-
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.
-
Thermische Speicher werden bisher meist als isolierte Systeme für dedizierte Aufgaben betrachtet und nicht in ein Gesamtkonzept integriert. Meist wird nur ein Speichermaterial verwendet, woraus sich der Nachteil ergibt, dass thermische Energie nur bei einem vorher ausgewählten Temperaturniveau effizient gespeichert werden kann.
-
Aus der
DE 10 2015 111 235 A1 gehen eine Wärmespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmespeichervorrichtung hervor. Die Wärmespeichervorrichtung wird in einem Fahrzeug genutzt und umfasst zwei verschachtelte Wärmespeicher mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, zwischen denen ein Wärmeübertragungsraum angeordnet ist, über den geregelt Wärme zwischen den Wärmespeichern übertragen werden kann.
-
Aus der
DE 10 2008 000 392 A1 ist eine Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie zwischen wärmetechnischen Betriebsmitteln mit abgestuften Temperaturniveaus in einem Gebäude und ein Verfahren zur Steuerung einer solche Anlage bekannt. Die Anlage wird genutzt, um aus mehreren als Kaskade angeordneten Wärmespeichern mit unterschiedlichen Temperaturniveaus Wärme für angeschlossene Wärmeenergieverbraucher zu gewinnen oder von angeschlossenen Wärmequellen erzeugte Wärme zu speichern.
-
Die
DE 102 13 339 A1 offenbart eine Wärmepumpe zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen. Ein Kältemittelkreislauf umfasst drei Wärmetauscher, von denen einer als Verflüssiger, einer als Verdampfer und der dritte, der zwischen den beiden anderen angeordnet ist, abwechselnd als Verflüssiger und als Verdampfer arbeitet.
-
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, in dem Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus effizient gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpinkt zu Heizzwecken genutzt werden kann. Außerdem sollen Verfahren zum Betrieb des Systems zur Verfügung gestellt werden, die unter verschiedenen Umweltbedingungen und bei unterschiedlichen Betriebsarten des Fahrzeugs eine effektive Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragungsmediums über einen ausgedehnten Temperaturbereich ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmemanagementsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
-
Erfindungsgemäß wird ein aus mehreren getrennten, parallelgeschalteten Wärmespeichern bestehender thermischer Speicher als ein System in einen Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs integriert und dadurch in das Gesamt-Wärmemanagement des Fahrzeugs eingebunden. In diesem thermischen Speicher kann Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gespeichert werden. Dadurch ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in Kombination mit einer Wärmepumpe.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße System umfasst einen Kreislauf für ein Wärmeübertragungsmedium (Kühlmittelkreislauf). Der Kreislauf umfasst mindestens eine Wärmequelle und mindestens zwei getrennte Wärmespeicher, die parallelgeschaltet sind, wobei jeder der Wärmespeicher dafür eingerichtet ist, bei einer anderen Temperatur als die anderen Wärmespeicher Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Erfindungsgemäß ist eine rein parallele Durchströmung der Wärmespeicher vorgesehen, es erfolgt keine serielle Durchströmung mehrerer Wärmespeicher.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Kreislauf mehr als zwei Wärmespeicher, beispielsweise drei, vier oder fünf Wärmespeicher.
-
Allgemein gesprochen umfasst der Kreislauf n Wärmespeicher, wobei n eine ganze positive Zahl größer 1 ist.
-
Die Wärmespeicher sind dafür eingerichtet, Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu speichern bzw. abzugeben. In einer Ausführungsform ist mindestens einer der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher. In einer weiteren Ausführungsform sind alle Wärmespeicher Latentwärmespeicher. In einer Ausführungsform umfasst jeder der Wärmespeicher ein anderes Speichermaterial als die übrigen Wärmespeicher.
-
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 gezielte Auswahl geeigneter Materialien mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen für die einzelnen Wärmespeicher lässt sich ein Speichersystem erhalten, bei dem Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden kann.
-
Die einzelnen Wärmespeicher des Systems sind voneinander getrennt. In einer speziellen Ausführungsform stehen einzelne Wärmespeicher jedoch durch innere Wärmeströme in Verbindung miteinander.
-
In einer Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist mindestens einer der Wärmespeicher über einen internen Heizer, z. B. einen Hochspannungsheizer (HV-Heizer) beheizbar. In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer der Wärmespeicher über eine Hochtemperatur-Wärmequelle des Fahrzeugs beheizbar.
-
Durch mehrere voneinander getrennte Speicher, die unterschiedliche Speichermaterialien enthalten, ist es möglich, in Abhängigkeit der verschiedenen Temperaturniveaus von Komponenten, Kühlmittel und gegebenenfalls externem Wärmeeintrag (z. B. durch einen integrierten Heizer) Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu speichern.
-
In einer Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist im Kreislauf den mindestens zwei parallel geschalteten Wärmespeichern ein Verteilerventil vorgeschaltet, das dafür eingerichtet ist, einen Strom des Wärmeübertragungsmediums durch mindestens einen der Wärmespeicher zu leiten. In einer weiteren Ausführungsform ist das Verteilerventil auch dafür eingerichtet, einen Strom des Wärmeübertragungsmediums gegebenenfalls um die Wärmespeicher herum zu leiten. Bei n parallel geschalteten Wärmespeichern weist das Verteilerventil dann einen Eingang und (n+1) Ausgänge auf. Einer der Ausgänge ist an eine Umgehungsleitung (Bypass) angeschlossen, die den Wärmespeichern parallelgeschaltet ist.
-
In einer Ausführungsform ist das Verteilerventil dazu eingerichtet, das durch den Eingang einströmende Wärmeübertragungsmedium nur durch jeweils einen der Ausgänge zu leiten. In einer anderen Ausführungsform ist das Verteilerventil dazu eingerichtet, das durch den Eingang einströmende Wärmeübertragungsmedium auf mehrere Ausgänge zu verteilen.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist im Kreislauf den mindestens zwei parallel geschalteten Wärmespeichern ein Mischventil nachgeschaltet, das dafür eingerichtet ist, einen Strom des Wärmeübertragungsmediums aus mindestens einem der Wärmespeicher oder gegebenenfalls einer Umgehungsleitung in den Kreislauf zu leiten. Über das Mischventil lässt sich die Entladung der Wärmespeicher steuern. In einer Ausführungsform ist das Mischventil dazu eingerichtet, nur durch jeweils einen der Eingänge einströmendes Wärmeübertragungsmedium in den Kreislauf zu leiten. In einer anderen Ausführungsform ist das Mischventil dafür eingerichtet, auch durch mehrere Eingänge gleichzeitig einströmendes Wärmeübertragungsmedium in den Kreislauf zu leiten. Dadurch lässt sich das Temperaturniveau im Kühlmittelkreislauf auch auf einen Wert regulieren, der zwischen den Temperaturniveaus der einzelnen Wärmespeicher liegt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist an den Kreislauf ein Außenluft-Kühler bzw. ein NT-Kühler angeschlossen. Über den Außenluft-Kühler lässt sich überschüssige Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf an die Umgebung abführen. In einer Ausführungsform lässt sich der Fluss eines Wärmeübertragungsmediums zwischen Kühlmittelkreislauf und Außenluft-Kühler regulieren und gegebenenfalls ganz unterbrechen. Dadurch lässt sich flexibel einstellen, ob und wieviel Wärme über den Kühler an die Umgebung abgeführt wird. Die Regulierung kann z. B. über ein Mehrwegeventil erfolgen.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmemanagementsystems ist im Kreislauf ein Verdampfer („Chiller“) angeordnet, der in Verbindung mit einem Kondensator einer Wärmepumpe steht. Dadurch wird der Kreislauf thermisch an die Wärmepumpe angebunden. Die über den Chiller aufgenommene Wärme kann über den mit dem Chiller verbundenen Kondensator der Wärmepumpe auf einem höheren Temperaturniveau nutzbar gemacht und z. B. zum Heizen des Innenraums des Fahrzeugs oder zum Vorheizen von Fahrzeugkomponenten, wie Verbrennungsmotor, Abgassystem, HV-Batterien oder Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
-
Insbesondere in Kombination mit einer Wärmepumpe ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten für das erfindungsgemäße System. Durch mehrere getrennte thermische Speicher (in Form eines Speicher-Systems) kann Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gespeichert werden. Zudem ist es möglich, Wärme aus dem Kreislauf direkt dem SpeicherSystem zuzuführen oder typischen Wärmeverbrauchern des Kreislaufes, z. B. einem Verdampfer einer Wärmepumpe zur Fahrzeugheizung oder einem NT-Kühler zur Zusatzkühlung.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des Wärmemanagementsystems. Bei dem Verfahren wird ein Strom eines Wärmeübertragungsmediums durch mindestens eine Wärmequelle und anschließend wahlweise durch einen oder mehrere Wärmespeicher mindestens zweier parallel geschalteter Wärmespeicher oder durch eine Umgehungsleitung um die mindestens zwei parallel geschalteten Wärmespeicher herum und/oder durch mindestens einen Wärmeverbraucher geleitet. In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Wärmeverbraucher einen Außenluft-Kühler (NT-Kühler). In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Wärmeverbraucher einen Verdampfer, insbesondere einen Verdampfer einer Wärmepumpe.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die von mindestens einer Wärmequelle abgegebene Wärme flexibel nutzen. Sie kann je nach Bedarf einem Verbraucher zugeführt werden, um beispielsweise an die Umgebung abgeführt oder zu Heizzwecken genutzt zu werden, oder in einem Wärmespeicher für eine spätere Verwendung zwischengespeichert werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Speichersystems liegt darin, dass Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gespeichert und abgegeben werden kann, was ihre Nutzungsmöglichkeiten erheblich erweitert.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
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 einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems.
-
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 10. Im Kühlmittelkreislauf 11 (NT-Kühlkreislauf) sind n parallel geschaltete Wärmespeicher angeordnet, von denen in der Figur nur der erste Wärmespeicher 12, der zweite Wärmespeicher 13 und der n-te Wärmespeicher 14 dargestellt sind. Eine Umgehungsleitung 16 ist den Wärmespeichern 12, 13, 14 parallelgeschaltet und ermöglicht es, das im Kreislauf 11 zirkulierende Wärmeübertragungsmedium (Kühlmittel) an den Wärmespeichern 12, 13, 14 vorbei zu leiten bzw. um sie herum zu führen. Stromaufwärts der Wärmespeicher 12, 13, 14 und der Umgehungsleitung 16 ist ein Verteilerventil 15 angeordnet, mit dem sich der Strom des Kühlmittels wahlweise durch einen oder mehrere der Wärmespeicher 12, 13, 14 oder die Umgehungsleitung 16 leiten lässt.
-
Der Kühlmittelkreislauf 11 umfasst weiterhin mindestens eine Wärmequelle 21 und eine Kühlmittelpumpe 22, die das Kühlmittel durch den Kreislauf 11 fördert. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Außenluft-Kühler 17 (NT-Kühler) über ein Dreiwegeventil 23 an den Kühlmittelkreislauf 11 angeschlossen. Weiterhin ist im Kühlmittelkreislauf ein Verdampfer 18 („Chiller“) angeordnet, der in Verbindung mit einem Kondensator 19 steht. Verdampfer 18 und Kondensator 19 sind Bestandteile einer Wärmepumpe 20 mit einem separaten Kühlmittelkreislauf.
-
Mit dem Wärmemanagementsystem 10 lassen sich folgende Funktionen realisieren:
- 1. Mit dem Dreiwegeventil 23 kann der Kühlmittelstrom an dem NT-Kühler 17 vorbei geleitet und durch entsprechende Einstellung des Verteilerventils 15 einem oder mehreren Wärmespeichern 12, 13, 14 (thermischen Speichern, TES) zugeführt werden. Dadurch kann anfallende Abwärme der Wärmequellen 21 des Kühlkreises 11 in den Wärmespeichern 12, 13, 14 gespeichert anstatt über den NT-Kühler 17 an die Umgebung abgegeben werden. Die Steuerung des Verteilerventils 15 kann entsprechend der vorherrschenden Kühlmitteltemperaturen in Abhängigkeit der aktuellen Speichertemperaturen und der Materialwahl erfolgen. In einer Ausführungsform nimmt mindestens einer der Wärmespeicher 12, 13, 14, gegebenenfalls zusätzlich, über einen internen Heizer (nicht dargestellt) oder Hochtemperatur-Wärmequellen (nicht dargestellt) erzeugte Wärme auf. Können die Wärmespeicher 12, 13, 14 weitere Abwärme nicht mehr aufnehmen, kann sie durch entsprechende Umstellen des Dreiwegeventils wieder über den Außenluft-Kühler 17 aus dem Kühlmittelkreislauf 11 abgeführt werden.
- 2. Zur Entladung der Wärmespeicher 12, 13, 14 kann mit Hilfe des Verteilerventils 15 einer der Wärmespeicher 12, 13, 14 gezielt durchströmt werden und so Wärme an das Kühlmittel abgeben. Das erwärmte Kühlmittel kann dann Wärme an thermische Komponenten (Wärmeverbraucher) des Kühlmittelkreislaufs 11 abgeben. Insbesondere kann Wärme über einen Chiller 18 aufgenommen werden und mit einer Wärmepumpe 20 auf einem höheren Temperaturniveau nutzbar gemacht werden (z. B. zum Heizen des Fahrgast-Innenraums). Die Einstellung des Verteilerventils 15 erfolgt in Abhängigkeit des thermischen Zustands der einzelnen Wärmespeicher 12, 13, 14.
- 3. In einer Einstellung des Verteilerventils 15 wird der Kühlmittelstrom an den Wärmespeichern 12, 13, 14 vorbeigeführt. Dadurch ist es möglich, auch bei entladenen Wärmespeichern 12, 13, 14 Wärme aus den Wärmequellen 21 des NT-Kühlkreislaufs 11 am Chiller 18 aufzunehmen und so einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe 20 zu ermöglichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Wärmemanagementsystem
- 11
- Kühlmittelkreislauf
- 12
- Wärmespeicher 1
- 13
- Wärmespeicher 2
- 14
- Wärmespeicher n
- 15
- Verteilerventil mit (n+1) Ausgängen
- 16
- Bypass
- 17
- Außenluft-Kühler (NT-Kühler)
- 18
- Verdampfer (Chiller)
- 19
- Kondensator
- 20
- Wärmepumpe
- 21
- Wärmequelle
- 22
- Kühlmittelpumpe
- 23
- Dreiwegeventil
-
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 [0006]
- DE 102008000392 A1 [0007]
- DE 10213339 A1 [0008]
