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Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug mit einer Traktionsbatterie und einem Range-Extender sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Stand der Technik
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Die Beheizung des Fahrzeuginneren eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, im Folgenden als Elektrofahrzeug bezeichnet, (auch EV, Englisch: electric vehicle) erfolgt häufig nach dem Prinzip eines elektrischen Heizlüfters. Die Beheizung kann alternativ dazu oder zusätzlich dazu auch durch eine elektrische Wärmepumpe, durch Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder nach dem Prinzip einer herkömmlichen Standheizung betrieben werden.
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Die Beheizung des Fahrzeuginneren des Elektrofahrzeugs mit Strom hat den Nachteil, dass die Reichweite des Elektrofahrzeugs hierdurch beträchtlich minimiert wird, d. h. die Reichweite ist im Winter deutlich geringer als im Sommer.
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Da die Batterie des Elektrofahrzeugs bei kalten Außentemperaturen außerdem ihre Leistungsfähigkeit verliert, ist auch eine Beheizung der Batterie vorgesehen. Der Begriff „Batterie“ wird in der vorliegenden Offenbarung dem üblichen Sprachgebrauch entsprechend synonym mit dem Begriff „Akkumulator“ verwendet und umfasst insbesondere die vielfach eingesetzten Lithiumbatterien. Der Energiebedarf zur Beheizung der Batterie kann zum Beispiel von einer elektrischen Heizung nach dem Prinzip eines elektrischen Heizlüfters, einer Wärmepumpe, einer Heizwendel, einem Tauchsieders oder durch Verbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen nach dem Prinzip einer herkömmlichen Standheizung bereitgestellt werden.
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Wird die Batterie in einem Elektrofahrzeug beheizt, dann weist das Elektrofahrzeug einen noch deutlich höheren Verbrauch an Strom auf, was ebenfalls die Reichweite verringert. Auch bei einem stehenden Elektrofahrzeug, welches nicht an die Steckdose angeschlossen ist, bei welchem die Batterie aber aus technischen Gründen weiter beheizt werden muss, entleert sich die Batterie, wodurch sich die elektrische Reichweite verringert und im Extremfall bei längerer Standzeit die Batterie sogar leer werden kann.
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Aus
KR 2014/0068317 ist ein Hybridfahrzeug bekannt, bei welchem eine Abwärme eines Verbrennungsgases verwendet wird, um ein Batteriepack zu erwärmen.
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Aus
US 2008/0292945 ist ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie bekannt, bei welchem ebenfalls eine Abwärme eines Abgases eingesetzt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Beim erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug mit einer Traktionsbatterie und einem Range-Extender ist dieser so angeordnet oder ausgebildet, dass eine Abwärme des Range-Extenders zur Erwärmung des Fahrzeuginneren und/oder der Traktionsbatterie beiträgt.
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Mit „Range-Extender“ wird eine Vorrichtung bezeichnet, welche vorgesehen ist, um eine Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen. Der Range-Extender wird dann betrieben, wenn die elektrische Reichweite der Traktionsbatterie zur Neige geht. Der Range-Extender umfasst einen Generator und ist dabei nicht direkt an das Antriebssystem des Elektrofahrzeugs gekoppelt.
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Der Range-Extender kann beispielsweise durch Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen Strom erzeugen, der ins Antriebssystem der Traktionsbatterie gespeist wird. Der Range-Extender kann beispielsweise ein Ottomotor mit angeschlossenem Generator sein, umfasst aber auch Brennstoffzellen, Wankelmotoren, Dieselmotoren oder Gasturbinen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug wird der Range-Extender auch dann eingeschaltet und betrieben, wenn Wärme benötigt wird, wobei die benötigte Wärme zur Erwärmung des Fahrzeuginneren und/oder zur Erwärmung der Traktionsbatterie verwendet wird.
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Nach einer Ausführungsform ist der Range-Extender im Elektrofahrzeug derart angeordnet, dass eine Heizungsluft zur Erwärmung des Fahrzeuginneren und/oder der Traktionsbatterie den Range-Extender umströmt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Range-Extender mittels eines Wärmetauschers an Heizeinrichtungen zur Erwärmung des Fahrzeuginneren und/oder der Traktionsbatterie gekoppelt.
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Bevorzugt weist das Elektrofahrzeug ein Steuergerät auf, das eingerichtet ist, den Range-Extender wärmebedarfsgesteuert zu betreiben, insbesondere in Abhängigkeit einer Temperatur der Traktionsbatterie und/oder auf Anforderung eines Benutzers.
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Bei einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen ist die Traktionsbatterie für einen Betrieb bei definierten Betriebstemperaturen optimiert. Unterhalb der Betriebstemperaturen kann eine irreversible Schädigung der Batterie auftreten. Bei derartigen Elektrofahrzeugen ist die erfindungsgemäße Verwendung des Range-Extenders besonders vorteilhaft. Das Elektrofahrzeug weist daher beispielsweise eine Traktionsbatterie auf, welche eine Betriebstemperatur von oberhalb von 0 °C, bevorzugt oberhalb von 10 °C aufweist. Weiterhin kann das Elektrofahrzeug eine Traktionsbatterie aufweisen, das eine Betriebstemperatur von 0 °C bis 40 °C oder bevorzugt von 10 °C bis 40 °C aufweist.
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Batteriezellen wie Solid-State-Lithiumbatterien benötigen eine hohe Arbeitstemperatur, beispielsweise oberhalb von 50 °C, insbesondere von 60 °C bis 80 °C. Das Elektrofahrzeug weist daher alternativ dazu eine Traktionsbatterie auf, welche eine Betriebstemperatur von oberhalb von 50 °C, insbesondere von 60 °C bis 80 °C aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug wird der Energiebedarf zum Erreichen der Arbeitstemperatur der Solid-State-Lithiumbatterien durch den Range-Extender bedarfsweise zumindest unterstützt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs mit einer Traktionsbatterie und einem Range-Extender vorgeschlagen, wobei der Innenraum des Elektrofahrzeugs und/oder die Traktionsbatterie mit einer Abwärme des Range-Extenders gewärmt werden.
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Insbesondere ist dabei bevorzugt vorgesehen, den Range-Extender wärmebedarfsgesteuert zu betreiben. Der Range-Extender wird eingeschaltet, wenn elektrische Energie benötigt wird, Wärme benötigt wird oder wenn elektrische Energie und Wärme benötigt werden. Elektrische Energie wird dabei typischerweise dann benötigt, wenn die Traktionsbatterie zur Neige geht, so dass die Reichweite des Elektrofahrzeugs verringert wird. Darüber hinaus der vorgestellte Range-Extender auch dann eingeschaltet, wenn Wärme benötigt wird.
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Für den Fall, dass der Range-Extender betrieben wird, weil Wärme benötigt wird, wird die elektrische Energie des Range-Extenders bevorzugt zum Betrieb elektrischer Einrichtungen des Elektrofahrzeugs verwendet. Somit kann der erzeugte Strom direkt für den Antrieb, Licht und Scheibenwischer sowie für die Sitzheizung usw. verwendet werden, wodurch Umwandlungsverluste, sowie Lade- und Entladeverluste wegfallen.
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Die überschüssige elektrische Energie des Range-Extenders kann dabei zum Heizen des Innenraums des Elektrofahrzeugs und/oder der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird die überschüssige elektrische Energie des Range-Extenders zum Laden der Traktionsbatterie verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Range-Extender bei Unterschreiten einer batterieabhängigen Temperaturschwelle der Traktionsbatterie eingeschaltet, so dass mit der Abwärme die Traktionsbatterie auf einer vorteilhaften Temperatur gehalten werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Range-Extender nach Bedarf zur Erwärmung des Innenraums des Elektrofahrzeugs eingeschaltet und betrieben. Der Bedarf kann dabei von einem Insassen bzw. dem Fahrer des Elektrofahrzeugs geregelt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Das beschriebene Verfahren wird in der Gebäudetechnik zur Beheizung von Gebäuden seit vielen Jahren eingesetzt und nennt sich dort wärmegeführtes Blockheizkraftwerk. Die Übertragung dieser Idee auf Elektrofahrzeuge, welche einen Range-Extender einsetzen, hat z. B. den Vorteil, dass die Lade- und Entladezyklen der Batterie pro gefahrenem Kilometer verringert werden, wodurch eine höhere Lebenserwartung des Elektrofahrzeugs erreicht werden kann.
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Wenn es zum Beispiel im Winter kalt ist und somit ein hoher Heizbedarf des Fahrzeuginnenraums bzw. der Fahrzeugbatterie besteht, kann der Range-Extender die ganze Fahrt über mitlaufen, so dass nahezu keine elektrische Energie aus der Batterie benötigt wird und, wenn gewünscht, die Batterie sogar während der Fahrt noch aufgeladen werden kann.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Betriebszustands eines Elektrofahrzeugs mit einem Range-Extender gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Betriebszustands eines Elektrofahrzeugs mit einem Range-Extender gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- 3 eine schematische Darstellung eines Betriebszustands eines Elektrofahrzeugs mit einem Range-Extender gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung
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Die Figuren zeigen Betriebszustände eines Elektrofahrzeugs 1 gemäß möglichen Ausführungsformen der Erfindung. Die Betriebszustände können durch geeignete Softwareregelungen realisiert werden. Dabei sind viele Einstellmöglichkeiten denkbar, die zum Beispiel durch eine Bedienoberfläche direkt vom Fahrer des Elektrofahrzeugs 1 ausgewählt werden können. Die im Folgenden beschriebenen Betriebszustände können aber auch automatisiert ineinander übergeführt oder abgewechselt werden, um den Anforderungen der jeweiligen Situation angepasst zu werden.
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In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
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1 zeigt einen Betriebszustand eines Elektrofahrzeugs 1 mit einem Range-Extender 10. Der Range-Extender 10 ist beispielsweise als Ottomotor, als Brennstoffzelle, als Wankelmotor, als Dieselmotor oder als Gasturbine ausgebildet. Der Range-Extender 10 ist funktionell mit einem Generator 12 verbunden und erzeugt aus einem Kraftstoff mechanische Energie, welche dem Generator 12 zugeführt wird.
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Der Generator 12 ist funktionell mit elektrischen Einrichtungen 16 des Elektrofahrzeugs 1 verbunden, wobei diese insbesondere den elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs 1 umfassen, aber auch Scheibenwischer, Radio, Sitzheizung, usw. bezeichnen können. Der Generator 12 stellt den elektrischen Einrichtungen 16 elektrische Energie bereit.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Range-Extender 10 außerdem funktionell mit einer Heizeinrichtung 14 verbunden. Die Heizeinrichtung 14 ist eingerichtet, den Innenraum des Elektrofahrzeugs 1 und/oder die Traktionsbatterie 20 des Elektrofahrzeugs 1 zu wärmen. Der Range-Extender 10 führt der Heizeinrichtung 14 dabei Abwärme zu, wobei dies etwa mittels eines Wärmetauschers und einem Kühlkreislauf erfolgen kann oder durch eine Anordnung des Range-Extenders 10 in einem Heizungskanal der Heizeinrichtung 14.
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Wie dargestellt erfolgt die Steuerung des Range-Extenders 10, d. h. dessen Einschaltung und Betrieb, hier durch die Heizeinrichtung 14 auf Anforderung eines Wärmebedarfs. Auf die Anforderung des Wärmebedarfs wird z. B. die maximal mögliche Heizenergie durch den Range-Extender 10 an die Heizeinrichtung 14 zur Verfügung gestellt. Die elektrische Energie des Range-Extenders 10 wird dabei zum Betrieb der elektrischen Einrichtungen 16 des Elektrofahrzeugs 1 eingesetzt. Wird z. B. bei kalter Witterung mehr Heizenergie benötigt als gleichzeitig elektrische Energie durch die elektrischen Einrichtungen 16 verbraucht werden kann, dann kann, wie in 1 dargestellt, die überschüssige Energie in der Traktionsbatterie 20 zwischengespeichert werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Range-Extender 10 zum einen funktionell mit dem Generator 12 und zum anderen funktionell mit der Heizeinrichtung 14 verbunden ist, so dass mechanische Energie an den Generator 12 und die Abwärme an die Heizeinrichtung 14 bereitgestellt werden kann.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Einrichtung 16 mit der Heizeinrichtung 14 verbunden, so dass überschüssige elektrische Energie in die Heizeinrichtung 14 überführt werden kann. Überschüssige elektrische Energie kann vorliegen, wenn beispielsweise bei kalter Witterung maximal mögliche Heizenergie durch den Range-Extender 10 zur Verfügung gestellt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Elektrofahrzeug 1 einen elektrischen Heizstab oder einen Heizlüfter aufweist (nicht dargestellt), welche zur Beheizung des Innenraums des Elektrofahrzeugs 1 und/oder der Traktionsbatterie 20 verwendet werden können.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen dem in 1 dargestellten Betriebszustand und dem in 2 dargestellten Betriebszustand gewechselt werden kann, insbesondere automatisch gewechselt werden kann, so dass beispielsweise, falls die Traktionsbatterie 20 voll ist, die überschüssige elektrische Energie zum Heizen verwendet wird.
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Wird beispielsweise nach einer Ampelkreuzung oder am Berg beschleunigt, so kann es Sinn machen, für diese kurze Zeitdauer die Heizung über den elektrischen Heizstab bzw. Heizlüfter abzuschalten oder zu drosseln, so dass möglichst wenig elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 20 bezogen werden muss. Die dynamische Regelung des elektrischen Heizstabs bzw. Heizlüfters ist vorteilhaft, wodurch die Entlade- und Ladezyklen der Batterien vermieden werden.
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3 zeigt einen weiteren möglichen Betriebszustand des Elektrofahrzeugs 1 mit dem Range-Extender 10. Der Range-Extender 10 ist wiederum funktionell mit dem Generator 12 und mit der Heizeinrichtung 14 verbunden, wie mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben. Der Generator 12 ist funktionell mit den elektrischen Einrichtungen 16 verbunden und stellt diesen die elektrische Energie bereit. Der Range-Extender 10 wird durch auf Anforderung eines Wärmebedarfs und auf Anforderung elektrischer Energie betrieben.
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Bei einem möglichen in 3 dargestellten Betriebszustand erzeugt der Range-Extender 10 genau dann elektrische Energie, wenn gleichzeitig Heizenergie für den Innenraum bzw. die Traktionsbatterie 20 und elektrische Energie für den Antrieb, Licht, Scheibenwischer usw. benötigt wird. Die dabei anfallende Heizenergie kann zur Beheizung des Innenraums und der Traktionsbatterie 20 verwendet werden. Dies stellt eine sehr ökologische Variante dar, die mit gewissen Komforteinbußen einhergeht.
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Bei allen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, die Beheizung des Innenraums bei Bedarf ausschließlich aus der Traktionsbatterie 20 durchzuführen, beispielsweise auf Anforderung des Fahrers, der sich gerade in einer Stadt mit Feinstaubalarm bewegt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 2014/0068317 [0006]
- US 2008/0292945 [0007]
