-
Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des Wärmemanagementsystems.
-
Wärmespeicher oder thermische Speicher (TES) können in einem Kraftfahrzeug für verschiedene Anwendungen zum Einsatz kommen. Je nach Antriebskonzept (BEV, PHEV, konventionell) lässt sich ein thermischer Speicher nutzen, um im Fahrzeug anfallende Wärme zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zur Vorkonditionierung von Komponenten oder des Fahrzeug-Innenraums zu nutzen. Zum Einsatz kommen vor allem Phasen-Wechsel-Materialien (PCM, Phase Change Materials) auf Grund deren hoher Leistungsdichte. In der Regel erfolgt die Anbindung von thermischen Speichern an das Thermomanagement-System des Fahrzeugs durch Einbindung in einen Kühlkreislauf. Dabei wird der thermische Speicher mit Kühlmittel durchströmt.
-
Die
DE 10 2013 107 251 A1 schlägt eine Dampfkraftvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftvorrichtung vor. Die Vorrichtung umfasst eine Wärmeübertragungs- und eine Verdampfereinrichtung, an denen ein Arbeitsmedium durch ein Wärmeübertragungsmedium erwärmt und verdampft wird. An der Wärmeübertragungseinrichtung und/oder der Verdampfereinrichtung ist ein Latentwärmespeicher angeordnet.
-
Die
DE 10 2013 100 396 A1 betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung mit einer thermoelektrischen Moduleinrichtung mit einer Kaltseite und Heißseite, und einer Latentwärmespeichereinrichtung, welche an der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet ist.
-
Die
DE 10 2015 111 235 A1 offenbart eine Wärmespeichervorrichtung mit einer ersten Wärmespeichereinrichtung, in welcher Wärme auf einem ersten Temperaturniveau speicherbar ist, einer zweiten Wärmespeichereinrichtung, in welcher Wärme auf einem zweiten Temperaturniveau speicherbar ist, welches niedriger ist als das erste Temperaturniveau, einer der ersten Wärmespeichereinrichtung zugeordneten Heizeinrichtung, einem zwischen den Wärmespeichereinrichtungen angeordneten Wärmeübertragungsraum, über welchen Wärme von der ersten Wärmespeichereinrichtung in die zweite Wärmespeichereinrichtung übertragbar ist, und einer Einstelleinrichtung, durch die ein Wärmeübertrag von der ersten Wärmespeichereinrichtung auf die zweite Wärmespeichereinrichtung einstellbar ist.
-
Es sind auch thermische Speicher bekannt, die durch einen integrierten Heizer beladen werden können. Des Weiteren kommen in BEVs und PHEVs elektrische Heizer wie HV-PTCs oder Widerstandsheizer zur Beheizung von Innenraum und HV-Batterie zum Einsatz. Durch eine Einbindung in die Kühlmittelkreisläufe des Fahrzeugs, kann Kühlmittel erwärmt und zur Beheizung von Komponenten/Innenraum genutzt werden. Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme (4-10 kW) werden Hochvoltheizer elektrisch an das Hochvoltnetz angebunden.
-
Die
DE 10 2013 205 921 A1 offenbart ein Innenraumheizsystem mit einem entfernt angeordneten Hochspannungsschalter zur Steuerung eines innerhalb eines Fahrzeugabteils angeordneten Hochspannungsheizers zur Erwärmung von Fahrzeugluft.
-
Die
DE 10 2014 224 890 A1 lehrt ein Betriebsverfahren und Betriebssystem für ein Brennstoffzellen-System, bei dem ein Hochspannungsheizer zum Erwärmen des Brennstoffzellen-Systems genutzt wird.
-
Aus der
DE 10 2014 101 044 A1 sind ein Verfahren und ein System zum thermischen Management eines Fahrzeugs bekannt. Das System umfasst drei Kühlmittelkreisläufe. Der erste Kreislauf umfasst ein wieder aufladbares Energiesystem und einen Heizer. Der zweite Kreislauf umfasst eine Brennkraftmaschine. Der dritte Kreislauf ist mit dem ersten Kreislauf verbunden und steht über einen Wärmetauscher in Kommunikation mit dem zweiten Kreislauf.
-
Bei den bekannten Systemen werden jeweils ein Heizer für die Beladung des Wärmespeichers und ein HV-Heizer zum Beheizen des Innenraums benötigt. Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Standes der Technik zumindest zum Teil zu beseitigen
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 bis 10. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
-
Erfindungsgemäß wird ein einziger HV-Heizer (Hochvolt-Heizer) zum Beladen eines thermischen Speichers (Wärmespeichers) oder zum Beheizen eines Heizkreislaufes und über diesen Heizkreislauf auch eines Innenraumes eines Fahrzeuges genutzt. Dabei kommt ein Heizungswärmetauscher mit einer Luftklappe zur Leitung des Luftstromes für den Innenraum zum Einsatz, der in dem Heizkreislauf angeordnet ist, der den thermischen Speicher, eine Pumpe und den HV-Heizer umfasst. Erfindungsgemäß sind der HV-Heizer und der thermische Speicher in Reihe geschaltet. Der HV-Heizer bekommt so eine Doppelfunktion und wird einerseits zum Beheizen des Innenraums und andererseits zur Beladung des thermischen Speichers eingesetzt.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, das nur einen einzigen HV-Heizer umfasst. Das System weist einen Kreislauf für ein Wärmeübertragungsmedium (d. h. einen Heizkreislauf) auf, der mindestens einen Wärmespeicher und mindestens einen Heizungswärmetauscher (HWT) umfasst. Dem mindestens einen HWT ist eine Luftklappe vorgeschaltet, die dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom über den HWT zu regulieren. Ist die Luftklappe geschlossen, so wird kein Luftstrom über den HWT geleitet, und der HWT kann keine Wärme an den Luftstrom abgeben. Ist die Luftklappe geöffnet, wird ein Luftstrom über den HWT geleitet, und der HWT kann Wärme an den Luftstrom abgeben. Der erwärmte Luftstrom kann beispielsweise dafür eingesetzt werden, einen Innenraum des Kraftfahrzeugs zu beheizen.
-
In einer Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist der HV-Heizer in dem Heizkreislauf angeordnet. In einer speziellen Ausführungsform ist der HV-Heizer im Heizkreislauf stromaufwärts des mindestens einen Wärmespeichers angeordnet. In einer anderen speziellen Ausführungsform ist der HV-Heizer stromabwärts des mindestens einen Wärmespeichers angeordnet.
-
In einer anderen Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist der HV-Heizer in dem mindestens einen Wärmespeicher integriert. In wieder einer anderen Ausführungsform des Wärmemanagementsystems steht der HV-Heizer mit dem mindestens einen Wärmespeicher durch ein System zur Wärmeübertragung in Verbindung.
-
Der mindestens eine Wärmespeicher ist dafür eingerichtet, Wärme zu speichern bzw. abzugeben. Es kann auch mehr als ein Wärmespeicher im Heizkreislauf vorhanden sein. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher.
-
Ein Latentwärmespeicher umfasst ein Phasenwechselmedium (PCM, Phase Change Material), das im Bereich der Phasenübergangstemperatur Energie aufnehmen kann, ohne dass seine Temperatur weiter ansteigt. Bei der Phasenwechseltemperatur, beispielsweise bei Übergang von der festen zur flüssigen Phase, erfährt die Wärmekapazität des Phasenwechselmediums einen Sprung. Es lässt sich dadurch bei Wärmezufuhr Energie in dem Latentwärmespeicher speichern, die für eine spätere Verwendung zur Verfügung steht. Es ist mittlerweile eine Vielzahl von Materialien für Latentwärmespeicher verfügbar, die Phasenübergangstemperaturen im Bereich von -50°C bis 190°C aufweisen. Die Materialien umfassen z. B. Paraffine, Salzhydrate anorganischer Salze oder eutektische Gemische anorganischer Verbindungen. Durch Auswahl eines Materials mit einer gewünschten Phasenübergangstemperatur lässt sich das Temperaturniveau festlegen, bei dem Wärme in dem mindestens einen Wärmespeicher gespeichert und von diesem bei Bedarf wieder abgegeben wird.
-
Eine weitere Ausführungsform des Wärmemanagementsystems weist im Heizkreislauf ein Mehrwegeventil auf, das dafür eingerichtet ist, einen Strom des Wärmeübertragungsmediums wahlweise durch den mindestens einen Wärmespeicher oder durch eine Umgehungsleitung an dem mindestens einen Wärmespeicher vorbei zu leiten. Die Umgehungsleitung ist stromaufwärts und stromabwärts des mindestens einen Wärmespeichers mit dem Heizkreislauf verbunden. Das Mehrwegeventil ist in einer Ausführungsform an der Abzweigung der Umgehungsleitung vom Heizkreislauf stromaufwärts des mindestens einen Wärmespeichers angeordnet. In einer anderen Ausführungsform ist das Mehrwegeventil an der Einmündung der Umgehungsleitung in den Heizkreislauf stromabwärts des mindestens einen Wärmespeichers angeordnet. In beiden Fällen kann das Mehrwegeventil sowohl einen Strom des Wärmeübertragungsmediums durch den mindestens einen Wärmespeicher freigeben oder unterbinden als auch einen Strom des Wärmeübertragungsmediums durch die Umgehungsleitung (Bypass) freigeben oder unterbinden.
-
Der Heizkreislauf umfasst natürlich auch eine Pumpe, die das Wärmeübertragungsmedium durch den Heizkreislauf fördert. Das Wärmeübertragungsmedium enthält beispielsweise Wasser oder einen mehrwertigen Alkohol, wie Ethylenglykol, Butandiol oder Glycerin. Wird als Wärmespeicher ein Latentwärmepeicher mit sehr hoher Schmelztemperatur (>120°C) verwendet, kann auch ein ölbasiertes Wärmeübertragungsmedium eingesetzt werden.
-
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems gehört, dass kein separater HV-Heizer zur Beladung des Wärmespeichers benötigt wird. Ein einziger HV-Heizer übernimmt zwei Aufgaben: die Beladung des Wärmespeichers und die Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs insbesondere bei leerem Wärmespeicher. HV-Heizer und Wärmespeicher können in eine Komponente integriert werden. Dadurch ergeben sich Vorteile durch eine bessere Bauraumausnutzung.
-
Gegenstand der Erfindung sind auch Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems.
-
Zum Beladen des mindestens einen Wärmespeichers mit Wärmeenergie wird die Luftklappe des Heizungswärmetauschers so eingestellt, dass kein Luftstrom über den Heizungswärmetauscher geführt wird. Durch den HV-Heizer wird das Wärmeübertragungsmedium im Heizkreislauf erwärmt, und ein Strom des erwärmten Wärmeübertragungsmediums wird durch den mindestens einen Wärmespeicher geleitet.
-
Zum Entladen des mindestens einen Wärmespeichers von Wärmeenergie wird die Luftklappe des Heizungswärmetauschers so eingestellt, dass ein Luftstrom über den Heizungswärmetauscher geführt und dadurch Wärme aus dem Heizkreislauf entnommen und auf den Luftstrom übertragen wird. Ein Strom des Wärmeübertragungsmediums wird durch den mindestens einen Wärmespeicher geleitet, um Wärme aus dem mindestens einen Wärmespeicher auf das Wärmeübertragungsmedium zu übertragen.
-
Um einen über den Heizungswärmetauscher geleiteten Luftstrom auch dann schnell zu erwärmen, wenn der mindestens eine Wärmespeicher entladen ist, wird durch den HV-Heizer das Wärmeübertragungsmedium im Kreislauf erwärmt und ein Strom des erwärmten Wärmeübertragungsmediums wird durch eine Umgehungsleitung an dem mindestens einen Wärmespeicher vorbei geleitet. Das vom HV-Heizer erwärmte Wärmeübertragungsmedium fließt dann direkt durch den HWT, ohne vorher Wärme an den entladenen Wärmespeicher abzugeben.
-
Die Betriebsstrategie des Wärmemanagementsystems umfasst also drei Betriebsmodi:
- a) Beladen des Wärmespeichers, wobei keine Innenraumheizung erfolgt;
- b) Entladen des Wärmespeichers in Verbindung mit Innenraumheizung;
- c) Innenraumheizung nur über den HV-Heizer unter Umgehung des Wärmespeichers.
-
Im Betriebsmodus a) wird die dem HWT vorgeschaltete Luftklappe so eingestellt, dass der Heizungswärmetauscher nicht von Luft durchströmt wird und damit keine Wärme aus dem Heizkreislauf entnommen wird, um den entladenen thermischen Speicher durch den HV-Heizer zu beladen.
-
Im Betriebsmodus b) wird die dem HWT vorgeschaltete Luftklappe so eingestellt, dass der Heizungswärmetauscher von Luft durchströmt wird, um den beladenen thermischen Speicher zu entladen.
-
Auch im Betriebsmodus c) wird die dem HWT vorgeschaltete Luftklappe so eingestellt, dass der Heizungswärmetauscher von Luft durchströmt wird, um die Energie des HV-Heizers zur Erwärmung des Luftstroms zu nutzen. Jedoch wird das Wärmemedium nicht durch den Wärmespeicher geleitet, sondern durch eine Umgehungsleitung (Bypass) an diesem vorbei geführt.
-
Die Betriebsmodi lassen sich auch kombinieren. Beispielsweise kann durch die Luftklappe der über den HWT geleitete Luftstrom so eingestellt werden, dass die Heizleistung des HV-Heizers teilweise zur Erwärmung des Luftstroms und teilweise zur Beladung des mindestens einen Wärmespeichers genutzt wird.
-
Zusätzlich kann ein Teil des Wärmeübertragungsmediums nach Erhitzen durch den HV-Heizer durch den mindestens einen Wärmespeicher geleitet werden, um diesen zu beladen, und der andere Teil über eine Umgehungsleitung an dem mindestens einen Wärmespeicher vorbei geführt werden, um einen über den HWT geleiteten Luftstrom zu erwärmen.
-
Auch kann beim Entladen des mindestens einen Wärmespeichers mittels des HV-Heizers zusätzliche Wärmeenergie bzw. Heizleistung bereitgestellt werden, um die insgesamt zur Erwärmung des Luftstroms über den HWT zur Verfügung stehende Heizleistung zu erhöhen.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems.
-
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 10. In einem Kreislauf 11 eines Mediums zur Wärmeübertragung (Heizkreislauf) sind ein Wärmespeicher 12 und ein HV-Heizer 13 angeordnet. In der Figur ist der Wärmespeicher 12 stromabwärts des HV-Heizers 13 im Heizkreislauf 11 angeordnet. Die Reihenfolge kann jedoch auch umgekehrt sein, d. h. der HV-Heizer 13 kann auch stromabwärts des Wärmespeichers 12 angeordnet sein.
-
Der Heizkreislauf 11 umfasst eine Pumpe 17, die das Wärmeübertragungs-Medium durch den Kreislauf 11 fördert, und einen Heizungswärmetauscher (HWT) 14. Dem HWT 14 ist eine Luftklappe 15 (Temperaturklappe) vorgeschaltet, mit der sich ein Luftstrom 16 durch den HWT 14 regulieren und auch ganz unterbinden lässt.
-
2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 10. Zusätzlich zu den Elementen der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Heizkreislauf 11 in dieser Ausführungsform ein zwischen Wärmespeicher 12 und HV-Heizer 13 angeordnetes Mehrwegeventil 18 und eine daran angeschlossene Umgehungsleitung 19 (Bypass) auf, in der sich ein Strom des Wärmeübertragungsmediums um den Wärmespeicher 12 herum bzw. an diesem vorbei leiten lässt.
-
3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 10. In dem Heizkreislauf 11 sind ein Wärmespeicher 12 und ein Heizungswärmetauscher (HWT) 14 angeordnet, sowie eine Pumpe 17, die das Wärmeübertragungs-Medium durch den Kreislauf 11 fördert. Dem HWT 14 ist eine Luftklappe 15 (Temperaturklappe) vorgeschaltet, mit der sich ein Luftstrom 16 durch den HWT 14 regulieren und auch ganz unterbinden lässt. In dieser Ausführungsform ist ein HV-Heizer 13 in den Wärmespeicher 12 integriert oder steht mit diesem durch ein System zur Wärmeübertragung in Verbindung. Der HV-Heizer 13 steht also nicht in direktem Kontakt mit dem Wärmeübertragungsmedium des Heizkreislaufs 11.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystem 10 lassen sich folgende Betriebsarten realisieren:
- a) Beladen des Wärmespeichers 12:
- • Die Luftklappe 15 wird so geschaltet, dass kein Luftstrom 16 über den Heizungswärmetauscher 14 geführt wird und damit keine Wärme aus dem Heizkreislauf 11 entnommen wird;
- • Die Pumpe 17 fördert Wärmeübertragungsmedium durch den Heizkreislauf 11;
- • Der HV-Heizer 13 gibt Wärme an den Heizkreislauf 11 ab;
- • Falls ein Mehrwegeventil 18 vorhanden ist (wie in 2), ist dies so eingestellt, dass ein Strom des Wärmeübertragungsmediums durch den Wärmespeicher 12 geführt wird;
- • Der Wärmespeicher 12 nimmt Wärmeenergie auf.
- b) Entladen des Wärmespeichers 12:
- • Die Luftklappe 15 wird so geschaltet, dass ein Luftstrom 16 über den Heizungswärmetauscher 14 geführt wird und somit Wärme aus dem Heizkreislauf 11 entnommen und dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird;
- • Die Pumpe 17 fördert Wärmeübertragungsmedium durch den Heizkreislauf 11;
- • Falls ein Mehrwegeventil 18 vorhanden ist (wie in 2), ist dies so eingestellt, dass ein Strom des Wärmeübertragungsmediums durch den Wärmespeicher 12 geführt wird;
- • Der Wärmespeicher 12 gibt Wärmeenergie an das Wärmeübertragungsmedium ab.
-
In einer Variante kann der HV-Heizer 13 zusätzlich Wärme an den Heizkreislauf 11 abgeben, um die Heizleistung bzw. die an den Luftstrom 16 übertragene Wärmemenge zu erhöhen.
- c) Konventionelles Heizen ohne Nutzung des Wärmespeichers 12 (bei einer Ausführungsform wie in 2):
- • Die Luftklappe 15 wird so geschaltet, dass ein Luftstrom 16 über den Heizungswärmetauscher 14 geführt wird und somit Wärme aus dem Heizkreislauf 11 entnommen und dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird;
- • Die Pumpe 17 fördert Wärmeübertragungsmedium durch den Heizkreislauf 11;
- • Der HV-Heizer 13 gibt Wärme an den Heizkreislauf 11 ab;
- • Das Mehrwegeventil 18 ist so eingestellt, dass ein Strom des Wärmeübertragungsmediums durch die Umgehungsleitung 19 an dem Wärmespeicher 12 vorbei geführt wird (Bypass).
-
Dieser Betriebsmodus kann beispielsweise bei entladenem Wärmespeicher 12 eingesetzt werden, um zu verhindern, dass die zur Erwärmung des Luftstroms 16 zur Verfügung stehende Heizleistung des HV-Heizers 13 durch Wärmeabsorption im Wärmespeicher 12 verringert wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Wärmemanagementsystem
- 11
- Kühlmittelkreislauf
- 12
- Wärmespeicher
- 13
- HV-Heizer
- 14
- Heizungs-Wärmetauscher (HWT)
- 15
- Luftklappe
- 16
- Luftstrom
- 17
- Kühlmittelpumpe
- 18
- Mehrwegeventil
- 19
- Bypass
-
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
-
- DE 102013107251 A1 [0003]
- DE 102013100396 A1 [0004]
- DE 102015111235 A1 [0005]
- DE 102013205921 A1 [0007]
- DE 102014224890 A1 [0008]
- DE 102014101044 A1 [0009]
