DE102015205891B4 - Fahrzeug mit elektrischem Antrieb und mit in den Antrieb integrierter Zusatzheizung für das Fahrzeug - Google Patents

Fahrzeug mit elektrischem Antrieb und mit in den Antrieb integrierter Zusatzheizung für das Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Fahrzeug, mit:einem mit einer Heizung (9) ausgestatteten Fahrgastraum;mindestens einem elektrischen Antrieb (1), der einen Elektromotor (2), eine Leistungselektronik (3) und eine elektronische Steuerung (4) aufweist; undeiner Anordnung zum Kühlen der Leistungselektronik (3), die einen Kühlmittelkreislauf umfasst,wobei in die Leistungselektronik (3) ein elektrischer Zusatzheizer (5) für das Kühlmittel integriert ist, der so ausgebildet und eingerichtet ist, dass er Wärme an das Kühlmittel abgibt und so dimensioniert ist, dass er das Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs mittels des Kühlmittels ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung hat ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, einer Leistungselektronik für diesen Antrieb, welche zum Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs vorgesehen ist, und ein Verfahren zum Heizen eines Fahrzeugs mit mindestens einem elektrischen Antrieb zum Gegenstand.
  • Stand der Technik
  • Die Druckschriften DE 195 42 125 A1 und DE 10 2009 039 681 A1 offenbaren Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb und mit in den Antrieb integrierter Zusatzheizung für das Fahrzeug. Bei Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb wird die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Beheizen des Innenraums des Fahrzeugs genutzt, indem das Kühlmittel die in den Fahrgastraum strömende Luft erwärmt. Zusatzheizer kommen nur bei besonderen Verhältnissen zum Einsatz, z.B. beim Start des Motors bei extrem niedrigen Außentemperaturen.
  • Anders ist das bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb, sowohl bei Fahrzeugen mit vollelektrischem Antrieb („Elektrofahrzeuge“) als auch bei Fahrzeugen mit teilelektrischem Antrieb (Hybrid- oder Teil-Hybridfahrzeuge). Hier muss die Leistungselektronik ebenfalls gekühlt werden, und zwar insbesondere der Zwischenkreiskondensator und die H-Brücke bzw. die elektronischen Schalter für den Elektromotor (Drehstrommotor). Die dabei abzuführende Abwärme reicht jedoch für das Beheizen des Fahrgastraums in allen in Betracht zu ziehenden Situationen - insbesondere für Fahrten bei winterlichen Außentemperaturen - oftmals nicht aus. Daher kann eine elektrische Zusatzheizung, z.B. in Form eines PTC-Heizers, als besondere Komponente in das Fahrzeug verbaut und an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Diese Zusatzheizung wandelt elektrische Energie aus dem Hochvolt- oder Niedervolt-Bordnetz des Fahrzeugs in Wärme um, die dann zur Erwärmung des Fahrgastraumes zur Verfügung steht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es besteht daher ein Bedarf an Lösungen für die Heizung von Fahrgasträumen elektrisch betriebener Fahrzeuge, die energieeffizienter und leicht zu implementieren sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist einen mit einer Heizung ausgestatteten Fahrgastraum auf, mindestens einen elektrischen Antrieb mit Elektromotor, Leistungselektronik und eine elektronische Steuerung, und eine Anordnung zum Kühlen des Antriebs, die einen Kühlmittelkreislauf umfasst. In den elektrischen Antrieb ist ein elektrischer Zusatzheizer integriert, der so ausgebildet und eingerichtet ist, dass er Wärme an das Kühlmittel abgibt und der so dimensioniert ist, dass er das Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs ermöglicht.
  • Der Zusatzheizer ist damit in vorteilhafter Weise kein gesondertes Bauteil mehr, das zusätzlich zum Antrieb in den Kühlmittelkreislauf einzubeziehen und beim Design des Fahrzeugs zu berücksichtigen ist. Er benötigt insbesondere kein besonderes Gehäuse mit Befestigungspunkten, das im Fahrzeug angeordnet werden muss, keine Anschlüsse an das Hochvolt- oder Niedervolt-Bordnetz, keine Anschlüsse an den Kühlmittelkreislauf und auch keine Anschlüsse einer Heizungs-Steuereinheit an das Bussystem (z.B. CAN-Bus). Vielmehr stellt der Antrieb, in den der Zusatzheizer integriert ist, alle diese Nebenfunktionen intern bereit.
  • Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsvarianten gerichtet.
  • Ein erster Vorteil kann dadurch erzielt werden, dass die elektronische Steuerung des elektrischen Antriebs, die ohnehin Datenverbindungen zu einem Bussystem aufweist, über diese Datenverbindung auch die Daten für das Steuern des Zusatzheizers bereitstellt. Dadurch wird ein gesonderter Zugangspunkt zum Datenbus eingespart, und die elektronische Steuerung des elektrischen Antriebs kann unmittelbar Anschlüsse für eine Steuerung des Zusatzheizers bereitstellen.
  • Alternativ zu dieser Variante kann das Steuern des Zusatzheizers unmittelbar in die elektronische Steuerung des elektrischen Antriebs integriert sein, z.B. als Softwaremodul.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn der elektrische Antrieb den Zusatzheizer mechanisch trägt, denn dann sind keine besonderen Befestigungspunkte für den Zusatzheizer unmittelbar am Fahrzeug zu berücksichtigen.
  • Wenn das Kühlmittel die Leistungselektronik und auch den Zusatzheizer an der Antriebssteuerung thermisch kontaktiert, werden in vorteilhafter Weise Leitungen und Verbindungselemente im weiteren Kühlkreislauf eingespart.
  • Genauso vorteilhaft ist es, wenn elektrische Verbindungen vom Hoch- oder Niedervoltnetz-Anschluss des elektrischen Antriebs zum in diesen Antrieb integrierten Zusatzheizer verlaufen und die elektrische Heizleistung übertragen, denn dann werden keine besondere Anschlussstellen und Kontakte benötigt wie bei einem außerhalb des elektrischen Antriebs angeordneten Zusatzheizer.
  • Zudem ist es von Vorteil, wenn an den Kühlmittelanschlüssen am elektrischen Antrieb bereits fertig erhitztes Kühlmittel zum Weiterleiten an die Heizung des Fahrgastraums und zum Kühler in einem geschlossenen Kreislauf bereitsteht, ohne Umweg über einen Zusatzheizer als besonderem Bauteil.
  • Einen anderen Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungselektronik, die so ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie das Ansteuern eines elektrischen Antriebs für ein Fahrzeug, das mindestens einen Elektromotor und einen mit einer Heizung ausgestatteten Fahrgastraum aufweist, ermöglicht. Diese Leistungselektronik umfasst eine Steuerung, eine Anordnung zum Kühlen, welche einen Kühlmittelkreislauf umfasst, und einen integrierten elektrischen Zusatzheizer für das Kühlmittel. Dabei ist der Zusatzheizer so ausgebildet und eingerichtet ist, dass er Wärme an das Kühlmittel abgibt und er ist so dimensioniert, dass er das Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs mittels des Kühlmittels ermöglicht. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise kein gesonderter Zusatzheizer für das Fahrzeug benötigt.
  • Unteransprüche sind auf vorteilhafte Varianten dieser Leistungselektronik gerichtet.
  • Die elektronische Steuerung der Leistungselektronik kann Datenverbindungen zu einem Bussystem aufweisen und so ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie über diese Datenverbindung Daten für das Steuern des Zusatzheizers, insbesondere über Anschlüsse bereitstellt. Alternativ kann das Steuern des Zusatzheizers in die elektronische Steuerung integriert sein, z.B. als Softwaremodul. In beiden Fällen wird in vorteilhafter Weise ein besonderer Anschluss an den Datenbus eingespart.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn die Leistungselektronik den Zusatzheizer mechanisch trägt, denn dann sind keine besonderen Befestigungspunkte für den Zusatzheizer unmittelbar am Fahrzeug zu berücksichtigen.
  • Wenn das Kühlmittel die Elemente der Leistungselektronik und auch den Zusatzheizer kontaktiert, werden in vorteilhafter Weise Leitungen und Verbindungselemente im weiteren Kühlkreislauf eingespart.
  • Genauso vorteilhaft ist es, wenn elektrische Verbindungen vom Hoch- oder Niedervoltnetz-Anschluss der Leistungselektronik zum integrierten Zusatzheizer verlaufen und die elektrische Heizleistung übertragen, denn dann werden keine besondere Anschlussstellen und Kontakte benötigt wie bei einem außerhalb des elektrischen Antriebs angeordneten Zusatzheizer.
  • Zudem ist es von Vorteil, wenn an den Kühlmittelanschlüssen der Leistungselektronik bereits fertig erhitztes Kühlmittel zum Weiterleiten an die Heizung des Fahrgastraums und zum Kühler in einem geschlossenen Kreislauf bereitsteht, ohne Umweg über einen Zusatzheizer als besonderem Bauteil.
  • Eine weitere Ausführensvariante der Erfindung betrifft ihren Verfahrensaspekt. In ein erfindungsgemäßen Verfahren zum Heizen des Fahrgastraums eines Fahrzeugs, das mindestens einen elektrischen Antrieb aufweist mit einem Elektromotor, mit einer Leistungselektronik und mit einer elektronischen
  • Steuerung, und das weiterhin einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen der Leistungselektronik umfasst, werden die folgenden Schritte einbezogen:
    • - ein erstes Erhitzen des Kühlmittels durch Kühlen von Komponenten der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs erfolgt zum Abführen der Abwärme des Antriebs;
    • - ein zweites Erhitzen des Kühlmittels durch einen in den elektrischen Antrieb integrierten Zusatzheizer für das Kühlmittel erhöht dessen Temperatur so weit, dass damit das Beheizen des Fahrgastraums erfolgen kann;
    • - das Leiten des Kühlmittels vom elektrischen Antrieb über einen Vorlauf-Kühlmittelanschluss zur Heizung des Fahrgastraums und zu einem Kühler erfolgt ohne Umweg über einen gesonderten Zusatzheizer; und
    • - das Rückführen des Kühlmittels zum ersten Erhitzen erfolgt über einen Rücklauf-Kühlmittelanschluss des elektrischen Antriebs, so dass ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.
  • Eine vorteilhafte Variante dieses Verfahrens besteht darin, dass das Steuern des zweiten Erhitzens des Kühlmittels mit Daten erfolgt, die mittels des Bussystems an die elektronische Steuerung des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs übertragen werden, ohne dass für den Zusatzheizer ein besonderer Zugang zum Bussystem vorgesehen werden muss.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung wesentlicher Komponenten eines elektrischen Antriebs für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
    • 2 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs im Kühlmittelkreislauf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • In den Figuren bedeuten einfache Linien elektrische Verbindungen, gestrichelte Linien bedeuten Datenverbindungen und schraffierte Linien sind Leitungen für den Kühlmittelkreislauf.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Komponenten eines elektrischen Antriebs 1 für ein Fahrzeug. Dabei kann der Elektromotor 2 über eine dreiphasige Drehstromverbindung mit der H-Brücke 3" (auch als Vierquadrantensteller bezeichnet) verbunden sein, die ihre Energie über einen Zwischenkreiskondensator 3' aus dem Hoch- oder auch Niederspannungsnetz der Fahrzeugs über Anschlüsse 7 bezieht. H-Brücke, Zwischenkreiskondensator und ggf. weitere Bauteile werden gemeinsam als Leistungselektronik 3 bezeichnet, die über eine elektronische Steuerung 4 die gewünschte Bewegung des Fahrzeugs (vorwärts, rückwärts, beschleunigt oder verzögert) bewirkt. Die weitere Kommunikation der Steuerung des Fahrzeugs kann über einen Bus erfolgen, z.B. einen CAN-Bus, der über einen Anschluss 6 mit dem Fahrzeug verbunden ist.
  • Im Betrieb des Fahrzeugs erzeugt die Leistungselektronik 3 Abwärme, die über einen Kühlkreislauf abgeführt werden muss. Dafür wird die Kühlmittelleitung in thermischen Kontakt mit den zu kühlenden Komponenten (z.B. 3', 3") gebracht. Beim Rücklauf-Anschluss 8 kommt Kühlflüssigkeit zum Antrieb und fließt in erwärmtem Zustand über den Vorlauf-Anschluss 8' wieder ab.
  • Wenn die Abwärme der Leistungselektronik 3 nicht ausreicht, um damit den Fahrgastraum des Fahrzeugs in allen in Betracht zu ziehenden Fällen zu heizen, so kann das Kühlmittel durch einen Zusatzheizer 5 auf eine hinreichend hohe Temperatur gebracht werden. Dieser Zusatzheizer 5 ist in den elektrischen Antrieb 1 integriert; d.h. er ist kein gesondertes, im Fahrzeug zu verbauendes Bauteil. Das bedeutet zunächst, dass der Antrieb 1 den Zusatzheizer 5 mechanisch trägt und daher am Fahrzeug keine besonderen Befestigungspunkte für den Zusatzheizer 5 vorgesehen werden müssen.
  • Aber auch die elektrischen Verbindungen 7' zum Übertragen der Heizleistung vom Hoch- oder Niedervoltnetz-Anschluss 7 zum Zusatzheizer 5 sind in den Antrieb integriert und daher weniger aufwändig.
  • Die abzugebende Wärmemenge kann von einer besonderen Steuerung 6" bestimmt werden, die Daten über einen Datenanschluss 6' von der elektronischen Steuerung 4 erhält. Alternativ dazu kann die Steuerung 6" in Form eines Softwaremoduls in die Steuerung 4 integriert werden.
  • 2 zeigt Einzelheiten des Kühlmittelkreislaufs und verdeutlicht gleichzeitig die Schritte des Verfahrens zum Heizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs. Innerhalb des elektrischen Antriebs 1 des Fahrzeugs erfolgt das Erhitzen des Kühlmittels in zwei Stufen: Ein erstes Erhitzen 11 stellt das Kühlen von Komponenten der Leistungselektronik 3 des elektrischen Antriebs 1 dar, also insbesondere das Kühlen des Zwischenkreiskondensators 3' und der H-Brücke 3" bzw. der dort verwendeten Leistungsschalter. Da die dort abzuführende Wärmemenge nicht in allen Fällen für das Heizen des Fahrgastraums ausreicht, erfolgt ein zweites Erhitzen 12 des Kühlmittels durch einen in den elektrischen Antrieb 1 integrierten Zusatzheizer 5 für das Kühlmittel.
  • Sodann erfolgt ein Leiten 14 des Kühlmittels vom elektrischen Antrieb 1 über einen Vorlauf-Kühlmittelanschluss 8' zur Heizung 9 des Fahrgastraums und zu einem Kühler 10. Schließlich erfolgt das Rückführen 15 des Kühlmittels über einen Rücklauf-Kühlmittelanschluss 8 zum ersten Erhitzen 11 in einem geschlossenen Kreislauf.
  • Verschiedene Komponenten des Kühlmittelkreislaufs müssen gesteuert und geregelt werden. Dabei kann insbesondere das Steuern 13 des zweiten Erhitzens 12 des Kühlmittels auf einfache Weise mittels Daten erfolgen, die über ein Bussystem 6 an die elektronische Steuerung 4 des elektrischen Antriebs 1 des Fahrzeugs übertragen werden.

Claims (14)

  1. Fahrzeug, mit: einem mit einer Heizung (9) ausgestatteten Fahrgastraum; mindestens einem elektrischen Antrieb (1), der einen Elektromotor (2), eine Leistungselektronik (3) und eine elektronische Steuerung (4) aufweist; und einer Anordnung zum Kühlen der Leistungselektronik (3), die einen Kühlmittelkreislauf umfasst, wobei in die Leistungselektronik (3) ein elektrischer Zusatzheizer (5) für das Kühlmittel integriert ist, der so ausgebildet und eingerichtet ist, dass er Wärme an das Kühlmittel abgibt und so dimensioniert ist, dass er das Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs mittels des Kühlmittels ermöglicht.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (4) des elektrischen Antriebs (1) eine Datenverbindung zu einem Bussystem (6) aufweist und so ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie über die Datenverbindung Daten für das Steuern des Zusatzheizers (5) bereitstellt.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die elektronische Steuerung (4) des elektrischen Antriebs (1) Anschlüsse (6') für eine Steuerung (6") des Zusatzheizers (5) bereitstellt.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung des Zusatzheizers (5) in die elektronische Steuerung (4) des elektrischen Antriebs (1) integriert ist.
  5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der elektrische Antrieb (1) den Zusatzheizer (5) mechanisch trägt.
  6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrische Antrieb (1) so ausgebildet ist, dass das Kühlmittel die Leistungselektronik (3) und den Zusatzheizer (5) thermisch kontaktiert.
  7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elektrische Antrieb (1) elektrische Verbindungen (7') aufweist, die von einem Hoch- oder Niedervoltnetz-Anschluss (7) zum Zusatzheizer (5) verlaufen und so ausgebildet, eingerichtet und dimensioniert sind, dass sie die elektrische Heizleistung an den Zusatzheizer (5) übertragen.
  8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin mit: Kühlmittelanschlüssen (8, 8') am elektrischen Antrieb (1) zum Transportieren des im elektrischen Antrieb (1) erhitzten Kühlmittels zur Heizung (9) des Fahrgastraums und zu einem Kühler (10) in einem geschlossenen Kreislauf.
  9. Leistungselektronik (3), die so ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie das Ansteuern eines elektrischen Antriebs (1) für ein Fahrzeug, das mindestens einen Elektromotor (2) und einen mit einer Heizung (9) ausgestatteten Fahrgastraum aufweist, ermöglicht, wobei die Leistungselektronik (3) umfasst: eine elektronische Steuerung (4); eine Anordnung zum Kühlen, die einen Kühlmittelkreislauf umfasst; und einen integrierten elektrischen Zusatzheizer (5) für das Kühlmittel, der so ausgebildet und eingerichtet ist, dass er Wärme an das Kühlmittel abgibt und der so dimensioniert ist, dass er das Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs mittels des Kühlmittel ermöglicht.
  10. Leistungselektronik nach Anspruch 9, wobei die elektronische Steuerung (4) Datenverbindungen zu einem Bussystem (6) aufweist und so ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie über diese Datenverbindung Daten für das Steuern des Zusatzheizers (5) bereitstellt.
  11. Leistungselektronik nach Anspruch 10, wobei die elektronische Steuerung (4) Anschlüsse (6') für eine Steuerung (6") des Zusatzheizers (5) bereitstellt.
  12. Leistungselektronik nach Anspruch 9, wobei die Steuerung des Zusatzheizers (5) in die elektronische Steuerung (4) integriert ist.
  13. Verfahren zum Heizen des Fahrgastraums eines Fahrzeugs, welches mindestens einen elektrischen Antrieb (1) mit einem Elektromotor (2), einer Leistungselektronik (3) und einer elektronischen Steuerung (4) aufweist, und welches weiterhin einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen der Leistungselektronik (3) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: erstes Erhitzen (11) des Kühlmittels durch Kühlen von Komponenten der Leistungselektronik (3) des elektrischen Antriebs (1); zweites Erhitzen (12) des Kühlmittels durch einen in den elektrischen Antrieb (1) integrierten Zusatzheizer (5) für das Kühlmittel; Leiten (14) des Kühlmittels vom elektrischen Antrieb (1) über einen Vorlauf-Kühlmittelanschluss (8') zur Heizung (9) des Fahrgastraums und zu einem Kühler (10); und Rückführen (15) des Kühlmittels über einen Rücklauf-Kühlmittelanschluss (8) in einem geschlossenen Kreislauf.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Steuern (13) des zweiten Erhitzens (12) des Kühlmittels mit Daten erfolgt, die mittels eines Bussystems (6) an die elektronische Steuerung (4) des elektrischen Antriebs (1) des Fahrzeugs übertragen werden.
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