DE102018114744A1 - Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug Download PDF

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Eugen Forschner GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (101, 102, 103) zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung, die in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug (10) mit wenigstens einem Fahrzeuginnenraum (20) und mit wenigstens einer Batterie (40) zum Antreiben wenigstens eines elektrischen Antriebsmotors (50) angeordnet ist. Zur Verbesserung der gesamten Energiebilanz des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (10) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung (101, 102, 103) ein Gehäuse (110) umfasst, in dem wenigstens eine elektronische, elektrische, elektromechanische oder elektrochemische Vorrichtung (121, 122, 131, 132, 133, 161, 162, 171, 172) angeordnet ist, deren bei der Energieverteilung und/oder Energieumwandlung entstehende Abwärme einem Wärmeträgerstrom (210) zugeführt wird, welcher das Gehäuse (110) durchströmt, das ausgangsseitig mit dem Fahrzeuginnenraum (20) und/oder der Batterie (40) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums eines Elektrofahrzeugs ist beispielsweise aus WO 2012/169 764 A2 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung erfolgt eine Wärmerückgewinnung verschiedener elektrischer Klimatisierungs-Komponenten des Elektrofahrzeugs.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug zu schaffen, mittels der die Energieeffizienz eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs wesentlich verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens ein Gehäuse umfasst, in dem wenigstens eine Verlustwärme oder Abwärme erzeugende elektronische, elektrische, elektromechanische oder elektrochemische elektronische, elektrische, elektromechanische oder elektrochemische Vorrichtung angeordnet ist. Das Gehäuse wird von einem Wärmeträgerstrom durchströmt, der ausgangsseitig mit dem Fahrzeuginnenraum und/oder der Batterie verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt ein zentrales, in einem Gehäuse vereinigtes Thermoenergiemanagement für ein Elektrofahrzeug, wobei die bei der Energieübertragung und/oder Energieumwandlung wenigstens einer elektronischen, elektrischen, elektromechanischen oder elektrochemischen Vorrichtung entstehende Verlustwärme einem Wärmeträgerstrom zugeführt wird, welcher das Gehäuse durchströmt. Die Verlustwärme wird dabei möglichst vollständig einem Wärmeträgermedium des Wärmeträgerstroms zugeführt und kann somit an anderer Stelle genutzt werden.
  • Wenn in dieser Anmeldung von „elektronischen Bauteilen“ gesprochen wird, sind davon auch immer elektrische, elektromechanische oder elektrochemische Vorrichtungen mit umfasst.
  • Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass im Gehäuse eine Vorrichtung zum Laden der Batterie (OBC = On Board Charger) und weitere elektronische Bauteile angeordnet sind, die mit einer Leistungselektronik versehen sind und dadurch einen signifikanten Teil der ihnen zugeführten Energie in Verlustwärme oder Abwärme umwandeln. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, für alle Bauteile, die nennenswerte Energieverluste durch Wärmeentwicklung aufweisen, diese Verlustanteile gesammelt einer Beheizung des Fahrzeuginnenraums und/oder einer Vorerwärmung der Batterie zuzuführen. Die Lader-Schaltung des On Board Chargers kann während des Ladevorgangs oder auch während der Fahrt bevorzugt für eine Bestromung eines Heiz-oder Kühlelements genutzt werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verkleinerung oder ein Wegfall eines separaten Heizers, wie beispielsweise eines PTC-Heizers ermöglicht. Durch den Wegfall zusätzlicher Komponenten wird eine Gewichtsreduzierung möglich, die in Verbindung mit der optimalen Batterietemperatur zu einer Erhöhung der Reichweite oder einer Verkleinerung der Batteriegröße genutzt werden kann.
  • Besonders bevorzugt weisen die weiteren elektronischen Bauteile wenigstens eine Power Distribution Unit (PDU) und/oder wenigstens einen PTC-Heizer und/oder wenigstens einen DC/DC-Wandler und/oder wenigstens einen Wechselrichter und/oder wenigstens eine Steuerung eines Klimakompressors auf.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Eintrittstemperatur in das Gehäuse und/oder wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Innentemperatur im Gehäuse und/oder wenigstens einen Temperatursensor zur Messung der Austrittstemperatur aus dem Gehäuse und/oder zur Messung der Temperatur des Fahrzeuginnenraums auf.
  • Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung wenigstens ein einen Mikrocontroller umfassendes Steuergerät auf. Diesem Steuergerät werden als Eingangssignale Messwerte der vorstehend genannten Temperatursensoren zugeführt und das Steuergerät kann anhand dieser Messwerte und der jeweiligen Temperaturanforderung aus dem Fahrzeuginnenraum oder der von der Fahrzeugbatterie gemeldeten Betriebstemperatur gezielt den Wirkungsgrad der Vorrichtung zum Laden der Batterie und/oder des wenigstens einen weiteren elektronischen Bauteils verändern, um dadurch bei Bedarf gezielt mehr Abwärme in diesen Komponenten zu erzeugen, die dann zu Heizzwecken verwendet werden kann. Durch eine gezielte Verschlechterung des Wirkungsgrades können elektronische Komponenten quasi als Heizgerät benutzt werden, die eigentlich dafür nicht vorgesehen sind, wodurch der Einsatz separater Heizgeräte entfallen kann oder diese in ihrer Größe deutlich reduziert ausfallen.
  • Optional ist vorgesehen, dass die Elektronik wenigstens eines der elektronischen Bauteile zur Ansteuerung der Leistung und/oder zur Veränderung des Wirkungsgrades eines anderen elektronischen Bauteils verwendbar ist. Hierdurch kann unter Umständen ein Mikrocontroller in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erübrigt werden, da die ohnehin vorhandene Steuerungsintelligenz mancher Komponenten eine Verwendung zur Steuerung anderer Komponenten ohne weiteres ermöglicht.
  • Der Wärmeträgerstrom verwendet als Wärmeträger bevorzugt Luft, alternativ dazu aber auch Kühlwasser oder eine Kombination aus beiden. Der Wärmeträgerstrom kann dabei so geführt werden, dass die Abwärme der elektronischen Bauteile seriell aufgenommen wird oder alternativ dazu auch zumindest teilweise parallel. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Komponenten mit einer niedrigeren Abwärme-Temperatur vor den Komponenten mit einer höheren Abwärme-Temperatur angeordnet sind, so dass bevorzugt eine Kaskade mit einer stetig ansteigenden Temperatur im Wärmeträgerstrom ausgebildet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Wärmeträgerstrom mittels wenigstens einer Fördereinrichtung, wie eines Gebläses oder einer Pumpe beeinflussbar. In Verbindung mit der Leistungsansteuerung und der gezielten Wirkungsgrad-Veränderung der einzelnen elektronischen Bauteile ist durch eine Veränderung der Förderleistung der Fördereinrichtung ein besonders fein dosierbarer Wärmeeintrag in den Fahrzeuginnenraum oder zur Fahrzeugbatterie möglich.
  • Vorteilhaft ist der aus der Vorrichtung austretende Wärmeträgerstrom mittels einer steuerbaren Weiche für eine Erwärmung des Fahrzeuginnenraums und/oder der Batterie aufteilbar. Dabei können im Steuergerät bevorzugt je nach Außentemperatur und Ladezustand der Batterie Prioritäten für eine Batterie-Erwärmung (oder Kühlung) oder für eine Erwärmung oder Kühlung des Fahrzeuginnenraums gesetzt werden.
  • Optional können auch zwei getrennte erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen sein, von denen eine zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums und eine weitere zur Erwärmung der Batterie dient.
  • Wenn vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einer Erwärmung oder Heizung des Fahrzeuginnenraums oder der Batterie gesprochen wird, ist damit ebenso auch eine Kühlung umfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch eine vorteilhafte Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs mit einem Fahrzeuginnenraum, einer Batterie, einem Antrieb und zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
    • 2 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Mikrocontroller einen PTC-Heizer bei Bedarf ansteuert,
    • 3 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Mikrocontroller über Steuerleitungen den Wirkungsgrad elektronischer Leistungsbauteile zur Erhöhung oder Verminderung von deren Wärmeabgabe gezielt beeinflusst, und
    • 4 eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ergänzend zur zweiten Variante die Steuerungselektronik eines On Board Chargers auch die Ansteuerung eines PTC-Heizers übernimmt.
  • In 1 ist ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug 10 schematisch dargestellt, das einen Fahrzeuginnenraum 20 aufweist und mittels eines von einer Batterie 40 gespeisten Antriebsmotors 50 bewegbar ist. Im Hybrid- oder Elektrofahrzeug 10 sind auch zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 101 schematisch dargestellt, von denen mehrere Ausführungsformen 101, 102, 103 im Detail in den 2 bis 4 dargestellt sind. In der Regel ist nur eine dieser erfindungsgemäßen Vorrichtungen vorhanden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 101 wird von einem Wärmeträgerstrom 210 durchströmt, der als Wärmeträger bevorzugt Luft verwendet. Eine alternative oder ergänzende Verwendung von Kühlflüssigkeit ist aber möglich. Wie in 1 dargestellt, kann der Wärmeträgerstrom 210 mittels einer Fördereinrichtung, die dort als Gebläse 30 angedeutet ist, bezüglich der Strömungsmenge pro Zeiteinheit variiert werden. Optional ist eine Weiche 220 zur Aufteilung des Wärmeträgerstromes 210 in variable Anteile vorgesehen, von denen ein erster Anteil dem Fahrzeuginnenraum 20 und ein zweiter Anteil der Batterie 40 zugeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 101 weist ein Gehäuse 110 auf, in dem alle eine Leistungselektronik aufweisenden Komponenten des Elektrofahrzeugs 10 enthalten sind. Dies ist insbesondere ein On Board Charger (OBC) 131, eine Power Distribution Unit (PDU) 121, ein DC/DC-Wandler 161 und ein stellvertretend für weitere elektronische Komponenten mit „Etc.“ bezeichnetes Bauteil 171, das beispielsweise von der Steuerungselektronik eines Klimakompressors gebildet sein kann.
  • Im Gehäuse 110 ist ferner ein Steuergerät 140 mit einem Mikrocontroller und ein PTC-Heizer 150 angeordnet. Das Steuergerät 140 steuert die Leistung des PTC-Heizers 150 entsprechend des Wärmebedarfs für den Fahrzeuginnenraum 20 und/oder die Batterie 40. Der PTC-Heizer 150 muss dabei nur die Differenz der Wärmeenergie beisteuern, falls die zuvor durch einen Wärmeträgerstrom 210 von den elektronischen Leistungsbauteilen 121, 131, 161 und 171 aufgenommene Abwärme dieser Leistungsbauteile noch nicht ausreichen sollte.
  • Dem Steuergerät 140 werden bevorzugt Temperatursignale eines Temperatursensors 180 für die Eintrittstemperatur ϑ1 in das Gehäuse 110, eines Temperatursensors 190 für die Innentemperatur ϑ2 im Gehäuse 110 vor dem PTC-Heizer 150 und optional eines Temperatursensors 200 für die Austrittstemperatur ϑ3 aus dem Gehäuse 110 zugeführt, so dass das Steuergerät 140 entsprechend der Temperaturanforderung für den Fahrzeuginnenraum 20 und/oder die Batterie 40 die Leistung des PTC-Heizers 150 zur Erzeugung der noch benötigten Differenz-Wärmeenergie im Wärmeträgerstrom 210 vor dessen Austritt aus dem Gehäuse 110 ansteuern kann.
  • Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 sammelt der Wärmeträgerstrom 210 die Abwärme aller Leistungselektronik-Bauteile 121, 131, 161, 171 innerhalb des Gehäuses 110 und das Steuergerät 140 steuert den PTC-Heizer 150 für eine Beisteuerung der vor dem Austritt aus dem Gehäuse 110 noch erforderlichen Wärmeenergie-Differenz an.
  • Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 102 ist der Mikrocontroller des Steuergeräts 140 über eine Steuerleitung 142 mit der PDU 122, über eine Steuerleitung 143 mit der OBC 132, über eine Steuerleitung 146 mit dem DC/DC-Wandler 162 und über eine Steuerleitung 147 mit dem sonstigen elektronischen Bauteil 172 verbunden. Das Steuergerät 140 kann in diesem Fall auf den Wirkungsgrad η der vorstehend genannten elektronischen Bauteile 122, 132, 162 und 172 Einfluss nehmen und dadurch deren Wärmeenergie-Abgabe gezielt steuern. Somit hat hier die Steuerung 140 neben der bereits aus der ersten Ausführungsform gemäß 2 bekannten Ansteuerung des PTC-Heizers 150 die Möglichkeit, alle weiteren im Gehäuse 110 angeordneten Leistungselektronikbauteile 122, 132, 162 und 172 durch eine Herabsetzung von deren Wirkungsgrad η quasi als weitere Heizgeräte zu verwenden.
  • Bei der in 4 dargestellten dritten Ausführungsform ist zusätzlich zur zweiten Ausführungsform gemäß 3 bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 103 vorgesehen, dass die im OBC 133 vorhandene Steuerungselektronik für das Lademanagement der Batterie 40 des Elektrofahrzeugs 10 über eine Steuerleitung 135 auch die Ansteuerung des PTC-Heizers 153 übernimmt. Dadurch kann das Steuergerät 140 von Aufgaben entlastet oder sogar völlig übrig werden, wenn die Ansteuerung der anderen elektronischen Leistungsbauteile von einer ohnehin vorhandenen Steuerung eines elektronischen Leistungsbauteils, wie im vorstehenden Beispiel der OBC 133 übernommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Hybrid- oder Elektrofahrzeug
    20
    Fahrzeuginnenraum
    30
    Fördereinrichtung (Gebläse)
    40
    Batterie
    50
    Antriebsmotor
    101
    Vorrichtung
    102
    Vorrichtung
    103
    Vorrichtung
    110
    Gehäuse
    121
    Power Distribution Unit (PDU)
    122
    Power Distribution Unit (PDU)
    131
    Vorrichtung zum Laden von 40 [On Board Charger (OBC)]
    132
    Vorrichtung zum Laden von 40 [On Board Charger (OBC)]
    133
    Vorrichtung zum Laden von 40 [On Board Charger (OBC)]
    135
    Steuerleitung (von 133 zu 153)
    140
    Steuergerät
    142
    Steuerleitung (von 140 zu 122)
    143
    Steuerleitung (von 140 zu 132 oder 133)
    146
    Steuerleitung (von 140 zu 162)
    147
    Steuerleitung (von 140 zu 172)
    150
    PTC-Heizer
    153
    PTC-Heizer
    161
    DC/DC-Wandler
    162
    DC/DC-Wandler
    171
    (weiteres elektronisches) Bauteil
    172
    (weiteres elektronisches) Bauteil
    180
    Temperatursensor (Eintrittstemperatur ϑ1in 110)
    190
    Temperatursensor (Innentemperatur ϑ2)
    200
    Temperatursensor (Austrittstemperatur ϑ3)
    210
    Wärmeträgerstrom
    220
    Weiche (in 210)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/169764 A2 [0002]

Claims (14)

  1. Vorrichtung (101, 102, 103) zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung, die in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug (10) mit wenigstens einem Fahrzeuginnenraum (20) und mit wenigstens einer Batterie (40) zum Antreiben wenigstens eines elektrischen Antriebsmotors (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (101, 102, 103) ein Gehäuse (110) umfasst, in dem wenigstens eine elektronische, elektrische, elektromechanische oder elektrochemische Vorrichtung (121, 122, 131, 132, 133, 161, 162, 171, 172) angeordnet ist, deren bei der Energieverteilung und/oder Energieumwandlung entstehende Abwärme einem Wärmeträgerstrom (210) zugeführt wird, welcher das Gehäuse (110) durchströmt, das ausgangsseitig mit dem Fahrzeuginnenraum (20) und/oder der Batterie (40) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (110) eine Vorrichtung (131, 132, 133) zum Laden der Batterie (40) und weitere elektronische Bauteile (121, 122; 161, 162; 171, 172) angeordnet sind, die zumindest einen Teil der ihnen zugeführten Energie in Wärme umwandeln.
  3. Vorrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren elektronischen Bauteile wenigstens eine Power Distribution Unit (121, 122) und/oder wenigstens einen PTC-Heizer (150; 153) und/oder wenigstens einen DC/DC-Wandler (161; 162) und/oder wenigstens einen Wechselrichter (171; 172) und/oder wenigstens eine Steuerung (171; 172) eines Klimakompressors umfassen.
  4. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (101, 102, 103) wenigstens einen Temperatursensor (180) zur Erfassung der Eintrittstemperatur (ϑ1) in das Gehäuse (110) und/oder wenigstens einen Temperatursensor (190) zur Erfassung der Innentemperatur (ϑ2) im Gehäuse (110) und/oder wenigstens einen Temperatursensor (200) zur Messung der Austrittstemperatur des Wärmestroms (ϑ3) aus dem Gehäuse (110) und/oder zur Messung der Temperatur des Fahrzeuginnenraums (20) aufweist.
  5. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (101, 102, 103) wenigstens ein einen Mikrocontroller (µC) umfassendes Steuergerät (140) umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuergerät (140) als Eingangssignale Messwerte der Temperatursensoren (180; 190; 200) zugeführt werden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (140) zur Ansteuerung von deren Leistung und/oder zur Veränderung von deren Wirkungsgrad (η) mit der Vorrichtung (131, 132, 133) zum Laden der Batterie (40) und/oder mit dem wenigstens einen elektronischen Bauteil (121, 122; 131, 132, 133; 161, 162; 171, 172) in Verbindung steht.
  8. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik wenigstens eines der elektronischen Bauteile (121, 122; 131, 132, 133; 161, 162; 171, 172) zur Ansteuerung der Leistung und/oder zur Veränderung des Wirkungsgrades (η) eines anderen elektronischen Bauteils (121, 122; 131, 132, 133; 161, 162; 171, 172) verwendbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerstrom (210) als Wärmeträger Luft und/oder Kühlflüssigkeit verwendet.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerstrom (210) die Abwärme der elektronischen Bauteile (121, 122; 131, 132, 133; 161, 162; 171, 172) seriell oder zumindest teilweise parallel aufnimmt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerstrom (210) mittels wenigstens einer Fördereinrichtung (30) beeinflussbar ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einer Vorrichtung (101, 102, 103) austretende Wärmeträgerstrom (210) mittels einer steuerbaren Weiche (220) für eine Erwärmung des Fahrzeuginnenraums (20) und/oder der Batterie (40) aufteilbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (101, 102, 103) zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums (20) und/oder eine weitere Vorrichtung (101, 102, 103) zur Erwärmung der Batterie (40) vorgesehen ist.
  14. Verwendung einer Vorrichtung (101, 102, 103) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug (10).
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