzeugstillstand erkannt, insbesondere, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v_FZG für eine geraume Zeit den Wert 0 beträgt (Fahrzeugstillstand), wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in den zweiten Betriebsmodus 4.b überführt und damit die zweite Phase P_II eingeleitet.
Dazu wird das thermoelektrische Modul 4.3 mit der Wärmespeichereinrichtung 4.5 in Kontakt gebracht. Die Wärme wird aus der Wärmespeichereinrichtung insbesondere ohne Teilchentransport oder Konvektion besonders effizient übertragen. Durch diese Kontaktierung bildet sich demnach der zweite Wärmestrom (nicht dargestellt) aus und das thermoelektrische Modul 4.3 wandelt die thermische Energie aus der Wärmespeichereinrichtung 4.5 in elektrische Energie um, welche der Energiespeichereinrichtung 6 zuführbar ist. Demnach fällt in dieser zweiten Phase P_II die Temperatur der Wärmespeichereinrichtung 4.5 bis zu einem unteren Grenzwert ab, dieser entspricht einem bestimmten Energieinhalt.
Mit sinkender Temperatur Tws der Wärmespeichereinrichtung fällt auch die vom thermoelektrischen Modul 4.3 abgebbare elektrische Leistung P_EL kontinuierlich ab. Der Speicherzustand der Energiespeichereinrichtung 6 wird vom Beginn der zweiten Phase P_II vom Zustand 6.b auf den Zustand 6.c zum Ende der zweiten Phase P_II erhöht. So lange vom thermoelektrischen Modul 4.3 eine elektrische Leistung P_EL abgebbar ist, nimmt die kumulierte Energie E_kum zu. Nach Ende der zweiten Phase P_II kann erneut eine erste Phase P_I eingeleitet werden, dazu wird das thermoelektrische Modul 4.3 von der Wärmespeichereinrichtung 4.5 entfernt und die Wärmespeichereinrichtung 4.5 kann während des Fahrzeugbetriebs erneut mit Wärme aufgeladen werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung 4 in zwei Ansichten a), b). Dabei ist in 3a) eine Querschnittsansicht dargestellt, und in 3b) eine Längsschnittansicht entlang der Schnittebene A-A. Der Abgasstrom tritt an der Stelle 3.a mit einem großen Energieinhalt in die Abgaswärmetauschereinrichtung 4.1 ein. Diese entzieht dem Abgaswärmestrom möglichst viel Energie und führt diese Energie der Wärmespeichereinrichtung 4.5 in Form des ersten Wärmestorms (nicht dargestellt) zu. Durch diesen ersten Wärmestrom erhöht sich die Temperatur in der Wärmespeichereinrichtung 4.5 und diese wird geladen.
Zum Umwandeln der in der Wärmespeichereinrichtung 4.5 gespeicherten thermischen Energie kontaktiert das thermoelektrische Modul 4.3 die Wärmespeichereinrichtung 4.5. Abwärme, die aufgrund unvermeidbarer Wirkungsgradverluste in einem thermoelektrischen Modul 4.3 entsteht, kann über den Übertragerbereich 4.4 mit Kühlrippen abgeführt werden. Dabei sind die Kühlrippen in Bezug auf die Darstellung in 3a) in vertikaler Richtung ausgerichtet, so dass sich ein natürlicher Konvektionsstrom durch die Kühlrippen ergibt. Dieser Konvektionsstrom kann durch eine Lüftereinrichtung verstärkt oder umgelenkt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 kann insbesondere in einem besonders engen Bauraum, bspw. in einem Boden- / Abgastunnel 1.1 untergebracht werden. Aus diesen Gegebenheiten in der Karosserie ergibt sich ein maximaler Bauraum 1.2 für die erfindungsgemäße Vorrichtung 4.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
1.1: Boden- / Abgastunnel
1.2: maximaler Bauraum
2: Wärmequelle
3: Hauptwärmestrom
3.a: Stelle vor dem Eintritt in die Vorrichtung 4
3.b: Stelle nach dem Austritt aus Vorrichtung 4
4: Erfindungsgemäße Vorrichtung
4.a: ersten Betriebsmodus
4.b: zweiter Betriebsmodus
4.1: Abgaswärmetauscher
4.2: Isolationsschicht
4.3: thermoelektrisches Modul
4.4: Übertragerbereich
4.5: Wärmespeichereinrichtung
4.6: Abluftwärmeleitung
4.7: Konvektionsvolumenstrom
6: Energiespeichereinrichtung
6.a: elektrischer Energiespeicher
6.b: Speicherzustand von 6 zu Beginn von P_II
6.c: Speicherzustand von 6 zum Ende von P_II
PI: erste Phase
PII: zweite Phase
PEL: elektrische Leistung
TWS: Temperatur der Wärmespeichereinrichtung
vFZG: Fahrzeuggeschwindigkeit

Claims

Vorrichtung zum Umwandeln von Abwärme in einem Kraftfahrzeug (1) in elektrische Energie mit einer Verbrennungskraftmaschine als einer Wärmequelle (2), einem von dieser Wärmequelle (2) erzeugbaren Hauptwärmestrom (3), in Form eines Abgasstroms, wenigstens einem thermoelektrischen Modul (4.3), welches zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie eingerichtet ist, einer Wärmespeichereinrichtung (4.5), welche zur Aufnahme und Speicherung eines ersten Wärmestroms aus diesem Hauptwärmestrom (3) eingerichtet ist und, von welcher ein zweiter Wärmestrom an das thermoelektrische Modul (4.3) abgebbar ist und einer Wärmesteuereinrichtung, welche zum Steuern eines der Wärmeströme eingerichtet ist, wobei während eines ersten Betriebsmodus (4.a), der zweite Wärmestrom unterbrochen und der erste Wärmestrom übertragbar ist, wobei während eines zweiten Betriebsmodus (4.b) der zweite Wärmestrom übertragbar ist und der erster Wärmestrom, wenigstens im Wesentlichen, unterbrochen ist, wobei der zweite Wärmestrom durch die Wärmesteuereinrichtung (4.5) unterbrechbar ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesteuereinrichtung (4.5) aus einer Gruppe von Einrichtungen ausgewählt ist, welche elektrische, pneumatische oder hydraulische Betätigungseinrichtungen aufweist und dass sich das Kraftfahrzeug (1) im ersten Betriebsmodus (4.a) in einem Fahrbetrieb befindet und im zweiten Betriebsmodus (4.b) in einem Fahrzeugstillstand befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus der erste Wärmestrom der Wärmespeichereinrichtung (4.5) zuführbar ist, und das gleichzeitig der zweite Wärmestrom an das thermoelektrische Modul (4.3) abgebbar ist und, dass der zweite Wärmestrom kleiner als der erste Wärmestrom ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom durch Wärmeleitung übertragbar ist und dass die Wärmespeichereinrichtung (4.5) zur Übertragung des zweiten Wärmestroms durch das thermoelektrische Modul (4.3) mittelbar oder unmittelbar kontaktierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterbrechen des zweiten Wärmestroms das thermoelektrische Modul (4.3) relativ zur Wärmespeichereinrichtung (4.5) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinrichtung (4.5) als einen Bestandteil, welcher zur Wärmespeicherung vorgesehen ist, ein Bauteil aufweist, welches wenigstens teilweise oder vollständig aus einem Werkstoff besteht, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wenigstens folgende Werkstoffe aufweist: - Metall, - Keramik, - Thermo-/Thermalöl, - Phasenwechselmaterial.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine thermoelektrische Modul (4.3) einen Übertragerbereich (4.4) zum Abgeben eines dritten Wärmestroms aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerbereich (4.4) als Kühlkörper mit wenigstens einer oder mehreren Kühlrippen ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgeben des dritten Wärmestroms ein Konvektionsvolumenstrom (4.7) erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Konvektionsvolumenstrom (4.7) einer Wärmesenke im Kraftfahrzeug zuführbar ist oder aus dem Kraftfahrzeug (1) abführbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während einer ersten Phase (P_I) der Wärmespeichereinrichtung (4.5) ein erster Wärmestrom zugeführt wird, dass gleichzeitig oder nach dieser ersten Phase (P_I) aus der Wärmespeichereinrichtung (4.5) ein zweiter Wärmestrom dem thermoelektrischen Modul (4.3) zugeführt wird, dass von diesem thermoelektrischen Modul (4.3) ein dritter Wärmestrom abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zweite Wärmestrom im Fahrzeugstillstand dem thermoelektrischen Modul (4.3) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom dem thermoelektrischen Modul (4.3) nur so lange zugeführt wird, bis ein Energieinhalt oder eine Temperatur der Wärmespeichereinrichtung (4.5) einen vorgebbaren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.