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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladegrads eines Wärmespeichers, sowie eine Vorrichtung, insbesondere einen Latentwärmespeicher und die Verwendung eines Wärmespeichers.
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Für die optimale bedarfsgerechte Einbindung bzw. Nutzung eines Wärmespeichers in ein übergeordnetes Energiesystem, wie beispielsweise in Heizungen oder Kühlungen in Verbindung mit Kraftfahrzeugen, ist es notwendig, den Ladegrad des Wärmespeichers zu kennen. Hierzu ist es notwendig, den Ladegrad zu bestimmen und diesen aufbereitet einem übergeordneten System zur Verfügung zu stellen.
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Zur Bestimmung des Ladegrads ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt. Eine Möglichkeit der Ladegradbestimmung ist eine energetische Bilanzierung des Speichers. Hierzu müssen die Zustände der unmittelbaren Umgebung des Wärmespeichers sowie seine Materialdaten, wie beispielsweise die Wärmedurchgangskoeffizienten, bekannt sein, um die zu- und abgeführten Wärmemengen zu ermitteln. Die bilanzierte Wärmemenge korreliert unmittelbar mit dem Ladegrad des Wärmespeichers. Der entsprechende Aufwand hierbei ist allerdings groß und auf Grund der vielen notwendigen Messstellen fehleranfällig. Die einzelnen Messaufnehmer stellen jeweils bei der Messung ein Fehlerpotential dar, welches sich auf Grund der Vielzahl an Sensorik aufsummieren kann. Um zu jedem Zeitpunkt den Ladegrad für die Integration in übergeordneten Energiesystemen abrufen zu können, ist hierbei weiterhin eine kontinuierliche dynamische Messung und Umrechnung notwendig. Diese Methodik erschwert den Einsatz im Kraftfahrzeug, da eine kontinuierliche Überwachung während eines Fahrzeugstillstands nicht oder nur schwer gewährleistet werden kann.
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Aus diesem Grund gibt es andere Verfahren, die mit wenigen Messstellen und der Ausnutzung von spezifischen Materialkenngrößen des Phasenwechselmaterials auskommen. In der
DE 10 2010 001 361 A1 und der
US 4,843,830 A werden beispielsweise die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Materialen während des Phasenwechsels herangezogen. Es hat sich hierbei aber herausgestellt, dass die Erfassung der Änderung der elektrischen Eigenschaften des Phasenwechselmaterials während des Phasenwechsels sehr schwierig und fehlerbehaftet ist, da die Erhöhung der Dielektrizitätszahl nur gering ist. Des Weiteren ist die Unterbringung entsprechender kapazitiver Füllstandsensoren bei Wärmespeicheraufbauten mit Wärmeübertragern, die einen hohen Wärmedurchgangskoeffizient haben, aus Gründen des Bauraums schwierig.
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In der
DE 102 35 581 C1 wird die Bestimmung des Ladegrads eines Latentwärmespeichers über zumindest ein mechanisch mit dem Latentwärmespeicher gekoppeltes, piezoelektrisches Element vollzogen. Die Bewegung bzw. die Verformung dieses Elements steht im Zusammenhang mit dem Ladegrad. Die Korrelation wird von einem übergeordneten System ausgewertet. Bei Verwendung von Materialien, die ein Unterkühlungsverhalten aufweisen, kann eine zuverlässige Ladegradbestimmung nicht sichergestellt werden.
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In der
DE 10 2011 003 441 A1 wird die sich während des Schmelzens ändernde Dichte des Phasenmaterials mit dem Ladegrad korreliert. Die Dichteänderung hat eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials zur Folge. Die Volumenänderung des Materials wird dabei mittels einer elastischen Membran erfasst. Die Erfassung der von der Volumenänderung des Phasenwechselmaterials abhängigen Bewegungen einer Oberflächenmembran außerhalb des Latentwärmespeichers hat den Nachteil, dass ein Teil des Wärmespeichers der Volumenausdehnung nachgehen muss. Der Wärmeübergang zwischen Phasenwechselmaterial und Wärmeübertrager ist abhängig von deren Kontaktwiderstand. Dieser reduziert sich bei einer der Ausdehnung entgegen gerichteten aktiv aufgeprägten Gegenkraft. Bei einer Einleitung einer solchen Kraft wird die Leistung gesteigert, allerdings das Messverfahren verfälscht. Desweiteren wird die Ladegradbestimmung bei Materialien mit Unterkühlungsneigung verfälscht.
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In der
DE 10 2011 003 441 A1 wird aktiv in den freien Gasraum des Speichers ein Messgas gepumpt. Durch die dabei auftretende Druckänderung im Gasraum ist ein Rückschluss auf dessen Volumen möglich. Dieses korreliert unmittelbar mit dem Ladegrad. Das Zuführen eines zusätzlichen Messgases in den freien Gasraum eines nicht dicht ausgeführten Speichers zu dem Zeitpunkt der Ladegradbestimmung hat den Nachteil der Verwendung eines zusätzlichen Messstoffes. Durch den weiterhin nicht dicht ausgeführten Speicherbehälter kann das Messgas in die Umgebung diffundieren, so dass ein ausreichend großes Reservoir an Messgas oder aber ein Nachfüllen dieses Messgases im Betrieb notwendig wird, was einerseits den Wartungsaufwand für kontinuierlich betriebene Latentwärmespeicher erhöht und andererseits zusätzlichen Bauraum benötigt. Entsprechend ist der Einsatz dieses Verfahrens in raumbeschränkten Umgebungen, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, nicht zielführend.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Ladegrad eines mit einem Wärmespeichermaterial betriebenen Wärmespeicher über den gesamten Arbeitsbereich vergleichsweise genau bestimmt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem der Ladegrad eines Wärmespeichers ermittelt wird, werden ein Wärmeübertrager, bevorzugt ein thermisch isolierter Wärmeübertrager, mit einem Einlauf und einem Auslauf für Fluid und ein an den Wärmeübertrager wärmeleitend gekoppeltes Wärmespeichermaterial verwendet. Erfindungsgemäß werden zur Ermittlung des Ladegrads des Wärmespeichers beim Laden oder Entladen des Wärmespeichers die Temperatur oder der zeitliche Temperaturverlauf innerhalb des Wärmespeichermaterials an zwei oder mehr unterschiedlichen Stellen im Wärmespeichermaterial gemessen und daraus der Ladegrad abgeleitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sich hierdurch der Ladegrad des Wärmespeichers mit geringem apparativen Aufwand sehr genau bestimmen lässt und die Nachteile des Stands der Technik kompensiert. Zudem ist es durch das Verfahren möglich, dass bei Einbindung des Wärmespeichers in ein übergeordnetes System der Wärmespeicher energieeffizient in die Betriebsstrategie einbezogen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Auskühl- bzw. Aufheizverhalten des Speichers an verschiedenen Stellen des Wärmespeichers eine deutlich unterschiedliche Dynamik im Temperaturverlauf vorliegt. Dies bedeutet, dass sich während eines Abkühl- bzw. eines Aufwärmvorgangs die Temperaturen an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Latentwärmespeichers voneinander unterscheiden und sich unterschiedlich stark verändern. Erfindungsgemäß wird der Unterschied dieser Dynamik an repräsentativen Stellen eines Speichers ausgenutzt, um indirekt über diese Messpunkte eine Aussage über den Ladezustand eines Wärmespeichers zu treffen. Da sich die Temperaturverläufe während des Phasenübergangs ändern, ist es möglich, anhand der gemessenen Temperaturwerte auf den Ladegrad zu schließen. Der Kern der Erfindung besteht somit darin, an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen im Latentwärmespeicher die Temperatur bzw. Temperaturverläufe mittels Temperaturfühlern zu erfassen. Hierdurch lässt sich die Differenz in der Dynamik der Temperaturverläufe an verschiedenen geometrischen Orten zu einem beliebigen Zeitpunkt, beispielsweise unmittelbar nach dem Zuschalten des Wärmespeichers, auch in einem übergeordneten Energiesystem, wie ein Fahrzeug nach einer Parkperiode, erfassen.
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Analog zur Bestimmung des Ladezustands bei Akkumulatoren durch die Messung der Klemmenspannung wird im Sinne der Erfindung der Ladegrad eines Wärmespeichers mittels Temperaturverlaufsmessungen ermittelt, wobei zunächst ein Nullpunkt und eine maximale Beladung definiert werden. Für den Wärmespeicher ist es zweckmäßig, einen Temperaturbereich insbesondere um die Phasenwechseltemperatur als Ladungsbereich zu definieren, da hier der Großteil an Wärmeenergie gespeichert wird. Indem die Temperaturniveaus einer Beladungsquelle, beispielsweise die Abwärme aus einem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors, und eines Wärmeabnehmers, beispielsweise eines Heizungswärmeaustauschers einer Fahrzeuginnenkabine, bekannt sind, können sinnvolle Grenzen angegeben werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung eines Paraffins mit einer Phasenwechseltemperatur im Bereich von 66°C bis 71°C als untere Beladungsgrenze (Ladegrad = 0%) eine Speichertemperatur von etwa 63°C festgelegt werden. Bei dieser Temperatur ist das gesamte Paraffin erstarrt. Als obere Grenze wird bevorzugt eine Temperatur oberhalb der Phasenwechseltemperatur gewählt, die aber unterhalb der Temperatur der Abwärmequelle liegt. Der maximale Beladungszustand kann hier beispielsweise bei 73°C festgelegt werden. Bei dieser Temperatur befindet sich das gesamte Paraffin im Speicher im flüssigen Zustand. Nachdem der Temperaturbereich definiert ist, wird die Menge an gespeicherter Wärme im Wärmespeicher innerhalb des definierten Temperaturintervalls ermittelt. Diese kann sowohl rechnerisch wie auch messtechnisch ermittelt werden. Die Ermittlung der Menge an gespeicherter Wärme erfolgt bevorzugt entweder vor Inbetriebnahme des Wärmespeichers oder an baugleichen Wärmespeichern.
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Zur letztendlichen Ermittlung des Ladezustands des Wärmespeichers muss die Temperatur oder der Temperaturverlauf vorteilhafterweise an wenigstens zwei Stellen im Wärmespeicher, insbesondere mittels dort befindlicher Temperaturfühler, gemessen werden. Grund ist, dass während eines Phasenwechsels an einer Temperaturmessstelle dieselbe Temperatur mehrmals auftritt. Dies hat zur Folge, dass bei einer Temperatur- oder Temperaturverlaufsmessung im Wärmespeicher mit nur einem Temperaturfühler keine eindeutige Aussage über den Ladegrad getroffen werden kann.
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Die Temperatur- oder Temperaturverlaufsmessung kann im Wärmespeichermaterial, bei Vorhandensein einer Umkleidung aus einem Isoliermaterial innerhalb des Isoliermaterials und/oder am Ein- und/oder Auslauf erfolgen.
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Bevorzugt erfolgt eine Temperatur- oder Temperaturverlaufsmessung im Inneren des Wärmespeichers. Vorteilhafterweise befindet sich ein Temperaturfühler an der am längsten warmen Stelle beim Abkühlen des Wärmespeichers. Im Sinne der Erfindung ist mit der am längsten warmen Stelle die Stelle gemeint, an der während eines Abkühlvorgangs grundsätzlich die höchste Temperatur im Wärmespeicher vorliegt. Die wärmste Stelle befindet sich in erster Näherung im Zentrum des Wärmespeichers. Sobald der Wärmespeicher Wärmebrücken aufweist, kühlt das Wärmespeichermaterial nicht symmetrisch ab, so dass sich die wärmste Stelle nicht genau in der Mitte des Wärmespeichers befinden muss, sondern weg von den Wärmebrücken entlang der Wärmeleitpfade durch das Wärmespeichermaterial verschoben sein kann.
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Eine zweite Temperatur- oder Temperaturverlaufsmessung wird bevorzugt an der kältesten Stelle im Wärmespeicher angesiedelt. Die kälteste Stelle im Sinne der Erfindung ist diejenige Stelle, die mitunter während eines Abkühlvorgangs am schnellsten auskühlt. Entsprechend ist die kälteste Stelle beim Abkühlen bevorzugt in unmittelbarer Nähe des Ein- oder des Auslaufs. Der Einlauf bzw. der Auslauf stellen Wärmebrücken dar. Durch die Wärmebrücken wird die im Wärmespeicher gebildete Wärme schneller nach draußen transportiert.
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Denkbar ist grundsätzlich auch, dass eine Temperatur- oder Temperaturverlaufsmessung während des Abkühlvorgangs an der wärmsten Stelle im Wärmespeicher erfolgt.
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Gleiches gilt beim Aufheizvorgang. Die denkbaren Stellen sind identisch lediglich die Temperaturen ändern sich. Dies heißt, dass beim Aufheizen/Beladen des Speichers die bei Abkühlen zuvor wärmste Stelle die am längsten kälteste Stelle ist.
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Idealerweise wird zur Bestimmung des aktuellen Ladegrads des Speichers die Temperatur oder der Temperaturverlauf an genau diesen zwei unterschiedlichen Stellen mittels dort befindlichem Temperaturfühler gemessen. Durch die geringe Anzahl an Messstellen bzw. an Temperaturfühlern kann die Komplexität der Auswertealgorithmen durch die geringe Anzahl an Eingangsgrößen gegenüber dem Stand der Technik stark reduziert werden. Zudem werden durch eine derartige Ausgestaltung die Kosten für den Wärmespeicher reduziert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn während des Abkühlvorgangs an der wärmsten Stelle und an der kältesten Stelle im Wärmespeicher jeweils eine Temperatur- oder eine Temperaturverlaufsmessung erfolgt. Hierzu ist an den einzelnen Messstellen bevorzugt jeweils ein Temperaturfühler angeordnet. Es hat sich während der Versuche beim Betrachten der Temperaturverläufe als Funktion der Zeit herausgestellt, dass die Temperaturfühler, die sich in der Nähe von Wärmebrücken, insbesondere im Bereich des Ein- bzw. Auslaufs des Wärmespeichers, befinden, einen im Unterschied zu den im Inneren des Wärmespeichers befindlichen Temperaturfühlern andersartigen, charakteristischen Temperaturwert annehmen. Die Kenntnis über dieses Verhalten ermöglicht eine Aussage über den Ladegrad des Wärmespeichers.
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Um einen quantitativen Zusammenhang zwischen den gemessenen Temperaturwerten und dem Ladegrad herzustellen, können diskrete Kennlinien oder Kennfelder bestimmt werden, die den Ladegrad mit den Eingangsgrößen, den gemessenen Temperaturwerten, korrelieren. Ungünstig bei der Verwendung von Kennlinien ist aber, dass als Input lediglich eine Größe dient. Aufgrund des Unterkühlungseffekts des Wärmespeichermaterials ordnet die Kennlinie so einer Temperatureingangsgröße mehrere Ladegrade zu, die sich teilweise signifikant voneinander unterscheiden.
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Der Vorteil bei der Verwendung von Kennfeldern liegt darin, dass auf mehrere Eingangsgrößen, beispielsweise auf zwei Temperaturwerte mit den oben erwähnten vorteilhaften Integrationsorten, zurückgegriffen werden kann. Die vorliegenden Wertepaare korrelieren immer eineindeutig mit dem Ladegrad eines Wärmespeichers auch im ungünstigen Fall einer Unterkühlung. Insgesamt lässt sich somit durch die Verwendung eines Kennfelds zu einem Wertepaar an gemessenen Temperaturen als Eingangsgrößen ein Ladegrad auslesen. Dies gilt sowohl beim Entladen/Abkühlen als auch beim Beladen/Aufheizen.
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Das Abkühlverhalten von dem Wärmespeichermaterial insbesondere bei langen Parkphasen hängt von den Umgebungsbedingungen ab. Idealerweise wird dieser Tatsache Rechnung getragen durch die Unterscheidung zwischen einem schnellen und einem langsamen Abkühlvorgang. So wird die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert. Je nach Art des Abkühlvorgangs kühlt der Wärmespeicher unterschiedlich stark ab und an den einzelnen Temperaturmessstellen kommt es zu unterschiedlich stark ausgeprägten Temperaturverläufen. Wird an der wärmsten Stelle bzw. im Zentrum des Wärmespeichers und an der kältesten Stelle bzw. am Ein-/Auslauf jeweils die Temperaturen gemessen, so unterscheiden sich die Temperaturwerte der Messstellen bei einem schnellen Abkühlvorgang im Vergleich zu einem langsamen Abkühlvorgang in besonders ausgeprägter Weise. Dies liegt daran, dass die Wärmebrücken an dem Ein- bzw. Auslauf einen deutlich erhöhten Wärmeaustrag verursachen. Um diesen Umständen gerecht zu werden, ist es besonders vorteilhaft, wenn für beide Abkühlszenarien jeweils ein Kennfeld bestimmt und verwendet wird. Dies bedeutet insbesondere, dass sowohl für den langsamen wie auch für den schnellen Abkühlvorgang für ein Wertepaar von gemessenen Temperaturen, die an unterschiedlichen Stellen im Wärmespeicher, bevorzugt an der wärmsten und der kältesten Stelle, von den Temperaturfühlern gemessen werden, jeweils ein Kennfeld hinterlegt wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Auswerteeinheit, beispielsweise ein Mikrocontroller, verwendet werden. In der Auswerteeinheit sind Messdaten hinterlegt, aus denen jeweils zu den von den Temperaturfühlern gemessenen Temperaturen bzw. den gemessenen Temperaturverläufen ein Ladegrad abgeleitet werden kann. Bei Vorhandensein von zwei Messstellen bzw. zwei Temperaturfühlern leitet die Auswerteeinheit aus den zu einem Zeitpunkt gemessenen Temperaturen bzw. Temperaturverläufen einen zugehörigen Ladegrad ab.
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Idealerweise ist in der Auswerteeinheit wenigstens ein Kennfeld hinterlegt, das den von den Temperaturfühlern gemessenen Temperaturen oder Temperaturverläufen einen Ladegrad zuordnet. Vorteilhafterweise sind in der Auswerteeinheit zwei Kennfelder für ein Wertepaar hinterlegt. Das eine Kennfeld ordnet den gemessenen Temperaturwerten einen Ladegrad bei einer schnellen Abkühlung und das andere Kennfeld ordnet den gemessenen Temperaturwerten einen Ladegrad bei einer langsamen Abkühlung zu. Ist in der Auswerteeinheit für beide Abkühlszenarien für ein Wertepaar jeweils ein Kennfeld hinterlegt und treten zwischen den Kennfeldern Überschneidungen auf, so kann die Auswerteeinheit für wenige Wertepaare in beiden Kennfeldern einen Ladegrad auslesen, der sich voneinander unterscheidet. In diesem seltenen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie den kleineren der beiden Ladegrade ausliest. Eine derartige Ausbildung bietet den Vorteil, dass bei Integration des Wärmespeichers in ein übergeordnetes System, dem übergeordneten System nur so viel zur Verfügung stehende Energie angezeigt wird, wie es wenigstens der Fall ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass das übergeordnete System nicht mehr Energie in seine Betriebsstrategie einbezieht als tatsächlich zur Verfügung steht und dies letztendlich zu einem Ausfall des übergeordneten Systems führt. Ferner kann die Auswerteeinheit auch so ausgebildet sein, dass sie die seit dem letzten Beladungsende verstrichene Zeit erfasst und beim Auslesen des Ladegrads mit heranzieht. Aufgrund der im Vorfeld gemessenen Entladungsverläufe kann mit Hilfe einer festgelegten zeitlichen Schranke ein Kriterium angegeben werden, welcher Auskühlvorgang bei den bekannten Temperaturwerten der beiden Messstellen vorliegt.
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Um Informationen hinsichtlich der Umgebungsbedingungen zu erlangen, kann eine Temperatur oder ein Temperaturverlauf außerhalb des Wärmespeichers gemessen werden. Hierzu kann neben den Temperaturfühlern im Wärmespeicher wenigstens ein weiterer Temperaturfühler verwendet werden, der außerhalb des Wärmespeichers angeordnet ist und die Umgebungstemperatur erfasst. Es ist zudem auch denkbar, dass weitere Sensoren außerhalb des Wärmespeichers angeordnet sind, die beispielsweise die Windstärke bzw. -geschwindigkeit erfassen. Windgeschwindigkeiten bewirken grundsätzlich einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten am Wärmespeicher, wodurch bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen Wärmespeicher und Umgebung ein größerer Wärmeverluststrom resultiert.
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Bevorzugt wird die der Ladegrad in einem für das überordnete System verwertbaren Protokoll bzw. Botschaft ausgegeben. Hierdurch ist es möglich, dass die im Wärmespeicher gespeicherte Energie geradewegs von einem an dem Wärmespeicher angeordneten Verbraucher, einem übergeordneten System, verwertet werden kann. In Bezug auf Fahrzeuge erfolgt die Wiedergabe des Ladegrads Idealerweise als CAN-Botschaft. Das Kraftfahrzeug kann die Daten so unmittelbar erfassen und mit in seine Betriebsstrategie einbeziehen. Hierdurch kann ein möglichst energieeffizientes Fahren realisiert werden. Auch lässt sich der Innenraumkomfort erhöhen. Durch die Ausgabe des Ladegrads als CAN-Botschaft kann das Fahrzeug in Abhängigkeit vom Ladegrad entscheiden, in welchem Bereich es die gespeicherte Energie einsetzt. Hierfür kann das Fahrzeug aus einer Vielzahl an zuvor hinterlegten Verbrauchern auswählen. Insgesamt lässt sich somit eine bestmögliche Verwertung der im Wärmespeicher gespeicherten und zur freien Verfügung stehenden Energie erreichen.
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Vorliegend werden als Wärmespeicher bevorzugt Latentwärmespeicher verstanden. Die Ausführungen gelten aber auch entsprechend auf Latentkältespeicher und sind grundsätzlich auch auf sensible bzw. chemische Wärmespeicher anwendbar.
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Im Sinne der Erfindung werden unter Wärmespeichermaterialien Stoffe verstanden, die einen hohen Anteil von Wärme- und Kälteenergie speichern und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Als Wärmespeichermaterialien werden insbesondere Salze, wie z. B. Natriumacetat oder organische Verbindungen, wie z. B. Paraffine, Fettsäuren, verwendet. Diese Stoffe verändern ihren Aggregatzustand (beispielsweise flüssig-fest) in einem für Fahrzeuge vorteilhaften Temperaturbereich und nehmen dabei Wärmeenergie auf bzw. geben sie ab. Sie werden allgemein als Phasenwechselmaterialen (PCM = phase change material) bezeichnet. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung von sensiblen Wärmespeichermaterialien möglich, die sich dadurch auszeichnen, dass sie unter Wärmelasten ihren Aggregatzustand nicht ändern.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladegrads eines Wärmespeichers, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- – einen Wärmeübertrager mit wenigstens einem Fluidkanal und mit einem Ein- und einem Auslauf für Fluid und,
- – ein Wärmespeichermaterial, das wärmeleitend an dem Wärmeübertrager gekoppelt ist, gekennzeichnet durch
- – wenigstens zwei Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des Wärmespeichermaterials, die an verschiedenen Stellen im Wärmespeichermaterial, angeordnet sind, und
- – eine Auswerteeinheit, die die gemessenen Temperaturen auswertet und daraus den Ladegrad ableitet.
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Der Wärmeübertrager kann aus Aluminium bestehen. Bevorzugt ist er rechteckig ausgebildet. Der Wärmeübertrager kann aber auch zylindrisch ausgebildet sein oder aber eine runde oder ovale Grundfläche aufweisen. In dem Wärmeübertrager kann eine Mehrzahl an Trennwänden angeordnet sein, wobei die Trennwände insbesondere die Kanäle für das Durchführen von Fluid aufweisen. Als Fluid wird bevorzugt eine Wasser-Glykol-Mischung verwendet. Ferner können in dem Wärmeübertrager dünne Kühlrippen angeordnet sein. Die Kühlrippen verbessern den Wärmeübergang auf das Wärmespeichermaterial. Hierdurch lässt sich die Oberfläche zwischen Kühlrippen und Wärmespeichermaterial vergrößern, wodurch der Wärmeaustausch insgesamt verbessert wird.
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Der Wärmeübertrager kann von einem Isoliermaterial umgeben sein. Hierdurch können die thermischen Verluste an die Umgebung minimiert werden.
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Bei dem Wärmespeichermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Phasenwechselmaterial. Als besonders geeignete Phasenwechselmaterialien haben sich Paraffine herausgestellt.
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Um den Ladegrad zuverlässig messen zu können, ist es wesentlich, dass die Temperaturfühler an Stellen im Wärmespeichermaterial angeordnet sind, die beim Auskühl- bzw. Aufheizverhalten des Wärmespeichers eine deutlich unterschiedliche Dynamik im Temperaturverlauf aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn einer der Temperaturfühler im Zentrum des Wärmespeichers bzw. des Wärmeübertragers angeordnet ist. Bevorzugt ist ein Temperaturfühler in der Nähe des Einlaufs oder des Auslaufs angeordnet. Der Einlauf bzw. der Auslauf stellen Wärmebrücken dar, wodurch die im Wärmespeicher gebildete Wärme schneller nach draußen transportiert wird und zusätzliche Wärmeverluste entstehen.
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Bevorzugt sind genau zwei Temperaturfühler im Wärmespeichermaterial angeordnet. Idealerweise ist dabei der eine Temperaturfühler im Zentrum des Wärmespeichermaterials und der andere Temperaturfühler in der Nähe des Ein- oder Auslaufs angeordnet. Während eines Abkühlvorgangs ist es vorteilhaft, wenn der eine Temperaturfühler an der wärmsten Stelle und der andere Temperaturfühler an der kältesten Stelle platziert werden. Beim Aufheizen bleiben die Integrationsstellen identisch. Es gilt nur, dass die Stelle, die beim Abkühlen am schnellsten erkalten, sich beim Aufheizen am schnellsten erwärmen. Gleiche Veränderung gilt bei dem anderen Verfahren auch.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug. Bevorzugt findet die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem elektrifizierten Fahrzeug, beispielsweise in einem Hybrid- oder einem Elektrofahrzeug Verwendung. Neben dem Einsatzort im Fahrzeug ist aber auch die Integration der Vorrichtung in ein anderes übergeordnetes Energiesystem, wie beispielsweise in die Hausheizungstechnik durchaus möglich.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Integration der Vorrichtung in einem Fahrzeug führt dazu, dass die Fahrzeuge energieeffizienter arbeiten. Die Vorrichtung nimmt die vom Fahrzeug erzeugte, aber nicht benötigte Energie auf und speichert sie. Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn beispielsweise ein hoher Energiebedarf beim Fahrzeug besteht, gibt die Vorrichtung die Energie wieder ab. Die von der Vorrichtung gespeicherte Energie kann zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums benutzt werden. Derartig ausgebildete Fahrzeuge bieten somit sowohl in energietechnischer Hinsicht wie auch im Bereich des Komforts Vorteile im Vergleich zu den bekannten Fahrzeugen.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einem Verbrennungsmotor, besonders bevorzugt mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors, verbunden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsvariante beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ausgestaltung.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher (10) zur Ermittlung des Ladegrads des Wärmespeichers (10) in einer Ausgestaltung.
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Der Wärmespeicher (10) weist einen Wärmeübertrager (12) mit einem Einlauf (16) und einem Auslauf (18) für Fluid auf. Innerhalb des Wärmeübertragers (12) ist ein Wärmespeichermaterial (14) angeordnet. Ferner weist der Wärmespeicher (10) zwei Temperaturfühler (20, 22) zur Erfassung der Temperatur des Wärmespeichermaterials (14) auf. Zudem weist der Wärmespeicher eine Auswerteeinheit (26) auf. Die Auswerteeinheit (26) dient dazu, die gemessenen Temperaturen auszuwerten und daraus den Ladegrad zu bestimmen.
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Der in 1 gezeigte Wärmespeicher (10) stellt eine bevorzugte Ausgestaltung bei Ermittlung des Ladegrads während eines Abkühlprozesses dar, der sowohl passiv wie auch aktiv erfolgen kann. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, während eines Abkühlvorgangs die Temperaturen an der wärmsten Stelle und an der kältesten Stelle zu erfassen. Hierzu werden an den entsprechenden Stellen Temperaturfühler (20, 22) angeordnet. In 1 ist der Temperaturfühler (22) an der wärmsten Stelle und der Temperaturfühler (20) an der kältesten Stelle angeordnet. Die wärmste Stelle befindet sich dabei im Zentrum (24) des Wärmespeichers (10), die kälteste Stelle in der Nähe des Einlaufs (16). Der Einlauf (16) stellt hierbei eine Wärmebrücke dar, über die die im Wärmespeicher (10) gespeicherte Wärme schneller nach draußen transportiert wird. Durch das Vorhandensein von Wärmebrücken kühlt das Wärmespeichermaterial (14) nicht symmetrisch ab, so dass sich die wärmste Stelle nicht genau in der Mitte des Wärmespeichers (10) befindet, sondern weg von den Wärmebrücken entlang der Wärmeleitpfade/Wärmestrom durch das Wärmespeichermaterial (14) verschoben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmespeicher
- 12
- Wärmeübertrager
- 14
- Wärmespeichermaterial
- 16
- Einlauf
- 18
- Auslauf
- 20
- erster Temperaturfühler
- 22
- zweiter Temperaturfühler
- 24
- Zentrum Wärmespeicher
- 26
- Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001361 A1 [0004]
- US 4843830 A [0004]
- DE 10235581 C1 [0005]
- DE 102011003441 A1 [0006, 0007]
