DE102018204333A1 - Temperierungseinrichtung und Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Temperierungseinrichtung und Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Michael Sailer
Helmut Berger
Marco Knobloch
Bernd Nurtsch
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung (7) zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs (1), mit wenigstens zwei unabhängig voneinander desorbierbarer und adsorbierbarer Adsorptionssystemen (8), mittels welchen Wärme (3) von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufnehmbar, zwischenspeicherbar und an die erste Fahrzeugkomponente und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente abgebbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Temperierungseinrichtung.
  • Aus der DE 10 2015 106 382 A1 ist eine Batterietemperierungsvorrichtung mit einer thermochemischen Wärmespeichereinrichtung sowie wenigstens einem Wärmeübertragungselement bekannt. Das wenigstens ein Wärmeübertragungselement steht mit der thermochemischen Wärmespeichereinrichtung in wärmeleitendem Kontakt, wobei das Wärmeübertragungselement derart ausgebildet ist, dass es mit einer zu heizenden und/oder zu kühlenden Batterie in wärmeleitendem Kontakt gebracht werden kann. Die thermochemische Wärmespeichereinrichtung umfasst einen Warmseitenreaktor und einen Kaltseitenreaktor, in welchen jeweils ein festes Speichermedium zur Aufnahme eines Reaktionsmediums angeordnet ist. In einem beladenen Zustand der thermochemischen Wärmespeichereinrichtung besteht ein Druckunterschied zwischen dem Warmseitenreaktor und dem Kaltseitenreaktor. Infolge des Druckunterschieds strömt Wasserstoff als Reaktionsmedium von dem Kaltseitenreaktor in den Warmseitenreaktor. Über sich durch die Batterie erstreckende Wärmerohre als Wärmeübertragungselemente wird Wärmeenergie von dem Warmseitenreaktor auf die Batterie übertragen, sodass diese erwärmt wird. Mittels der thermochemischen Wärmespeichereinrichtung kann die Batterie bis zum vollständigen Entladen der thermochemischen Wärmespeichereinrichtung temperiert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperierungseinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Temperierungseinrichtung zu schaffen, welche eine kontinuierliche Temperierung wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Temperierungseinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer Temperierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
  • Ein erster Aspekt betrifft eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Temperierungseinrichtung umfasst wenigstens zwei unabhängig voneinander desorbierbare und adsorbierbare Adsorptionssysteme, welche insbesondere jeweils vakuumiert sind. Mittels der Adsorptionssysteme ist Wärme von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufnehmbar, zwischenspeicherbar und an die erste Fahrzeugkomponente und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente abgebbar. Die wenigstens zwei Adsorptionssysteme ermöglichen, dass von der wenigstens einen ersten Fahrzeugkomponente kontinuierlich Wärme aufgenommen werden kann und/oder Wärme an die erste Fahrzeugkomponente und/oder die wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente kontinuierlich abgegeben werden kann, da sich die Adsorptionssysteme unabhängig voneinander in unterschiedlichen Sorptionszuständen befinden können. Somit ist mittels der zwei unabhängig voneinander desorbierbaren und adsorbierbaren Adsorptionssysteme ein kontinuierliches Temperieren der wenigstens einen Fahrzeugkomponente möglich. Des Weiteren ist mittels der Temperierungseinrichtung ein kontinuierliches Kühlen der wenigstens einen ersten Fahrzeugkomponente und ein gleichzeitiges kontinuierliches Erwärmen der wenigstens einen zweiten Fahrzeugkomponente möglich, wobei das Temperieren insbesondere jeweils auf einem konstanten Temperaturniveau erfolgt.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Adsorptionssysteme jeweils einen Sorbensbehälter mit einem Sorbens, einen Reaktionsmittelbehälter zum Aufnehmen eines Reaktionsmittels als Sorptiv und ein Verbindungselement zwischen dem Sorbensbehälter und dem Reaktionsmittelbehälter zum Strömen des Reaktionsmittels zwischen dem Reaktionsmittelbehälter und dem Sorbensbehälter aufweisen. Unter einem Sorbens wird eine das Reaktionsmittel adsorbierende Substanz verstanden. Bei dem Sorptiv handelt es sich um das noch nicht adsorbierte Reaktionsmittel. Das Reaktionsmittel kann ein Fluid, insbesondere Wasser, sein. Dieses Reaktionsmittel kann im Reaktionsmittelbehälter flüssig vorliegen und zum strömen in den Sorbensbehälter verdampfen. Das Sorbens liegt insbesondere als Feststoff im Sorbensbehälter vor. Nach der Adsorption des Reaktionsmittels an dem Sorbens wird das Reaktionsmittel als Adsorbt bezeichnet. Das bedeutet, dass die Adsorptionssysteme jeweils den einen Sorbensbehälter sowie den Reaktionsmittelbehälter umfassen, welche über das Verbindungselement miteinander fluidisch verbunden sind. Innerhalb des jeweiligen Adsorptionssystems, das bedeutet zwischen dem Sorbensbehälter und dem Reaktionsmittelbehälter, kann sich das Reaktionsmittel hin- und herbewegen, wohingegen das Sorbens ausschließlich in dem Sorbensbehälter ist. Strömt das Reaktionsmittel von dem Reaktionsmittelbehälter in den Sorbensbehälter und wird an dem Sorbens adsorbiert, so erwärmt sich der Sorbensbehälter infolge der Adsorption des Reaktionsmittels an dem Sorbens. Gleichzeitig kühlt sich der Reaktionsmittelbehälter ab, da das im Reaktionsmittelbehälter flüssig vorliegende Reaktionsmittel zum Strömen in den Sorbensbehälter verdampft. Bei einem Desorbieren des Reaktionsmittels von dem Sorbens nimmt der Sorbensbehälter Wärme aus seiner Umgebung auf, wohingegen der Reaktionsmittelbehälter bei einer Kondensation des Reaktionsmittels im Reaktionsmittelbehälter frei werdende Wärme an seine Umgebung abgibt. Bei der Adsorption des Reaktionsmittels an dem Sorbens kann somit eine Umgebung des Sorbensbehälters erwärmt und eine Umgebung des Reaktionsmittelbehälters gekühlt werden. Bei der Desorption des Reaktionsmittels von dem Sorbens kann eine Umgebung des Sorbensbehälters gekühlt und einer Umgebung des Reaktionsmittelbehälters erwärmt werden. Mittels eines Wärmeträgerfluids kann jeweils Wärme von und zu dem Sorbensbehälter beziehungsweise dem Reaktionsmittelbehälter transportiert werden, um Wärme mit den jeweiligen Fahrzeugkomponenten auszutauschen. Dies ermöglicht, dass sowohl beim Desorbieren als auch bei Adsorbieren mittels des jeweiligen Adsorptionssystems Wärme sowohl von dessen Umgebung aufgenommen als auch Wärme an dessen Umgebung abgegeben werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Adsorptionssysteme zum Austausch von Wärme thermisch miteinander koppelbar sind. Das bedeutet, dass die Adsorptionssysteme beispielsweise über das Wärmeträgerfluid miteinander fluidisch und thermisch gekoppelt sind. Hierbei kann beispielsweise eines der Adsorptionssysteme mittels bei der Adsorption in dem anderen der Adsorptionssysteme frei werdender Wärme desorbiert werden. Hierdurch kann von der wenigstens einen Fahrzeugkomponente nicht benötigte Wärme der Adsorption des anderen Adsorptionssystems zum Desorbieren des einen Adsorptionssystems genutzt werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Wärmenutzung der Temperierungseinrichtung, da überschüssige Wärme eines Adsorptionsvorgangs statt verworfen zu werden zum Desorbieren wenigstens eines Adsorptionssystems verwendet werden kann. Somit ist mittels der Temperierungseinrichtung ein besonders vorteilhaftes Energiemanagement des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs umsetzbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel Wasser und das Sorbens ein Zeolith ist. Alternativ kann es sich bei dem Sorbens um ein Silicatgel oder um ein Aerogel oder ähnliches handeln. Das Sorbens ist insbesondere eine feste, poröse Substanz. Als Reaktionsmittel kann alternativ zu Wasser ein anderes Fluid eingesetzt werden. Hierdurch kann die Temperierungseinrichtung sowohl besonders kostengünstig als auch besonders umweltfreundlich ausgeführt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Adsorptionssysteme dazu eingerichtet sind, Wärme mit einem Hochvoltspeicher und/oder einem Fahrzeuginnenraum und/oder einem Elektromotor und/oder einem Getriebe und/oder einer Elektronik des Kraftfahrzeugs als Fahrzeugkomponenten auszutauschen. Das bedeutet, dass es sich bei der wenigstens einen Fahrzeugkomponente und bei der wenigstens einen zweiten Fahrzeugkomponente um den Hochvoltspeicher und/oder um den Fahrzeuginnenraum und/oder um den Elektromotor und/oder um das Getriebe und/oder um die Elektronik des Kraftfahrzeugs handeln kann. Somit ist mittels der Temperierungseinrichtung Wärme besonders vorteilhaft zwischen dem Hochvoltspeicher und/oder dem Fahrzeuginnenraum und/oder dem Elektromotor und/oder dem Getriebe und/oder der Elektronik verschiebbar, um ein besonders vorteilhaftes Energiemanagement innerhalb des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs zu erreichen. Dieses Verschieben der Wärme zwischen den Fahrzeugkomponenten erfolgt mittels der Adsorptionssysteme, mittels welchen die Wärme von den jeweiligen Fahrzeugkomponenten aufgenommen und an die jeweilige Fahrzeugkomponente zeitversetzt abgegeben werden kann. Da die Temperierungseinrichtung wenigstens zwei Adsorptionssysteme aufweist, kann ein kontinuierliches Temperieren der jeweiligen Fahrzeugkomponenten auf einem zumindest im Wesentlichen konstanten Temperaturniveau gewährleistet werden, da während eines Desorbierens eines der Adsorptionssysteme das jeweils wenigstens eine weitere Adsorptionssystems adsorbiert werden kann, sodass idealerweise zu jedem Zeitpunkt mittels der Adsorptionssysteme Wärme aufgenommen und/oder Wärme abgegeben werden kann. Insbesondere kann das desorbieren beziehungsweise adsorbieren der Adsorptionssysteme derart gesteuert werden, dass nach Ablauf eines Desorptionsvorgangs beziehungsweise Adsorptionsvorgangs eines der Adsorptionssysteme das andere Adsorptionssystem vollständig adsorbiert beziehungsweise desorbiert ist, sodass das andere Adsorptionssystem nach Ablauf des Desorptionsvorgangs beziehungsweise Adsorptionsvorgangs des einen Adsorptionssystems desorbiert beziehungsweise adsorbiert werden kann. Hierdurch kann kontinuierlich wenigstens eines der Adsorptionssysteme adsorbiert beziehungsweise desorbiert werden, um kontinuierlich Wärme auf einem konstanten Temperaturniveau auszutauschen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs, bei welchem mittels wenigstens zwei, insbesondere vakuumierten, Adsorptionssystemen Wärme von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufgenommen, zwischengespeichert und an die Fahrzeugkomponente und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente abgegeben wird, wobei die Adsorptionssysteme unabhängig voneinander desorbierbar und adsorbierbar sind. Bei dem Verfahren kann mittels der zwei Adsorptionssysteme vorteilhafterweise Wärme kontinuierlich für die wenigstens eine erste Fahrzeugkomponente und/oder die wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente bereitgestellt werden und/oder Wärme kontinuierlich von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufgenommen werden. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn zumindest in einem der Adsorptionssysteme zumindest eine Teilmenge des Reaktionsmittels an dem Sorbens adsorbiert ist und in zumindest einem weiteren Adsorptionssystem zumindest eine Teilmenge des Reaktionsmittels kondensiert in dem Reaktionsmittelbehälter vorliegt. Hierdurch kann sowohl eine Wärmebereitstellung als auch eine Wärmeaufnahme für die wenigstens eine Fahrzeugkomponente bereitgestellt werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Adsorptionswärme eines der Adsorptionssysteme zum Desorbieren des wenigstens einen anderen Adsorptionssystems an das wenigstens eine andere Adsorptionssystem übertragen wird. Hierbei kann die Adsorptionswärme des einen Adsorptionssystems mittels eines Wärmeträgerfluids an das andere Adsorptionssystem übertragen werden. Hierdurch kann von der wenigstens einen Fahrzeugkomponente nicht benötigte Wärme zum Desorbieren des anderen Adsorptionssystems verwendet werden, sodass mittels des anderen Adsorptionssystems in dessen desorbierten Zustand über den Reaktionsmittelbehälter beispielsweise Wärme von wenigstens einer Fahrzeugkomponente aufgenommen werden kann.
  • Das Adsorptionssystem kann als Teil einer Temperierungseinrichtung, welche bereits aus herkömmlichen Temperierungssystem, umfassend beispielsweise einen Wärmetauscher, Wärmepumpe etc., in Kraftfahrzeugen bekannt ist, eingesetzt werden. Das bedeutet, dass das Temperierungssystem zusätzlich zu den wenigstens zwei Adsorptionssystemen noch weitere Temperierungskomponenten, wie Wärmetauscher, Wärmepumpen et cetera, umfassen kann. Hierbei kann das Adsorptionssystem zur Absicherung von kurzfristigen Spitzenbedarfen an Kühl- und Heizleistung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen dienen. Beispielsweise können die Adsorptionssysteme zum Abfedern von thermalen Spitzen zum Einsatz kommen. Hierbei kann Wärme beim Schnellladen des Hochvoltspeichers abgeleitet werden oder Wärme bei tiefen Temperaturen rasch in die jeweilige Fahrzeugkomponente eingebracht werden. Eine Grundtemperierung, welche die thermalen Spitzen nicht abfedert, kann mit den weiteren Temperierungskomponenten erfolgen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung.
  • Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und umgekehrt anzusehen. Aus diesem Grund sind die Vorteile und vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal besch rieben.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Perspektivansicht eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem zu temperierenden Hochvoltspeicher, einem zu temperierenden Fahrzeuginnenraum, einem zu temperierenden Elektromotor, einem zu temperierenden Getriebe und einer zu temperierenden Elektronik;
    • 2 jeweilige schematische Schnittansichten zweier Adsorptionssysteme der Temperierungseinrichtung zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei ein erstes der Adsorptionssysteme adsorbiert wird und das zweite Adsorptionssystem desorbiert wird; und
    • 3 eine schematische Perspektivansicht der Temperierungseinrichtung mit drei unabhängig voneinander desorbierbaren und adsorbierbaren Adsorptionssystemen, wobei zumindest zwei der Adsorptionssysteme zum Austausch von Wärme thermisch miteinander gekoppelt sind.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist in einer schematischen Perspektivansicht ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 1 dargestellt. Das elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug 1 umfasst als Fahrzeugkomponenten einen Hochvoltspeicher 2, bei welchem es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln kann. Bei einem Betreiben des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs 1 kann der Hochvoltspeicher 2 Wärme 3 abgegeben und dabei Kühlung benötigen. Bei einem Start eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs 1 kann der Hochvoltspeicher 2 Wärme 3 benötigen, um auf eine Betriebstemperatur erwärmt zu werden. Als weitere Fahrzeugkomponente umfasst das elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug 1 einen Elektromotor 4, welcher während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 abgeben kann und somit Kühlung benötigt. Des Weiteren kann der Elektromotor 4 bei einem Starten des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 benötigen, um auf dessen Betriebstemperatur erwärmt zu werden. Ebenso umfasst das elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug 1 mindestens ein Antriebsgetriebe 20, welches während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 abgeben kann und somit Kühlung benötigt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst überdies Elektronik, welche im Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 abgeben und somit Kühlung benötigen kann. Die Elektronik 5 kann bei einem Starten des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 benötigen, um auf deren Betriebstemperatur erwärmt zu werden. Als eine weitere Fahrzeugkomponente umfasst das Kraftfahrzeug 1 einen Fahrzeuginnenraum 6, bei welchem es sich um eine Fahrgastzelle handeln kann. Die Fahrgastzelle kann je nach Bedarf eines Fahrzeuginsassen beheizt oder gekühlt werden, sodass Wärme 3 dem Fahrzeuginnenraum 6 zugeführt oder dem Fahrzeuginnenraum 6 entzogen wird.
  • Für ein besonders effizientes Energiemanagement des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs 1 ist eine schematisch mit einem Kästchen gekennzeichnete Temperierungseinrichtung 7 vorgesehen. Die Temperierungseinrichtung 7 ist dazu eingerichtet, wenigstens eine der Fahrzeugkomponenten zu temperieren. Die Temperierungseinrichtung 7 umfasst wenigstens zwei unabhängig voneinander desorbierbare und adsorbierbare Adsorptionssysteme 8. Mittels dieser Adsorptionssysteme 8 ist Wärme 3 von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs 1 aufnehmbar, zwischenspeicherbar und an die erste Fahrzeugkomponente und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs 1 abgebbar. Folglich sind die Adsorptionssysteme 8 dazu eingerichtet, Wärme 3 zwischen dem Hochvoltspeicher 2 und/oder dem Fahrzeuginnenraum 6 und/oder dem Elektromotor 4 und/oder dem Antriebsgetriebe 20 und/oder der Elektronik 5 zu verschieben.
  • In 2 sind zwei Adsorptionssysteme 8 der Temperierungseinrichtung 7 schematisch dargestellt, wobei ein erstes Adsorptionssystem 9 einen Adsorptionsvorgang 10 durchläuft und das zweite Adsorptionssystem 11 einen Desorptionsvorgang 12 durchläuft.
  • Wie in 2 erkannt werden kann, weisen die Adsorptionssysteme 8 jeweils einen Sorbensbehälter 13 mit einem Sorbens 14 auf. Bei dem Sorbens handelt es sich vorliegend um ein Zeolith. Des Weiteren umfassen die Adsorptionssysteme 8 einen über ein Verbindungselement 15 mit dem Sorbensbehälter 13 verbundenen Reaktionsmittelbehälter 16. Innerhalb des jeweiligen Adsorptionssystems 8 strömt ein Reaktionsmittel 17, bei welchem es sich vorliegend um Wasser handelt, zwischen dem Reaktionsmittelbehälter 16 und dem Sorbensbehälter 13. Bei dem sich im Adsorptionsvorgang 10 befindenden ersten Adsorptionssystem 9 wird Wasserdampf im Sorbensbehälter 13 von dem Sorbens 14 adsorbiert, wobei Adsorptionswärme freigesetzt wird. Diese Adsorptionswärme kann vom Sorbensbehälter 13 an dessen Umgebung abgegeben werden. Gleichzeitig verdampft das Reaktionsmittel 17 im Reaktionsmittelbehälter 16, wodurch Verdampfungswärme aus einer Umgebung des Reaktionsmittelbehälters 16 aufgenommen wird. Ein den Sorbensbehälter 13 während des Adsorptionsvorgangs 10 durchströmendes erstes Wärmeträgerfluid 18 wird erwärmt, wohingegen ein den Reaktionsmittelbehälter 16 während des Adsorptionsvorgangs 10 durchströmendes zweites Wärmeträgerfluid 19 gekühlt wird.
  • Das zweite Adsorptionssystem 11 ist während des Desorptionsvorgangs 12 dargestellt, wobei während des Desorptionsvorgangs 12 Wasserdampf von dem Sorbens 14 desorbiert wird. Hierfür nimmt das Sorbens 14 von seiner Umgebung Desorptionswärme auf, bei welcher es sich um Hochtemperaturwärme handelt. Vorliegend nimmt das Sorbens 14 die Desorptionswärme von dem den Sorbensbehälter 13 durchströmenden ersten Wärmeträgerfluid 18 auf, sodass das erste Wärmeträgerfluid 18 gekühlt wird. Bei dem Desorptionsvorgang 12 kondensiert der von dem Sorbens 14 desorbierte Wasserdampf in dem Reaktionsmittelbehälter 16, wobei Kondensationswärme freigesetzt wird und an die Umgebung des Reaktionsmittelbehälters 16 abgegeben werden kann. Das den Reaktionsmittelbehälter 16 durchströmende zweite Wärmeträgerfluid 19 kann die freigesetzte Kondensationswärme aufnehmen, sodass das zweite Wärmeträgerfluid 19 beim Durchströmen des Reaktionsmittelbehälters 16 erwärmt wird. Sowohl während des Adsorptionsvorgangs 10 als auch während des Desorptionsvorgangs 12 kann mittels der Adsorptionssysteme 8 gleichzeitig Wärme 3 aufgenommen und Wärme 3 abgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann Wärme 3 in den Adsorptionssystemen 8 zwischengespeichert werden. Die Adsorptionssysteme 8 der Temperierungseinrichtung 7 sind jeweils vakuumiert.
  • Mittels eines Luftstroms kann der Wasserdampf vom Reaktionsmittelbehälter 16 in den Sorbensbehälter 13 befördert werden. Im Sorbensbehälter 13 wird der Wasserdampf von dem Zeolith adsorbiert. Durch diesen Adsorptionsvorgang 10 wird dem Wasser im Reaktionsmittelbehälter 16 Energie entzogen, das bedeutet, es wird gekühlt, und ein Sorbat aus dem Reaktionsmittel 17, vorliegend dem Wasser und dem Sorbens, vorliegend dem Zeolith, gibt Energie frei und gibt somit Wärme 3 ab. Ist das gesamte Reaktionsmittel 17 aus dem Reaktionsmittelbehälter 16 verdampft und zumindest im Wesentlichen von dem Sorbens 14 adsorbiert, sollte der Vorgang umgekehrt werden. Bei dieser Umkehrung des Vorgangs handelt es sich um den Desorptionsvorgang 12. Bei dem Desorptionsvorgang 12 wird dem Sorbensbehälter 13 Wärme 3 zugeführt. Durch die zugeführte Wärme 3 verdampft das Wasser und kann zurück in den Reaktionsmittelbehälter 16 geführt werden, um dort zu kondensieren. Bei der Kondensation des Wassers wird Wärme 3 als Kondensationswärme abgegeben. Ist zumindest im Wesentlichen das gesamte Wasser im Reaktionsmittelbehälter 16, kann der Adsorptionsvorgang 10 von neuem beginnen.
  • In 3 sind drei Adsorptionssysteme 8 der Temperierungseinrichtung 7 dargestellt. Zwei der dargestellten Adsorptionssysteme 8 befinden sich in einem Adsorptionsvorgang 10, wohingegen sich eines der Adsorptionssysteme 8 in einem Desorptionsvorgang 12 befindet. Das sich in dem Desorptionsvorgang 12 befindende Adsorptionssystem 8 ist mit einem der sich in dem Adsorptionsvorgang 10 befindenden Adsorptionssysteme 8 thermisch gekoppelt. Hierbei wird freigesetzte Adsorptionswärme des einen Adsorptionssystems 8 als Desorptionswärme für das andere Adsorptionssystem 8 genutzt. Die drei Adsorptionssysteme 8 ermöglichen ein Erwärmen und Kühlen der Fahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs 1 auf unterschiedlichen Temperaturniveaus.
  • Der beschriebenen Temperierungseinrichtung 7 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Elektroantriebe wegen ihres hohen Wirkungsgrads im Betrieb wenig und im Stand gar keine Verlustwärme an deren Umgebung abgeben. Um das Kraftfahrzeug 1 bei kalten Außentemperaturen zu beheizen oder Scheiben des Kraftfahrzeugs 1 zu entfrosten, sind daher zusätzliche Wärmequellen nötig. Aufgrund eines geringen Energieverbrauchs der Elektroantriebe fallen zusätzliche Energieverbrauche wie Zusatzheizungen sehr stark ins Gewicht und beanspruchen einen Teil von im Hochvoltspeicher 2 gespeicherter Energie, was sich speziell im Winter gemeinsam mit weiteren jahreszeitlich bedingten Effekten auf eine Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 auswirken kann. Eine einfache, aber sehr energieintensive Form der Zusatzheizung sind elektrische Heizregister, welche in eine Lüftung des Kraftfahrzeugs 1 eingebaut werden können.
  • Hochvoltspeichern 2 ist gemein, dass sie bei tiefen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 10 Grad Celsius, eine Leistungsabgabe verringern, da eine Beweglichkeit von Ladungsträgern abnimmt. Einige Akkumulatorsysteme, welche Nickel-Metall-Hydride oder Lithium-Polymere umfassen, können unterhalb von zirka - 20 Grad Celsius einfrieren. Eine entnehmbare Kapazität des jeweiligen Hochvoltspeichers 2 beziehungsweise des jeweiligen Akkumulatorsystems wird von dessen jeweiliger Temperatur jedoch kaum beeinflusst, wenn eine jeweilige temperaturabhängige Strombelastbarkeit technisch berücksichtigt wird, indem mittels eines Batteriemanagementsystems eine Leistungsabgabe und ein Motorstrom temperaturabhängig begrenzt werden. Durch innere Verluste kann sich der als Traktionsbatterie ausgebildete Hochvoltspeicher 2 während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 erwärmen. Hohe Temperaturen des Hochvoltspeichers 2, insbesondere oberhalb von zirka 30 Grad Celsius, begünstigen aufgrund einer Beweglichkeit der Ladungsträger die Leistungsabgabe, sind aber ungünstig für innere Verluste und eine kalendarische Alterung des Hochvoltspeichers 2. Nicht so bei Solid State Speichern. Diese benötigen eine Arbeitstemperatur von ca. 80°C. Hier muss vorgewärmt werden um die volle Leistungsfähigkeit zu entfalten.
  • Um derartige temperaturabhängige Einschränkungen zu vermeiden, temperieren einige Kraftfahrzeughersteller ihre Akkumulatorsysteme. Dies kann ein Heizen des jeweiligen Akkumulatorsystems in einer kalten Jahreszeit als auch eine Kühlung des jeweiligen Akkumulatorsystems beinhalten. Oft kommen elektrische Heizmatten und Luftkühlungen zum Einsatz, wobei einige Hersteller Flüssigkeiten als Heizmedium beziehungsweise als Kühlmedium verwenden. Die meisten Hersteller betrachten Heizvorgänge und Kühlvorgänge von elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugen 1 getrennt, wodurch deren Akkumulatorsysteme meist wenig effizient und sehr energieaufwendig sind, was die Reichweite des jeweiligen Fahrzeugs negativ beeinflusst. Die Temperierungseinrichtung 7 ermöglicht eine ganzheitliche, hocheffiziente Temperaturregelung des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs 1 mittels der Adsorptionssysteme 8.
  • Durch die beschriebene Temperierungseinrichtung 7 ist ein gleichzeitiges Kühlen und Heizen der Fahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs 1 bei sehr geringem Energieaufwand möglich. Diese Eigenschaft kann bei einer ganzheitlichen Betrachtung des Kraftfahrzeugs 1 optimal genutzt werden. Der Hochvoltspeicher 2 des Kraftfahrzeugs 1 sollte je nach Situation gekühlt oder geheizt werden. Der Fahrzeuginnenraum 6 sollte je nach Bedarf der Fahrzeuginsassen gekühlt oder geheizt werden. Der Elektromotor 4 sowie das antriebsgetriebe 20 und die Elektronik 5 geben während des Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 Wärme 3 ab und sollten somit gekühlt werden. Bei einem Verfahren zum Temperieren der wenigstens einen Fahrzeugkomponente des elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs 1 werden all diese Vorgänge zusammenhängend betrachtet. Alle Kühlvorgänge und Heizvorgänge des Kraftfahrzeugs 1 können durch ein zentrales oder teilweises Adsorptionsklimatisierungssystem, insbesondere die Temperierungseinrichtung 7, gekoppelt werden. Für eine unterbrechungsfreie Temperaturregelung der Fahrzeugkomponenten sind mehrere Adsorptionssysteme 8 vorgesehen, welche gleichzeitig betrieben werden. Wie in 3 dargestellt ist, können drei oder mehr parallele Adsorptionssysteme 8 als Thermomanagementsystem verwendet werden. Ist eines der Adsorptionssysteme 8 aufgebraucht und somit zumindest im Wesentlichen das gesamte Reaktionsmittel 17 am Sorbens 14 adsorbiert, kann dieses aufgebrauchte Adsorptionssystem 8 durch ein weiteres Adsorptionssystem 8 und/oder ein herkömmliches Heizelement wieder aufgeladen und somit desorbiert werden. Bei diesem Desorptionsprozess wird von dem jeweiligen Adsorptionssystem 8 sowohl Wärme 3 abgegeben als auch Wärme 3 aufgenommen. Parallel zu dem Desorptionsvorgang 12 kann ein weiteres Adsorptionssystem 8 einen Adsorptionsvorgang 10 durchlaufen und somit für eine ausreichende Kühlung beziehungsweise Heizung der Fahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs 1 sorgen.
  • Das Verwenden eines Adsorptionssystems zum Heizen beziehungsweise Kühlen ist allgemein sehr effizient und spart somit viel Energie. Durch die ganzheitliche Betrachtung der Temperaturregelung in dem Kraftfahrzeug 1 können die Adsorptionssysteme 8 besonders effizient genutzt werden. Mittels der Temperierungseinrichtung 7 kann im Vergleich zu herkömmlichen Heizvorgängen und Kühlvorgängen in Fahrzeugen Energie eingespart werden, was vor allem bei elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugen 1 von großer Bedeutung ist, um eine möglichst große Reichweite des jeweiligen Kraftfahrzeugs 1 zu gewährleisten. Darüber hinaus gewährleistet die Temperierungseinrichtung 7 einen Start mit voller Leistungsfähigkeit des Hochvoltspeichers bei tiefen Temperaturen und ein rasches Abkühlen des Hochvoltspeichers beim Schnellladen und bei Vollastfahrten.
  • Die Temperierungseinrichtung 7 ermöglicht ein gleichzeitiges Kühlen und Heizen von Fahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs 1. Des Weiteren erfolgt keine Abnutzung der Adsorptionssysteme 8 im Betrieb, sodass die Adsorptionssysteme 8 beliebig oft den Adsorptionsvorgang 10 sowie den Desorptionsvorgang 12 durchlaufen können. Als Arbeitsmittel werden in den Adsorptionssystemen 8 Fluide, insbesondere Wasser, und hochporöse Stoffe, insbesondere Zeolith, eingesetzt, bei welchen es sich um günstige Grundmaterialien handelt. Da es sich bei den Arbeitsmitteln um Naturprodukte handeln kann und keine Kältemittel wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe eingesetzt werden, ist die Temperierungseinrichtung 7 besonders umweltfreundlich. Die Adsorptionssysteme 8 weisen eine besonders einfache Bauweise auf und umfassen kostengünstige Bauteile. Überdies tritt bei den Adsorptionssystemen 8 kaum Verschleiß auf, da diese keine beweglichen Teile umfassen. Mittels der Temperierungseinrichtung 7 kann vorteilhafterweise der Fahrzeuginnenraum 6 des Kraftfahrzeugs 1 gekühlt und/oder geheizt werden. Überdies ist mittels der Temperierungseinrichtung 7 ein Einstellen einer Betriebstemperatur in Zellen des Hochvoltspeichers 2 auch bei tiefen Außentemperaturen möglich. Des Weiteren weist die Temperierungseinrichtung 7 ein besonders geringes Gewicht auf und benötigt besonders wenig Energie, sodass eine besonders hohe Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 erreicht werden kann. Die Adsorptionssysteme 8 können darüber hinaus mit destilliertem Wasser betrieben werden. Im Vergleich zu einer direkten Heizung des Kraftfahrzeugs 1 wird bei einer Temperierungseinrichtung 7 weniger Primärenergie zum Heizen aufgewendet. Überdies ist die Temperierungseinrichtung 7, bei welcher es sich um eine Adsorptionstemperierungseinrichtung handelt, geräuschlos, da keine beweglichen Teile, wie Lüfter, zum Einsatz kommen und ihre Leistung ist zumindest im Wesentlichen beliebig skalierbar. Des Weiteren ist die Temperierungseinrichtung 7 für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 1 vorteilhafterweise besonders energ ieeffizient.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    2
    Hochvoltspeicher
    3
    Wärme
    4
    Elektromotor
    5
    Elektronik
    6
    Fahrzeuginnenraum
    7
    Temperierungseinrichtung
    8
    Adsorptionssystem
    9
    erstes Adsorptionssystem
    10
    Adsorptionsvorgang
    11
    zweites Adsorptionssystem
    12
    Desorptionsvorgang
    13
    Sorbensbehälter
    14
    Sorbens
    15
    Verbindungselement
    16
    Reaktionsmittelbehälter
    17
    Reaktionsmittel
    18
    erstes Wärmeträgerfluid
    19
    zweites Wärmeträgerfluid
    20
    Antriebsgetriebe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015106382 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Temperierungseinrichtung (7) zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs (1), mit wenigstens zwei unabhängig voneinander desorbierbarer und adsorbierbarer Adsorptionssystemen (8), mittels welchen Wärme (3) von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufnehmbar, zwischenspeicherbar und an die erste Fahrzeugkomponente und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente abgebbar ist.
  2. Temperierungseinrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionssysteme (8) jeweils einen Sorbensbehälter (13) mit einem Sorbens (14), einen Reaktionsmittelbehälter (16) zum Aufnehmen eines Reaktionsmittels (17) als Sorptiv und ein Verbindungselement (15) zwischen dem Sorbensbehälter (13) und dem Reaktionsmittelbehälter (16) zum Strömen des Reaktionsmittels (17) zwischen dem Reaktionsmittelbehälter (16) und dem Sorbensbehälter (13) aufweisen.
  3. Temperierungseinrichtung (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionssysteme (8) zum Austausch von Wärme (3) thermisch miteinander koppelbar sind.
  4. Temperierungseinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel (17) ein Fluid, insbesondere Wasser, ist und das Sorbens (14) ein Zeolith oder ein Silikatgel oder ein Aerogel ist.
  5. Temperierungseinrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionssysteme (8) dazu eingerichtet sind, Wärme (3) mit einem Hochvolt-Speicher (2) und/oder einem Fahrzeuginnenraum (6) und/oder einem Elektromotor (4) und/oder einem Getriebe (20) und/oder einer Elektronik (5) des Kraftfahrzeugs (1) als Fahrzeugkomponente auszutauschen.
  6. Verfahren zum Temperieren wenigstens einer Fahrzeugkomponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs (1), bei welchem mittels wenigstens zwei Adsorptionssystemen (8) Wärme (3) von wenigstens einer ersten Fahrzeugkomponente aufgenommen, zwischen gespeichert und an die erste Fahrzeugkomponenten und/oder wenigstens eine zweite Fahrzeugkomponente abgegeben wird, wobei die Adsorptionssysteme (8) unabhängig voneinander desorbierbar und adsorbierbar sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Adsorptionswärme eines der Adsorptionssysteme (8) zum Desorbieren des wenigstens einen anderen Adsorptionssystems (8) an das wenigstens eine andere Adsorptionssystem (8) übertragen wird.
  8. Kraftfahrzeug (1) mit einer Temperierungseinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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