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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches einen elektrischen Energiespeicher und mindestens einen Temperatursensor zur Erfassung mindestens einer Temperatur umfasst, wobei der elektrische Energiespeicher dazu eingerichtet ist, mindestens ein Heizelement des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, wobei mindestens ein Heizelement des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Stand der Technik
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Tiefe Außentemperaturen wirken sich negativ auf das Komfortempfinden und die Sicherheit von Fahrzeuginsassen aus. Bei im Freien stehenden Kraftfahrzeugen kommt es bei tiefen Temperaturen häufig zu Vereisungen der Scheiben und der Außenspiegel und somit zu Sichtbehinderungen. Darüber hinaus sinkt die Innenraumtemperatur des Kraftfahrzeugs auf ein von Menschen als unangenehm empfundenes Niveau ab. Diese negativen Effekte können bei den meisten Kraftfahrzeugen erst einige Minuten nach Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs gemindert werden. Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit einer Standheizung auszustatten, welche das Kraftfahrzeug schon vor Benutzung aufwärmen kann. Derzeit wird jedoch nur eine Minderheit der verkauften Kraftfahrzeuge mit einer Standheizung ausgestattet, da Standheizungen verhältnismäßig schwer und teuer sind.
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Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor weisen eine Starterbatterie als elektrischen Energiespeicher zur Versorgung eines Anlassers auf. Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb, welche auch als Elektrofahrzeuge oder Electric Vehicle (EV) bezeichnet werden, weisen eine Traktionsbatterie als elektrischen Energiespeicher zur Versorgung eines Traktionsmotors auf. Dabei sind derzeit verschiedenartige Technologien für elektrischen Energiespeicher in Kraftfahrzeugen bekannt.
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Neben Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen elektrochemische Kondensatoren, auch Superkondensatoren (SC) genannt, eine immer größer werdende Rolle. Bereits auf dem Markt erhältliche Superkondensatoren werden sowohl für automobile Anwendungen als auch für stationäre Systemen verwendet. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich anhand ihrer Energie- und Leistungsdichte charakterisieren. Generell weisen Superkondensatoren eine höhere Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Somit werden Lithium-Ionen-Batterien für energieintensive Anwendungen und Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen bevorzugt.
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Generell unterteilen sich Superkondensatoren in „Electric Double Layer Capacitors“ (EDLC), „Pseudocapacitors“ und hybride Superkondensatoren (HSC). „Electric Double Layer Capacitors“ sowie „Pseudocapacitors“ weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte, aber eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Hybride Superkondensatoren hingegen besitzen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und eine verhältnismäßig hohe Energiedichtedichte. Hybride Superkondensatoren weisen somit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und von Superkondensatoren auf.
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Derzeit bekannte Lithium-Ionen-Batterien sind von ihrer Betriebstemperatur her eingeschränkt. Die optimale Betriebstemperatur für Lithium-Ionen-Batterien liegt in einem verhältnismäßig kleinen Bereich, etwa zwischen 20°C und 40°C. Superkondensatoren (SC) und auch hybride Superkondensatoren (HSC) können hingegen in einem verhältnismäßig breiten Temperaturspektrum von etwa -40°C bis 70°C, manche hybride Superkondensatoren sogar bis 105°C, betrieben werden.
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Aus den Dokumenten
US 2017/0229253 A1 und
DE 10 2015 218 433 A1 ist ein hybrider Superkondensator bekannt. Hybride Superkondensatoren können beispielsweise mittels kurzer Hochenergiepulse geladen werden, wie sie bei der Bremsenergie-Rekuperation von Kraftfahrzeugen auftreten. Die auf diese Weise zurückgewonnene elektrische Energie kann im Folgenden verwendet werden, um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen.
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Aus den Dokumenten
US 2008/047277 A1 und
DE 10 2006 050 637 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug bekannt. Dabei sind Temperatursensoren zur Erfassung einer Innentemperatur und einer Außentemperatur sowie Heizelemente vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, der als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildet ist. Der Superkondensator oder hybride Superkondensator weist zwei Elektroden auf, nämlich eine positive Elektrode und eine negative Elektrode. Die Elektroden umfassen jeweils einen Stromableiter und sind durch einen Separator voneinander getrennt.
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Der Transport der elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden wird in einem hybriden Superkondensator durch Elektrolyte oder Elektrolytzusammensetzungen gewährleistet. Die Elektroden umfassen als Aktivmaterial ein herkömmliches Superkondensatormaterial, das auch als statisch kapazitives Aktivmaterial bezeichnet wird, sowie ein Material, welches in der Lage ist eine Redox-Reaktion mit den Ladungsträgern des Elektrolyten einzugehen und eine Interkalationsverbindung davon zu bilden. Ein solches Material wird auch elektrochemisches Redoxaktivmaterial genannt. Das Energiespeicherprinzip des hybriden Superkondensators beruht somit auf der Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht in Kombination mit der Bildung einer faradischen Lithium-Interkalationsverbindung. Der hybride Superkondensator umfasst beispielsweise einen viskosen Elektrolyt. Bei dem viskosen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um ein Carbonat, eine ionische Flüssigkeit oder einen Gel-Elektrolyt. Ein hybrider Superkondensator kann auch einen festen Elektrolyt umfassen. Bei dem festen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um einen Polymer-Elektrolyt. Der Separator des hybriden Superkondensators ist aus einem isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethen und Polyvinylidenfluorid. Ferner kann der Separator keramische Materialien umfassen.
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Das Kraftfahrzeug kann mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sein und eine Starterbatterie als elektrischen Energiespeicher zur Versorgung eines Anlassers aufweisen. Das Kraftfahrzeug kann auch mit einem Elektroantrieb ausgestattet sein und eine Traktionsbatterie als elektrischen Energiespeicher zur Versorgung eines Traktionsmotors aufweisen. Der elektrische Energiespeicher ist dabei separat von einer Starterbatterie des Kraftfahrzeugs sowie separat von einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Das Kraftfahrzeug umfasst ferner mindestens einen Temperatursensor zur Erfassung mindestens einer Temperatur. Dabei ist der elektrische Energiespeicher dazu eingerichtet, bei Empfang eines Ansteuersignals und wenn eine von dem Temperatursensor erfasste Temperatur einen Grenzwert unterschreitet, mindestens ein Heizelement des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher des Kraftfahrzeugs dabei in einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet. Besonders bevorzugt ist der elektrische Energiespeicher in der Nähe eines Fahrzeugsitzes angeordnet. Dadurch sind die benötigten Längen der elektrischen Leitungen von dem elektrischen Energiespeicher zu dem Heizelement verhältnismäßig klein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Temperatursensor in einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet. Der Temperatursensor erfasst dabei eine Innentemperatur des Kraftfahrzeugs in der Fahrgastzelle.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Temperatursensor außerhalb einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet. Der Temperatursensor erfasst dabei eine Außentemperatur.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkomponente wie beispielsweise einer Frontscheibe, einer Heckscheibe, eines Außenspiegels, eines Fahrzeugsitzes oder eines Lenkrads des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das mindestens eine Heizelement kann auch zum Erwärmen einer anderen Fahrzeugkomponente vorgesehen sein.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Dabei wird mindestens eine Temperatur von dem mindestens einen Temperatursensor erfasst. Die von dem mindestens einen Temperatursensor erfasste Temperatur wird dann mit einem Grenzwert verglichen.
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Bei Empfang eines Ansteuersignals und wenn die erfasste Temperatur den Grenzwert unterschreitet, wird dann mindestens ein Heizelement des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ansteuersignal beim Entriegeln des Kraftfahrzeugs generiert.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ansteuersignal beim Öffnen einer Tür des Kraftfahrzeugs generiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ansteuersignal durch Betätigen eines Funksenders generiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mindestens ein weiterer Verbraucher des Kraftfahrzeugs, mit Ausnahme eines Traktionsmotors und mit Ausnahme eines Anlassers, von dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Bei dem weiteren Verbraucher kann es sich beispielsweise um ein Multi-Media-Element, ein Navigationsgerät oder eine Alarmanlage handeln.
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Vorteile der Erfindung
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Bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann bereits vor dem Starten des Kraftfahrzeugs eine Erwärmung mehrerer Fahrzeugkomponenten mittels des mindestens einen Heizelements stattfinden. Eine Standheizung, deren Einbau für einen Kunden mit relativ hohen Kosten verbunden wäre, ist nicht erforderlich. Der Einbau eines zusätzlichen, als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildeten elektrischen Energiespeichers ist für den Kunden mit deutlich geringeren Mehrkosten verbunden als der Einbau einer Standheizung. Durch die verhältnismäßig hohe Leistungsdichte von Superkondensatoren sowie hybriden Superkondensatoren können die beschriebenen Fahrzeugkomponenten in relativ kurzer Zeit erwärmt werden. Vorteilhaft ist insbesondere, dass hierdurch das Bordnetz des Kraftfahrzeugs nicht belastet wird. Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird also die Starterbatterie nicht entladen und dadurch die Startfähigkeit nicht eingeschränkt. Bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb wird die Traktionsbatterie nicht entladen und dadurch die Reichweite nicht vermindert. Ferner weisen hybride Superkondensatoren auch eine verhältnismäßig hohe Energiedichte auf. Ein als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildeter elektrischer Energiespeicher, welcher die erforderlichen Fahrzeugkomponenten in verhältnismäßig kurzer Zeit erwärmen kann, hat daher nur ein verhältnismäßig geringes Gewicht und benötigt nur einen verhältnismäßig geringen Bauraum. Auch ist durch entsprechende Verschaltung der einzelnen Zellen des Superkondensators oder hybriden Superkondensators ein Leistungsbedarf des Superkondensators oder hybriden Superkondensators skalierbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs,
- 2 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor und
- 3 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine Darstellung einer Fahrgastzelle 80 eines Kraftfahrzeugs. Innerhalb der Fahrgastzelle 80 befinden sich unter anderem zwei Fahrzeugsitze 82, welche jeweils ein hier nicht dargestelltes Heizelement 14 in Form einer Sitzheizung aufweisen. Innerhalb der Fahrgastzelle 80 befindet sich ferner ein Lenkrad 86, welches ein hier nicht dargestelltes Heizelement 14 in Form einer Lenkradheizung aufweist. Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Frontscheibe 84 und eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Heckscheibe, welche jeweils ein hier nicht dargestelltes Heizelement 14 in Form einer Scheibenheizung aufweisen. Auch umfasst das Kraftfahrzeug zwei Außenspiegel 88, welche jeweils ein hier nicht dargestelltes Heizelement 14 in Form einer Spiegelheizung aufweisen.
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Innerhalb der Fahrgastzelle 80 ist ferner ein elektrischer Energiespeicher 10 angeordnet, welcher in dieser Darstellung nicht sichtbar ist. Der elektrische Energiespeicher 10 ist als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildet und dient dazu, die oben genannten Heizelemente 14 mit elektrischer Energie zu versorgen. Der elektrische Energiespeicher 10 ist beispielsweise unter einem der Fahrzeugsitze 82 oder in einer Mittelkonsole 90 angeordnet.
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Die oben genannten Heizelemente 14 weisen in Summe beispielsweise einen Leistungsbedarf von 750 W auf. Der elektrische Energiespeicher 10 soll beispielsweise diesen Leistungsbedarf von 750 W für eine Dauer von 10 s erbringen, danach sind die Heizelemente 14 ausreichend erwärmt. Der elektrische Energiespeicher 10 benötigt in diesem Fall einen Energiegehalt von etwa 2,1 Wh. Bei einer angenommenen Energiedichte von etwa 50 Wh/kg weist der elektrische Energiespeicher 10 somit ein Gewicht von etwa 42 g auf. Zusammen mit einem Gehäuse und einer Leistungselektronik zum Ansteuern des elektrischen Energiespeichers 10 ergibt sich ein zusätzliches Gewicht in dem Kraftfahrzeug von etwa 100 g.
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In der Fahrgastzelle 80 des Kraftfahrzeugs ist ferner ein Temperatursensor angeordnet, welcher eine Innentemperatur erfasst. Außerhalb der Fahrgastzelle 80 des Kraftfahrzeugs ist ein weiterer Temperatursensor angeordnet, welcher eine Außentemperatur erfasst. Die Temperatursensoren sind hier nicht dargestellt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes 20 eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Das Bordnetz 20 umfasst eine Starterbatterie 12, welche unter anderem zur Versorgung eines Anlassers 18 dient. Die Starterbatterie 12 dient auch zur Versorgung weiterer, hier nicht detailliert dargestellter Verbraucher in dem Kraftfahrzeug. Der Anlassers 18 und die weiteren Verbraucher umfassen jeweils noch eigene, hier nicht dargestellte Schalter zum Zuschalten und Abschalten.
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Das Bordnetz 20 umfasst ferner den elektrischen Energiespeicher 10, welcher als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildet ist. Der elektrische Energiespeicher 10 dient insbesondere zur Versorgung der Heizelemente 14, welche zum Erwärmen der Frontscheibe 84, der Heckscheibe, der Außenspiegel 88, der Fahrzeugsitze 82 sowie des Lenkrads 86 vorgesehen sind. Die Heizelemente 14 umfassen jeweils noch eigene, hier nicht dargestellte Schalter zum Zuschalten und Abschalten.
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Der elektrische Energiespeicher 10 ist also separat von der Starterbatterie 12 ausgebildet. Das Bordnetz 20 umfasst auch einen Hauptschalter 16, mittels welchem die Starterbatterie 12 von dem elektrischen Energiespeicher 10 elektrisch getrennt werden kann. Die Starterbatterie 12 wird beispielsweise beim Abstellen des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Energiespeicher 10 durch den Hauptschalter 16 getrennt. Bei offenem Hauptschalter 16 kann insbesondere der Anlasser 18 nicht von dem elektrischen Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt werden. Ebenso können bei offenem Hauptschalter 16 die Heizelemente 14 nicht von der Starterbatterie 12 mit elektrischer Energie versorgt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes 20 eines Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb. Das Bordnetz 20 umfasst eine Traktionsbatterie 22, welche unter anderem zur Versorgung eines Traktionsmotors 28 dient. Die Traktionsbatterie 22 dient auch zur Versorgung weiterer, hier nicht detailliert dargestellter Verbraucher in dem Kraftfahrzeug. Der Traktionsmotor 28 und die weiteren Verbraucher umfassen jeweils noch eigene, hier nicht dargestellte Schalter zum Zuschalten und Abschalten.
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Das Bordnetz 20 umfasst ferner den elektrischen Energiespeicher 10, welcher als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgebildet ist. Der elektrische Energiespeicher 10 dient insbesondere zur Versorgung der Heizelemente 14, welche zum Erwärmen der Frontscheibe 84, der Heckscheibe, der Außenspiegel 88, der Fahrzeugsitze 82 sowie des Lenkrads 86 vorgesehen sind. Die Heizelemente 14 umfassen jeweils noch eigene, hier nicht dargestellte Schalter zum Zuschalten und Abschalten.
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Der elektrische Energiespeicher 10 ist also separat von der Traktionsbatterie 22 ausgebildet. Das Bordnetz 20 umfasst auch einen Hauptschalter 16, mittels welchem die Traktionsbatterie 22 von dem elektrischen Energiespeicher 10 elektrisch getrennt werden kann. Die Traktionsbatterie 22 wird beispielsweise beim Abstellen des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Energiespeicher 10 durch den Hauptschalter 16 getrennt. Bei offenem Hauptschalter 16 kann insbesondere der Traktionsmotor 28 nicht von dem elektrischen Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt werden. Ebenso können bei offenem Hauptschalter 16 die Heizelemente 14 nicht von der Traktionsbatterie 22 mit elektrischer Energie versorgt werden.
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In dem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor ebenso wie in dem Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb werden mittels der Temperatursensoren eine Innentemperatur und eine Außentemperatur erfasst. Die Innentemperatur sowie die Außentemperatur werden mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert liegt beispielsweise bei 0°C.
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Wenn eine der erfassten Temperaturen den Grenzwert unterschreitet, und wenn ein Ansteuersignal empfangen wird, so wird mindestens ein Heizelement 14, gegebenenfalls auch mehrere Heizelemente 14 oder alle Heizelemente 14, des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt. Welche der Heizelemente 14 mit elektrischer Energie versorgt werden, kann durch eine entsprechende Konfiguration in dem Kraftfahrzeug vorgegeben werden. Dadurch werden, je nach Konfiguration, die Fahrzeugsitze 82, das Lenkrad 86, die Frontscheibe 84, die Heckscheibe sowie die Außenspiegel 88 mittels der entsprechenden Heizelemente 14 erwärmt.
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Das besagte Ansteuersignal wird beispielsweise beim Entriegeln des Kraftfahrzeugs generiert. Das Ansteuersignal kann beispielsweise auch beim Öffnen einer Tür des Kraftfahrzeugs generiert werden. Ebenso kann das Ansteuersignal beispielsweise durch Betätigen eines Funksenders generiert werden. Somit werden die entsprechenden Fahrzeugkomponenten wie die Fahrzeugsitze 82, das Lenkrad 86, die Frontscheibe 84, die Heckscheibe sowie die Außenspiegel 88 mittels der entsprechenden Heizelemente 14 erwärmt bevor das Kraftfahrzeug gestartet wird.
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In einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor wird der Anlasser 18 ausschließlich von der Starterbatterie 12 mit elektrischer Energie versorgt und nicht von dem elektrischen Energiespeicher 10. Ebenso wird in einem Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb der Traktionsmotor 28 ausschließlich von der Traktionsbatterie 22 mit elektrischer Energie versorgt und nicht von dem elektrischen Energiespeicher 10.
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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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- US 2017/0229253 A1 [0007]
- DE 102015218433 A1 [0007]
- US 2008047277 A1 [0008]
- DE 102006050637 A1 [0008]
