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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsmotor, einem Wärmespeicher zum Speichern von Abwärme und einem elektrischen Heizgerät für das Motorkühlmittel, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmespeichers in einem derartigen Kraftfahrzeug, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei Kraftfahrzeugen ermöglicht ein Wärmespeicher für die im Kühlmittel enthaltene Wärme, welcher die gespeicherte Wärme je nach Umgebungstemperatur mindestens 24 Stunden lang halten kann, Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch und entsprechend weniger Schadstoff-Emissionen. Die während einer Fahrt und/oder bei deren Beendigung im Wärmespeicher gespeicherte Wärme wird dazu genutzt, den Verbrennungsmotor und ggf. den Antriebsstrang bei erneuter Inbetriebnahme möglichst schnell wieder auf seine Betriebstemperatur zu bringen, was die Reibungsverluste im Motor und Antriebsstrang wesentlich verringert und es erlaubt, ein hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionen optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Die gespeicherte Wärme kann auch dazu genutzt werden, andere Fahrzeugkomponenten wie z. B. die Fahrzeugbatterie und/oder den Fahrzeuginnenraum schnell zu erwärmen. Der Wärmespeicher ist häufig ein reiner Warmwasserspeicher für wässriges Kühlmittel.
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Typischerweise wird ein Kraftfahrzeug-Wärmespeicher in kleinen Schritten geladen, sobald das Kühlmittel höhere Temperaturen erreicht hat, bzw. dann, wenn überschüssige Wärmeenergie zur Verfügung steht. Dies ist der Fall, wenn die Thermostattemperatur des Motorkühlsystems, bei der das Kühlmittel durch den Kühler zirkuliert wird, erreicht ist oder beinahe erreicht ist.
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Die
DE 10 2011 050 199 A1 offenbart ein Hybridfahrzeug mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche, mit einem seriellen Kühlmittelkreis von dem Antriebsmotor durch einen Wärmetauscher für Fahrzeuginnenraumheizung, einen Kühler und einen Wärmespeicher. Der Kühler besitzt einen Bypass, um das Kühlmittel möglichst schnell auf Betriebstemperatur bringen zu können, und auch der Wärmespeicher besitzt einen Bypass, nicht aber der Wärmetauscher.
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Die
US 5 291 960 A offenbart ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor, einem Wärmespeicher zum Speichern von an das Motorkühlmittel abgegebener Motorabwärme sowie einem elektrischen Heizgerät, das dem Wärmespeicher nachgeschaltet ist und dazu dient, dem Wärmespeicher entnommenes Kühlmittel vorzuheizen, aber erst dann, wenn dessen Temperatur unter einen vorbestimmten Wert gesunken ist. Zum Vorheizen des Kühlmittels dient überschüssige elektrische Energie, nämlich elektrischer Strom, den der Antriebsmotor erzeugt, wenn er beim Verlangsamen des Fahrzeugs durch regeneratives Bremsen als Generator betrieben wird, hier Rekuperationsbremsenergie genannt, soweit diese Energie nicht von anderen Verbrauchern benötigt wird oder von der Fahrzeugbatterie aufgenommen werden kann.
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Die
EP 0 827 853 A2 offenbart ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor, einem Latentwärmespeicher sowie einem Heizwiderstand im Latentwärmespeicher zum Umwandeln von Rekuperationsbremsenergie in gespeicherte Wärme.
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Die
DE 27 50 894 A offenbart einen stationären Dieselmotor zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie, wobei Wasser, das mittels einer Flüssigkeitsbremse erwärmt worden ist, mittels einer nachgeschalteten Wärmepumpe noch mehr erwärmt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftfahrzeug mit Wärmespeicher und ein entsprechendes Betriebsverfahren bereitzustellen, die ein noch schnelleres Aufwärmen des Antriebsmotors bei einem Kaltstart ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Einige dieser Weiterbildungen sind möglicherweise auch bei einem Kraftfahrzeug und einem Verfahren vorteilhaft, das nur die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche aufweist.
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Gemäß der Erfindung sind Ventile zum wahlweisen Schalten eines kleinen Kreislaufs vorgesehen, in dem Kühlmittel nur durch den Antriebsmotor und den Wärmespeicher, aber weder durch den Kühler noch durch den Wärmetauscher zirkuliert. Damit kann die während eines Kaltstarts zirkulierende Kühlmittelmenge noch kleiner und kann die Aufwärmphase noch kürzer gemacht werden als im gattungsbildenden Stand der Technik.
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In einer bevorzugten Ausführungsform führt ein erster Kühlmittelkreis von dem Antriebsmotor über eines der Ventile und den Kühler zurück zum Antriebsmotor, ein zweiter Kühlmittelkreis führt von dem Antriebsmotor über ein anderes der Ventile und den Wärmetauscher zurück zum Antriebsmotor, und der kleine Kreislauf führt von dem Antriebsmotor über das eine Ventil, den Wärmespeicher und das andere Ventil zurück zum Antriebsmotor.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Ventile derart schaltbar, dass Kühlmittel der Reihe nach nur durch den Antriebsmotor, den Wärmespeicher und den Wärmetauscher zirkuliert. In einem Wärmespeicherungsbetrieb kann der Wärmespeicher dann erwärmtes Kühlmittel direkt vom Antriebsmotor empfangen und somit besonders schnell und hoch aufgeheizt werden, bevor für weiteres Aufheizen das elektrische Heizgerät in Aktion tritt.
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Indessen kann in einem Motoraufwärmbetrieb der Antriebsmotor entweder durch im Wärmespeicher gespeicherte Wärme oder durch elektrisches Heizen mittels des Heizgeräts oder durch beides erwärmt werden. Das heißt, der Antriebsmotor kann nicht nur durch die gespeicherte Wärme, sondern alternativ oder zusätzlich durch elektrisches Heizen während der Fahrt besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden, während das Kühlmittel durch den Wärmespeicher zirkuliert, in dem das elektrische Heizgerät arbeitet. Die elektrische Energie dafür muss keine Rekuperationsenergie sein, sondern sie kann durch den Stromgenerator des Fahrzeugs erzeugt werden, wenn der Antriebsmotor ein Verbrennungsmotor ist, oder sie kann der Fahrzeugbatterie entnommen werden, wenn das Fahrzeug z. B. an einer Ampel steht und der Stromgenerator im Motorleerlauf nicht genügend Energie liefert, oder wenn das Fahrzeug ein reines Elektrofahrzeug ist.
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Das elektrische Heizgerät kann in dem Wärmespeicher selbst eingebaut und dafür eingerichtet sein, die Temperatur eines in dem Wärmespeicher enthaltenen Wärmespeichermediums, welches das Kühlmittel des Antriebsmotors ist oder umfasst, über einen mittels der Abwärme erreichten Wert hinaus zu erhöhen und/oder auf einem solchermaßen erhöhten Wert zu halten. Außerdem ist der Wärmespeicher für höhere maximale Kühlmitteltemperaturen als ungefähr 105 °C ausgelegt, um die Temperatur des Wärmespeichermediums nach Möglichkeit, d. h., wenn überschüssige elektrische Energie zur Verfügung steht, über diesen Wert hinaus erhöhen zu können, und in bevorzugten Ausführungsformen über eine noch höhere Temperatur wie z. B. 110, 115 oder 120 °C hinaus.
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Im Falle eines wässrigen Kühlmittels muss der Wärmespeicher natürlich für entsprechend höhere Kühlmitteldrücke ausgelegt sein. Ein Wärmespeicher, der leicht so konstruiert werden kann, dass er bei geringem Gewicht entsprechende Drücke aushält, ist in der
DE 10 2012 204 988 A1 offenbart. Falls der Wärmespeicher von dem übrigen Kühlkreislauf getrennt wird, bevor das Überhitzen stattfindet, kann der übrige Kühlkreislauf unverändert bleiben. In diesem Fall wird erst dann wieder erlaubt, den Wärmespeicher mit dem übrigen Kühlkreislauf zu verbinden, wenn die Temperatur darin unter 105 °C gesunken ist.
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Alternativ ist es möglich, auch den übrigen Kühlkreislauf für höhere Drücke als üblich auszulegen, oder man verwendet statt eines überwiegend wässrigen Kühlmittels ein besonderes Kühlmittelgemisch mit höherem Siedepunkt bzw. niedrigerem Dampfdruck bei hohen Temperaturen.
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Die Erfindung eignet sich besonders für Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsmotor oder Hauptantriebsmotor und mit einer elektrischen Maschine, die entweder nur als elektrischer Generator arbeitet, z. B. als Lichtmaschine, oder die zusätzliche Antriebskraft bereitstellen kann, wie im Falle eines Hybridfahrzeugs mit einem beliebigen Hybridisierungsgrad. Dabei liefert der Verbrennungsmotor die Abwärme, und die elektrische Maschine liefert immer dann, wenn sie das Fahrzeug bei abgeschalteter Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor verlangsamt, Rekuperationsenergie, die unter anderem zum Betrieb des elektrischen Heizgeräts verwendet werden kann.
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Bei einem derartigen Kraftfahrzeug ermöglicht es die Erfindung, die Aufwärmphase nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wesentlich kürzer als bislang möglich zu halten und damit Kraftstoff und Emissionen zu sparen.
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Der konstruktive Aufwand dafür ist gering, weil lediglich das elektrische Heizgerät im Wärmespeicher vorgesehen werden muss. Der Wirkungsgrad kann sehr hoch sein, weil das elektrische Heizgerät einfach ein Heizwiderstand sein kann, der nach Art eines Tauchsieders in das Wärmespeichermedium eingetaucht ist und vorzugsweise nahe am Boden und mit möglichst großem Abstand von den Seitenwänden des Wärmespeichers angeordnet ist, so dass der Heizwiderstand überall von Kühlmittel umgeben ist, wobei sich das meiste Kühlmittel darüber befindet.
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Zweckmäßigerweise wird für das elektrische Heizen des Wärmespeichers nur oder überwiegend Rekuperationsenergie verwendet, die auf andere Weise nicht sinnvoll nutzbar ist, z. B. weil gerade wenig elektrischer Strom im Fahrzeug benötigt wird und die Fahrzeugbatterie schon gut geladen ist.
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Die Erfindung eignet sich nicht nur für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, sondern auch für rein elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit flüssigkeitsgekühlten Elektromotoren. In diesem Fall ist es die Abwärme des Elektromotors, die im Wärmespeicher gespeichert wird, und das Wärmespeichermedium wird überhitzt, sobald überschüssige Rekuperationsenergie zur Verfügung steht. Die so gespeicherte Wärme kann genutzt werden, um die Traktionsbatterie und/oder den Innenraum des Elektrofahrzeugs schnell aufzuwärmen, wenn das Fahrzeug nach längerem Stillstand in kalter Umgebung wieder in Betrieb genommen wird.
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Bei niedrigen Außentemperaturen ist das Ladungsaufnahmevermögen der gängigen Typen von Traktionsbatterien relativ gering, so dass während des Fahrens bei Kälte häufiger als sonst Rekuperationsenergie zur Verfügung steht, die von der Traktionsbatterie nicht mehr aufgenommen werden kann. Durch die Möglichkeit, mit der Rekuperationsenergie das Wärmespeichermedium gezielt zu überhitzen, wird diese Energie nicht vergeudet.
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Die Erfindung kann insbesondere bei Personen- und Lastkraftwagen zum Einsatz kommen.
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Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine Prinzipskizze des Kühlkreislaufs in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor; und
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2 zeitliche Temperaturverläufe beim Abkühlen eines Wärmespeichers ohne bzw. mit Temperaturüberhöhung.
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Bei dem in 1 gezeigten Kühlkreislauf führt ein erster Kühlwasserkreis von einem ersten Kühlwasserauslass 15 eines Verbrennungsmotors 1 mit angeschlossenem Getriebe 2 über einen Temperatursensor 3 und ein Drei-Wege-Ventil 4 zu einem Kühler 5 und von dort über eine Wasserpumpe 6 zurück zum Verbrennungsmotor 1. Ein zweiter Kühlwasserkreis führt von einem zweiten Kühlwasserauslass 16 des Verbrennungsmotors 1 über ein Drei-Wege-Ventil 7 zu einem Wärmetauscher 8 für Insassen- oder Innenraumheizung und von dort über die Wasserpumpe 6 zurück zum Verbrennungsmotor 1. Die entsprechenden Strömungsrichtungen sind in 1 mit Pfeilen eingezeichnet.
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Ein weiterer Kühlkreislauf führt von dem Ventil 4 über eine Wasserpumpe 9 zu einem Wärmespeicher 10 und von dort über einen Temperatursensor 11 zum Ventil 7. Außerdem kann ein nicht gezeigtes Entlüftungssystem für die beiden Kühlkreisläufe vorgesehen sein.
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Im normalen Betrieb sind die Ventile 4 und 7 so geschaltet, dass das Kühlwasser durch den Kühler 5 und/oder den Wärmetauscher 8 strömt, aber nicht durch den Wärmespeicher 10.
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In einem Wärmespeicherungsbetrieb werden die Ventile
4 und
7 so geschaltet, dass warmes oder heißes Kühlwasser aus dem Verbrennungsmotor direkt, d. h. nicht über einen Wärmetauscher wie in der
DE 10 2011 050 199 A1 , in den Wärmespeicher
10 strömt, bis dieser mit heißem Kühlwasser gefüllt ist. Dies kann mittels des Temperatursensors
11 festgestellt werden. Anschließend werden die Ventile
4 und
7 wieder in den Normalbetrieb geschaltet, so dass das heiße Kühlwasser im Wärmespeicher
10 gespeichert bleibt. Für möglichst lange Erhaltung der Wärme ist der Wärmespeicher
10 gut wärmeisoliert.
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Das im Wärmespeicherungsbetrieb aus dem Wärmespeicher 10 ausströmende Kühlwasser kann entweder über den Wärmetauscher 8 zum Verbrennungsmotor 1 zurückströmen, falls für Insassen- oder Innenraumheizung benötigt, oder es kann direkt zum Verbrennungsmotor 1 zurückströmen, nämlich zu dessen Kühlwasserauslass 16, in diesem Abschnitt also entgegen der Strömungsrichtung im normalen Betrieb, wie mit einem gestrichelten Strömungspfeil eingezeichnet. Zu diesem Zweck sind die beiden Kühlwasserauslässe 15 und 16 effektiv weit voneinander entfernt. Dies könnte z. B. durch eine interne Gabelung des Kühlwasserweges im Verbrennungsmotor 1 in genügendem Abstand vor den Kühlwasserauslässen 15 und 16 realisiert werden.
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Wird der Verbrennungsmotor 1 nach Beendigung einer Fahrt und längerem Stillstand z. B. über Nacht wieder gestartet, d. h., es findet ein Kaltstart statt, misst der Temperatursensor 3 eine niedrige Temperatur des Kühlwassers. Daraufhin werden die Ventile 4 und 7 so geschaltet, dass in einem kleinen Kreislauf das warme Kühlwasser aus dem Wärmespeicher 10 über die beiden Kühlwasserauslässe 15 und 16 durch den Verbrennungsmotor 1 zirkuliert, was den Verbrennungsmotor 1 und ggf. das Getriebe 2 und weitere Komponenten des Antriebstrangs schnell erwärmt. Hat der Verbrennungsmotor 1 seine Betriebstemperatur oder eine definierte Temperaturschwelle erreicht, schalten die Ventile 4 und 7 wieder auf den Normalbetrieb um.
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Somit kann der Motoraufwärmbetrieb, aber auch der Wärmespeicherungsbetrieb in einem sehr kleinen Kreislauf und damit besonders schnell stattfinden. Alternativ kann das Kühlwasser statt über den Kühlwasserauslass
16 über den Wärmetauscher
8 zum Verbrennungsmotor
1 zurückströmen gelassen werden, falls Insassenoder Innenraumheizung gewünscht wird. Auch im letzteren Fall wird das Bedürfnis nach Aufwärmen des Verbrennungsmotor
1 vorrangig erfüllt und nicht nachrangig, wie in der
DE 10 2011 050 199 A1 . Und auch wenn in einem Motoraufwärmbetrieb oder Wärmespeicherungsbetrieb der Wärmetauscher
8 mit durchströmt wird, ist die insgesamt zirkulierende Kühlwassermenge kleiner als in der
DE 10 2011 050 199 A1 , weil die Leitungen zu und von dem Kühler
5, die relativ dick und lang sein müssen, von dem Kreislauf ausgenommen sind.
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Die erneute Füllung des Wärmespeichers 10 kann bereits vor dem Umschalten der Ventile 4 und 7 geschehen sein, oder die Wärmespeicherung wird zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt. Während der Fahrt kann eine wiederkehrende Überprüfung und/oder Neufüllung des Wärmespeichers 10 vorgesehen sein, um stets eine hohe Temperatur des Kühlwassers im Wärmespeicher 10 zu garantieren.
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Im Wärmespeicher 10 befindet sich ein Heizwiderstand 12, der ähnlich einem Tauchsieder direkt von dem Kühlwasser oder Latentwärmespeichermedium umgeben ist. Der Heizwiderstand 12 sollte nahe am Boden und mit möglichst großem Abstand von den Seitenwänden des Wärmespeichers angeordnet sein, wie in 1 angedeutet.
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Das Kraftfahrzeug enthält außerdem eine Fahrzeugbatterie 13 und einen elektrischen Antriebsmotor, der beim Verlangsamen des Fahrzeugs durch regeneratives Bremsen bei abgeschalteter Kraftstoffzufuhr als Generator 14 wirkt, welcher unter anderem die Fahrzeugbatterie 13 laden und/oder den Heizwiderstand 12 mit Strom versorgen kann, wie in 1 schematisch gezeigt.
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Nachdem der Verbrennungsmotor 1 seine Betriebstemperatur oder eine definierte Temperaturschwelle erreicht hat und der Wärmespeicher 10 durch Umschalten der Ventile 4 und 7 abgesperrt worden ist, wird jedes Mal, wenn der Generator 14 im Fahrbetrieb Rekuperationsenergie erzeugt, die nicht von anderen Verbrauchern benötigt wird oder von der Fahrzeugbatterie 13 aufgenommen werden kann, diese Rekuperationsenergie dazu verwendet, den Wärmespeicher 10 mittels des Heizwiderstandes 12 noch mehr mit Wärme aufzuladen, indem die Temperatur des darin befindlichen Kühlmittels und sonstigen Wärmespeichermediums weiter erhöht wird.
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Der Wärmespeicher 10 bleibt geschlossen, d. h. vom übrigen Kühlmittelkreislauf getrennt, während das Fahrzeug mit diesem höheren Temperaturniveau des Wärmespeichers 10 fährt. Wenn das Temperaturniveau während einer längeren Fahrt durch Isolationsverluste etwas sinkt, kann ggf. von Zeit zu Zeit elektrisch nachgeheizt werden.
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Bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor als alleinigem Antrieb ist die Fahrzeugbatterie 13 meist eine Blei-Säure-Batterie, und bei einem Hybridfahrzeug mit einem beliebigen Hybridisierungsgrad, bei dem die Fahrzeugbatterie 13 zusätzliche Antriebskraft bereitstellen kann, ist die Fahrzeugbatterie 13 oft eine Lithium-Ionen-Batterie. Beide Batterietypen sind gegen kalte Umgebungsbedingungen empfindlich. Insbesondere Temperaturen unter dem Gefrierpunkt vermindern das Ladungsaufnahmevermögen beträchtlich, besonders bei einer Lithium-Ionen-Batterie. Daher steht gerade an kalten Tagen besonders häufig überschüssige Rekuperationsenergie zur Verfügung, die dem Heizwiderstand 12 zugeführt werden kann, um eine spätere Wiederaufwärmphase des Verbrennungsmotors 1 zu verkürzen.
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In 2 zeigt das Bezugszeichen 20 einen typischen Verlauf der Temperaturabnahme des Wärmespeichers 10 über 72 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, wenn das Kühlmittel bzw. Wärmespeichermedium im Wärmespeicher 10 anfänglich einen maximalen Wert der Kühlmitteltemperatur von ungefähr 105 °C besaß und der Wärmespeicher 10 geschlossen worden ist, nachdem er dieses Temperaturniveau erreicht hat.
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Das Bezugszeichen 21 zeigt den typischen Verlauf der Temperaturabnahme desselben Systems desselben Wärmespeichers 10, wenn das Kühlmittel bzw. Wärmespeichermedium im Wärmespeicher anfänglich einen Wert von ungefähr 120 °C besessen hat.
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Man erkennt in 2, dass der Temperaturverlauf 21 eine kürzere spätere Wiederaufwärmphase des Verbrennungsmotors als der Temperaturverlauf 20 ermöglicht.
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Man erkennt in 2 auch, dass die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren auch dann nützlich sein können, wenn das Temperaturniveau des Wärmespeichers 10 nicht über ca. 105 °C gebracht wird, weil der Wärmespeicher 10 nicht dafür ausgelegt ist. Zum Beispiel kann es sein, dass bei gemäßigter Fahrweise und/oder niedrigen Umgebungstemperaturen die Kühlmitteltemperatur während einer Fahrt gar nicht über einen relativ niedrigen Wert von z. B. 80 °C steigt. Falls ein Bordcomputer feststellt, dass die Kühlmitteltemperatur voraussichtlich nicht mehr weiter steigen wird, kann er dafür sorgen, dass zumindest der Wärmespeicher 10 mittels Rekuperationsenergie und des Heizwiderstandes 12 auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, was die Zeitspanne verlängert, nach der die gespeicherte Wärmeenergie zum Wiederaufwärmen des Verbrennungsmotors genutzt werden kann.
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In einem Fall, in dem das Wärmespeichermedium im Wärmespeicher 10 nicht nur aus Kühlmittel des Antriebsmotors besteht, sondern zusätzlich ein Latentwärme speicherndes Material umfasst, kann es sein, dass die Temperaturverläufe 20 und 21 etwas anders aussehen als in 2. Zum Beispiel im Falle eines Phasenumwandlungsmaterials als Latentwärmespeichermedium würde die Temperatur während gewisser Zeitspannen, während der das Material seine Phase ändert, ungefähr konstant bleiben. Entsprechendes gilt für den umgekehrten Temperaturverlauf beim Aufheizen des Wärmespeichers, wobei die Temperatur während Zeitspannen der Phasenänderung nicht oder nur wenig steigt. Während dieser Zeitspannen erhöht das elektrische Heizen weniger die Temperatur, sondern überwiegend die Enthalpie des Wärmespeichermediums. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen derartige Zeitspannen umfasst sein, wenn von einer Temperaturerhöhung des im Wärmespeicher enthaltenen Wärmespeichermediums die Rede ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011050199 A1 [0004, 0031, 0034, 0034]
- US 5291960 A [0005]
- EP 0827853 A2 [0006]
- DE 2750894 A [0007]
- DE 102012204988 A1 [0016]
