DE102018004839A1

DE102018004839A1 - Verfahren zur Klimatisierung wenigstens eines Bereichs in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018004839A1
Application number: DE102018004839.0A
Authority: DE
Inventors: Mario Bareiß
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2019-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klimatisierung eines Bereichs in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug (1), bei welchem der Bereich während das Fahrzeug (1) an eine stationäre elektrische Leistungsquelle (4) angeschlossen ist, überkonditioniert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen des Fahrzeugs (1) von der stationären elektrischen Leistungsquelle (4) eine Temperaturregelung für den Bereich ausgesetzt wird, bis der Bereich eine vorgegebene Solltemperatur erreicht hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klimatisierung wenigstens eines Bereichs in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Die DE 10 2009 019 607 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb und einer Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrgastraums des Fahrzeugs. Dabei wird gleichzeitig berücksichtigt, dass auch die elektrischen Antriebsbatterien des Fahrzeugs einer Klimatisierung bedürfen. Häufig sind die Energieanforderungen hier gegensätzlich, sodass die beiden Systeme sich gegenseitig mit Abwärme versorgen können, um so das Fahrzeug insgesamt mit einem geringeren Energiebedarf betreiben zu können.
In der darauf basierenden Weiterführung in Form der DE 10 2014 226 514 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem angenommen wird, dass die Klimaanlage des Fahrzeugs nicht in der Lage ist, sowohl den Fahrgastraum als auch die Traktionsbatterie bei einem schlagartig auftretenden Bedarf ausreichend zu kühlen. Deshalb wird eine Vorkonditionierung, insbesondere der Batterie, vorgenommen, wenn erkennbar ist, dass es zu einem kritischen Energiebedarf kommen könnte. Dies bedeutet, dass die Batterie zu einem Zeitpunkt gekühlt wird, in welchem der Kühlbedarf im Fahrgastraum entsprechend gering ist. Die Batterie ist dann soweit abgekühlt, dass zu dem Zeitpunkt, in dem im Fahrgastraum ein Energiebedarf hinsichtlich der Kühlung anfällt, die Klimaanlage ausschließlich für den Fahrgastraum arbeiten kann und die Batterie sich aus diesem überkonditionierten, in diesem Fall unterkühlten, Zustand langsam selbst erwärmt, während die primäre Kühlenergie dem Fahrgastraum zufließen kann.
Im Zusammenhang einer solchen Überkonditionierung, also einer übermäßigen Unterkühlung oder Überhitzung eines Bereichs in einem Fahrzeug, kann außerdem auf die DE 10 2016 102 821 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift, welche sich mit der Klimatisierung eines elektrifizierten Fahrzeugs unter Nutzung von Netzstrom beschäftigt, ist es so, dass das Fahrzeug, während es an der Ladestation hängt, Energie, welche nicht zum Laden der Batterie benötigt wird, nutzen kann, um den Fahrgastraum und/oder die Traktionsbatterie entsprechend überzukonditionieren, also beispielsweise bei warmen Umgebungstemperaturen unter die eigentliche Solltemperatur der entsprechenden Bereiche abzukühlen. Dadurch wird zu Beginn der Fahrt der Energiebedarf für die Klimatisierung reduziert. Die Schrift beschäftigt sich dabei ausgiebig damit, wie die Regelung des Fahrzeugs durch eine Vorgabe von Sollwerten und Toleranzschwellen beeinflusst werden kann, um eine Überkonditionierung zuzulassen und dieser nicht aufgrund der eigenen Temperaturregelung aktiv entgegenzuwirken. Die Schrift schweigt sich jedoch darüber aus, was während der Fahrt passiert, wenn vom überkonditionierten Betrieb in den Normalbetrieb gewechselt werden soll.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Klimatisierung wenigstens eines Bereichs in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug anzugeben, bei dem ein energieeffizienter und harmonischer Übergang des überkonditionierten Betriebs in den Normalzustand der Klimatisierung erfolgen kann, und welcher dennoch in der Lage ist, elektrische Energie einzusparen und damit die Reichweite des Fahrzeugs zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1, und hier insbesondere die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Vergleichbar wie im Stand der Technik wird ein Bereich des Fahrzeugs bei diesem Verfahren zur Klimatisierung vorkonditioniert, also beispielsweise stärker abgekühlt oder stärker aufgeheizt, als vorgesehen. Er befindet sich dann also auf einem Temperaturniveau unter oder oberhalb der eigentlichen Solltemperatur. Wird das Fahrzeug nun von der stationären elektrischen Leistungsquelle, beispielsweise einer Ladestation, getrennt und gestartet, würde dies bedeuten, dass die Temperaturregelung des Fahrzeugs dieser Überkonditionierung entgegenwirkt, um schnellstmöglich den Sollwert der Temperatur wieder einzustellen, wie es ihre primäre Aufgabe ist. Um genau dies zu verhindern und damit den energetischen Vorteil zu minimieren, ist es erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass nach dem Trennen des Fahrzeugs von der stationären elektrischen Leistungsquelle die Temperaturregelung für den Bereich ausgesetzt wird, und zwar solange, bis der Bereich eine vorgegebene Solltemperatur erstmals nach der Überkonditionierung erreicht hat. Dies führt also dazu, dass die Temperaturregelung des Fahrzeugs nicht aktiv wird und den Bereich damit nicht aktiv beheizt oder kühlt. Vielmehr wird abgewartet, bis der Bereich sich passiv aufgrund auftretender Abwärme, auftretender Wärmeverluste, der Sonneneinstrahlung oder dergleichen dem Temperaturwert der Solltemperatur annähert. Erst wenn er diese erreicht hat, wird die herkömmliche Temperaturregelung wieder in Betrieb gesetzt und die Klimatisierung erfolgt so, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Durch diese passive Annährung aus dem überkonditionierten Zustand auf den Zustand der Solltemperatur, also dem Sollklimatisierungszustand, wird entsprechend Energie eingespart, was insbesondere bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einen entscheidenden Vorteil hinsichtlich der Reichweite ausmacht.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es dabei vor, dass die ausgesetzte Temperaturreglung unabhängig von der Temperatur des Bereichs reaktiviert wird, wenn wenigstens eines der nachfolgenden Ereignisse auftritt:

• Ein manueller Eingriff mit hohem Energiebedarf erfolgt. Ein solcher manueller Eingriff mit hohem Energiebedarf kann insbesondere das Freihalten der Scheiben von Beschlag oder Eis, der sogenannte De-Frost, sein, oder auch ein Entfeuchten beispielsweise eines Fahrgastinnenraums, der sogenannte Re-Heat.
• Ein weiteres Kriterium zum Reaktivieren der Temperaturregelung kann auch eine Änderung der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise eine starke Temperaturschwankung und/oder das Auftreten von Niederschlägen sein.
• Ein weiteres Kriterium, die Temperaturregelung vorzeitig zu reaktivieren, kann auch eine starke Änderung der Passagierzahl sein. Beispielsweise bei einem Omnibus hat dies einen erheblichen Einfluss auf die Klimatisierung des Fahrgastraums, welcher einer der Bereiche sein kann.
• Noch weitere Kriterien sind hier ebenfalls denkbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vor, dass der Bereich einen Fahrgastraum, leistungselektronische Komponenten Traktionsbatterien und/oder ein Brennstoffzellensystem umfasst. Die Klimatisierung kann also eine Klimatisierung des Fahrgastraums oder der Traktionsbatterien sein, ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik. Sie kann auch alternativ oder ergänzend die Klimatisierung von leistungselektronischen Komponenten und/oder einen Brennstoffzellensystem mit umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundlegend bei verschiedenen Fahrzeugen eingesetzt werden, wie es auch im Stand der Technik beschrieben ist. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen spielt die Klimatisierung der Traktionsbatterien eine ganz entscheidende Rolle, da das Gewicht von Traktionsbatterien in größeren Nutzfahrzeugen sich schnell auf eine thermische Masse von mehreren Tonnen addiert, welche entsprechend auf Temperatur gebracht bzw. auf Temperatur gehalten werden müssen. Dies stellt einen sehr hohen Energieaufwand dar. Außerdem kann ein Fahrgastraum als einer der Bereiche mit eingebunden werden. Dies stellt insbesondere bei einem Omnibus eine entscheidende Größe dar, da der Fahrgastraum relativ groß ist und gegebenenfalls sehr viele Passagiere in dem Fahrgastraum sind. Ferner hat ein Omnibus, als Nutzfahrzeug, eine relativ große und schwere Traktionsbatterie, sodass hier sowohl für den Fahrgastraum als auch für die Traktionsbatterie entsprechend hohe elektrische Leistungen zur Klimatisierung aufgebracht werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere für die Anwendung in einem Nutzfahrzeug und hier bevorzugt in einem Omnibus, da es für diesen Anwendungsfall die höchsten Energieeinsparungen verspricht und damit deutlich größere Vorteile, als sie beispielsweise bei einem Personenkraftwagen auftreten könnten.
Unter dem teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug der Erfindung ist dabei jeweils ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor und Elektroantrieb oder auch ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb und einem sogenannten Range Extender, sei er auf Basis eines Verbrennungsmotors, einer Brennstoffzelle oder dergleichen, zu verstehen. Auch Brennstoffzellenfahrzeuge mit zusätzlicher Batterie können das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend nutzen, wobei dann ein weiterer Bereich das Brennstoffzellensystem bzw. sein Kühlkreislauf sein kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 einen Omnibus an einer Ladestation: und
2 den Omnibus gemäß 1 während der Fahrt.

In der Darstellung der 1 ist ein Omnibus 1 als Fahrzeug bzw. Nutzfahrzeug zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dieser Omnibus 1 soll rein elektrisch angetrieben werden, wozu er über im Heckbereich des Omnibus 1 angedeutete Traktionsbatterien 2 verfügt. Außerdem ist eine Klimaanlage 3 in dem Omnibus 1 angedeutet. Diese soll einerseits zur Klimatisierung der Traktionsbatterien 2 als ein zu klimatisierender Bereich und andererseits zur Klimatisierung des Fahrgastraums des Omnibusses 1 dienen. Die Anforderungen an die Klimatisierung des relativ großen Fahrgastraums eines Omnibusses 1 sind dabei relativ hoch. Vergleichbares gilt für die Temperierung der Traktionsbatterien, deren typische Betriebstemperatur bei etwa 25° C liegt. Da die thermischen Massen von großen Traktionsbatterien in Omnibussen bis zu einigen Tonnen betragen, bedarf es bei der Klimatisierung einer relativ hohen elektrischen Leistung.
Der Omnibus 1 ist an eine stationäre elektrische Leistungsquelle 4 beispielsweise über ein Ladekabel 5 angeschlossen. Die stationäre elektrische Leistungsquelle 4 stellt also eine Ladestation für die Traktionsbatterien 2 des Omnibus 1 dar. Da die typischerweise mit dem elektrischen Netz verbundene Ladestation 4 in der Lage ist, eine relativ hohe elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, kann nun auch die Klimaanlage 3 des Omnibus 1 genutzt werden, um Bereiche innerhalb des Omnibus 1 zu klimatisieren, bei höheren Umgebungstemperaturen beispielsweise zu kühlen. Durch die relativ hohe zur Verfügung stehende Leistung ist es dabei auch möglich, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist, die Bereiche, beispielsweise den Fahrgastinnenraum und die Traktionsbatterien 2, überzukonditionieren, also weiter herunterzukühlen, als dies entsprechend der eigentlich vorgegebenen Solltemperatur, welche später in dem Fahrgastraum bzw. der Traktionsbatterie 2 herrschen soll, typisch wäre. Werden die Traktionsbatterien 2 normalerweise bei einer Betriebstemperatur von 25° C betrieben, dann können sie während der Omnibus 1 an der Ladestation 4 angeschlossen ist, auf beispielsweise 23° C heruntergekühlt werden, sie sind dann also unterkühlt bzw. überkonditioniert und nehmen damit „mehr“ thermische Energie auf, als tatsächlich notwendig. Vergleichbares gilt für den Fahrgastraum. Liegt dessen Solltemperatur im Sommer beispielsweise bei 24° C, dann kann der Omnibus 1 solange er an der Ladestation 4 angeschlossen ist, auch weiter heruntergekühlt werden, beispielsweise auf 21 ° C. Der Fahrgastraum ist dann ebenfalls überkonditioniert. Dadurch existieren in dem Omnibus 1 also entsprechende Bereiche, welche stärker abgekühlt sind, als sie dies gemäß der Vorgabe ihrer Solltemperatur sein sollten. Wenn der Omnibus 1 nun von der Ladestation getrennt wird und losfährt, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist, dann nimmt er praktisch zusätzliche „Kälte“ mit auf den Weg. Um zu verhindern, dass die eigentliche z. B. die Temperaturregelung des Omnibus 1, dieser Situation sofort entgegenwirkt und den Fahrgastraum durch Beheizen auf die Solltemperatur von 24° C anhebt ist es nun vorgesehen, dass die Temperaturregelung ausgesetzt bzw. „eingefroren“ wird. Dadurch wird verhindert, dass die Temperaturregelung versucht, die Sollwerte während des Normalbetriebs sofort zu erreichen. Gleichzeitig werden die aktuellen Temperaturen erfasst und mit den jeweiligen Sollwerten verglichen. Erst nach erstmaligem Erreichen der jeweiligen Temperatursollwerte aufgrund einer passiven Erwärmung oder Abkühlung des jeweiligen Bereichs wird die Temperaturregelung für diesen Bereich dann wieder reaktiviert. Sobald die Traktionsbatterie 2 also die Solltemperatur von 25° C erreicht hat, wird sie wieder aktiv gekühlt bzw. beheizt, während zuvor aufgrund der ausgesetzten Temperaturregelung keine aktive Heizung bzw. Kühlung erfolgt war. Vergleichbares kann so auch für den Fahrgastraum entsprechend umgesetzt werden.
Dadurch, dass der Omnibus 1 nach dem Trennen von der Ladestation 4 also eine entsprechende thermische Energiereserve mit sich führt, kann diese zuerst aufgebraucht werden, bevor die eigentliche Temperaturregelung und damit der aktive Betreib der Klimaanlage 3 beginnen muss. Hierdurch kann elektrische Energie für den Betrieb der Klimaanlage 3 eingespart werden, was sich positiv auf den Gesamtwirkungsgrad, die Energieeffizienz und letztlich die Reichweite des Omnibus 1 auswirkt. Insbesondere bei den hohen thermischen Massen des Omnibusses 1, oder auch anderer Nutzfahrzeuge, ist dies durchaus erheblich, da insbesondere die Traktionsbatterien 2 eine erhebliche Masse aufweisen und damit die „mitgenommene“ thermische Energie relativ lange hält.
Während der Omnibus 1 also in diesem Sondermodus mit ausgesetzter Temperaturregelung fährt, benötigt er faktisch keine elektrische Energie zum Heizen oder Kühlen weder des Fahrgastinnenraums noch der Traktionsbatterie 2. Bei einem elektrisch angetriebenen Omnibus 1 kann als weiterer zu temperierender Bereich die Leistungselektronik oder ähnliches mit eingebunden werden. Verfügt der Omnibus 1 ferner über eine Brennstoffzelle oder einen sogenannten Range Extender, beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors, kann auch dieser mit genutzt werden, um zur Speicherung von thermischer Energie herangezogen zu werden.
Dabei kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass es neben dem Erreichen des Sollwerts der Temperatur in dem jeweiligen Bereich auch noch andere Kriterien gibt, um den Sondermodus abzubrechen bzw. die normale Temperaturregelung wieder reaktivieren. Solche Faktoren können beispielsweise manuelle Eingaben sein, die einen hohen Energiebedarf zur Folge haben. Beispielsweise kann dies das Anfordern von De-Frost, also das Befreien der Scheiben von Belag oder Eis sein, oder die Anforderung eines Re-Heats, zum Entfeuchten des Fahrgastinnenraums. Auch andere entsprechende Anforderungen sind prinzipiell denkbar, beispielsweise das Einschalten einer Sitzbeheizung, das Einschalten von elektrischen Geräten in einer Bordküche des Omnibus oder dergleichen. Weitere Faktoren, welche einen Abbruch des Sondermodus herbeiführen können, können auch von Umgebungsbedingungen geprägt sein. So kann beispielsweise bei starken Temperaturschwankungen, insbesondere einer Entwicklung von Umgebungstemperaturen oder Innenraumtemperaturen, welche dem zu erwartenden Temperaturverlauf stark entgegengeht, der entsprechende Sondermodus abgebrochen werden, um über die Temperaturregelung schnellstmöglich und komfortabel gegenregeln zu können. Die Änderung der Umgebungsbedingungen kann dabei durch einen Änderungsschwellenwert erfasst werden, sodass beispielsweise ein Temperaturabfall um mehr als 5° C als Änderung interpretiert wird, während eine kleine Temperaturschwankung von wenigen Graden, welche beispielsweise durch die abwechselnde Fahrt in der Sonne und im Schatten auftreten können, nicht als derartige Änderung interpretiert wird. Weitere Kriterien aus der Umwelt können beispielsweise das Einsetzen von starken Niederschlägen oder dergleichen sein. Bei dem Omnibus 1 kann es auch entscheidend sein, wie viele Fahrgäste sich in dem Fahrgastraum befinden. Deshalb kann auch eine starke Änderung, beispielsweise ein starker Anstieg der Anzahl von Fahrgästen, als Kriterium genutzt werden, um unabhängig vom Erreichen der Solltemperatur den Sondermodus abzubrechen und die Temperaturregelung entsprechend zu reaktivieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009019607 A1 [0002]
DE 102014226514 A1 [0003]
DE 102016102821 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Klimatisierung eines Bereichs in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug (1), bei welchem der Bereich während das Fahrzeug (1) an eine stationäre elektrische Leistungsquelle (4) angeschlossen ist, überkonditioniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen des Fahrzeugs (1) von der stationären elektrischen Leistungsquelle (4) eine Temperaturregelung für den Bereich ausgesetzt wird, bis der Bereich eine vorgegebene Solltemperatur erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesetzte Temperaturregelung unabhängig von der erfassten Temperatur des Bereichs reaktiviert wird, wenn wenigstens eines der nachfolgenden Ereignisse auftritt: - manueller Eingriff mit hohem Energiebedarf; - Änderung der Umgebungsbedingungen über einen vorgegebenen Änderungsschwellenwert; - starke Änderung der Passagierzahl.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich einen Fahrgastraum, leistungselektronische Komponenten, Traktionsbatterien (2) und/oder ein Brennstoffzellensystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Nutzfahrzeug, bevorzugt ein Omnibus (1), ist.