DE102019110432A1

DE102019110432A1 - System und verfahren zum beheizen einer fahrgastkabine mit einer kombination aus abwärme von leistungselektronik und einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE102019110432A1
Application number: DE102019110432.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zenner; Daniel Benjamin Kok; Serdar Hakki Yonak; Kenneth J. Jackson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2019-10-31
Also published as: CN110395089A; US20190329628A1; US11059351B2

Abstract

Die Offenbarung stellt ein System und ein Verfahren zum Beheizen einer Fahrgastkabine mit einer Kombination aus Abwärme von Leistungselektronik und einer elektrischen Maschine bereit. Ein Fahrzeug beinhaltet ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch eine elektrische Maschine und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Kühlmittelsystem weist eine Leitung auf, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Klimatisierungssystem ist angeordnet, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von der elektrischen Maschine und dem Wechselrichter zu beheizen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft hybridelektrische und vollelektrische Fahrzeuge, die ein Klimatisierungssystem aufweisen, das zum Beheizen einer Fahrgastkabine unter Verwendung von Wärme, die durch mindestens einen Wechselrichter und eine elektrische Maschine erzeugt wird, angeordnet ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Herkömmliche Fahrzeuge, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, beheizen eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs üblicherweise mit Abwärme, die durch den Motor erzeugt wird. Durch den Motor erwärmtes Kühlmittel wird zu einem Heizkern zirkuliert, der in einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungseinheit (HLK) angeordnet ist. Die HLK-Einheit beinhaltet ein Gebläse, das einen Luftstrom durch den Heizkern und in die Fahrgastkabine zirkulieren lässt, um Wärme bereitzustellen.
Um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Umweltbelastung zu verringern, wurden Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge entwickelt, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Umweltverschmutzung zu reduzieren. Diese Fahrzeuge erzeugen möglicherweise keine oder zu wenig Motorabwärme, um die Anforderungen an die Kabinenheizung zu erfüllen. Folglich sind andere Wärmequellen erforderlich, um die Kabine ausreichend zu beheizen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch eine elektrische Maschine und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Kühlmittelsystem weist eine Leitung auf, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Klimatisierungssystem ist angeordnet, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von der elektrischen Maschine und dem Wechselrichter zu beheizen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Beheizen einer Fahrgastkabine mit Abwärme Betreiben eines Wechselrichters und einer elektrischen Maschine zum Erzeugen von Wärme und Zirkulieren von Kühlmittel durch den Wechselrichter, um Wärme vom Wechselrichter auf das Kühlmittel zu übertragen. Das Verfahren beinhaltet ferner Erhöhen einer Temperatur des Kühlmittels mit Wärme, die durch die elektrische Maschine erzeugt wird, Zirkulieren des Kühlmittels zu dem Heizkern und Erwärmen eines Luftstroms für eine Fahrgastkabine durch Zirkulieren des Luftstroms durch den Heizkern.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch ein Getriebe und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Kühlmittelsystem ist angeordnet, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Ein Klimatisierungssystem ist angeordnet, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von dem Getriebe und dem Wechselrichter zu beheizen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs.
2 ist eine schematische Darstellung eines Wärmemanagementsystems mit einem Kühlmittelsystem und einem Ölkühlsystem, die zusammenwirken, um eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs zu beheizen.
3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Wärmemanagementsystems mit einem Kühlmittelsystem und einem Ölkühlsystem, die zusammenarbeiten, um eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs zu beheizen.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Beheizen einer Fahrgastkabine mit Abwärme zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um die Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage der Lehre für den Fachmann, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen. Wie der Durchschnittsfachmann versteht, können verschiedene mit Bezug auf irgendeine der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 zeigt ein batterieelektrisches Fahrzeug (battery-electric vehicle - BEV) 12, aber diese Offenbarung ist nicht auf ein BEV beschränkt, und das Fahrzeug 12 kann in anderen Ausführungsformen ein Hybrid sein. Das Fahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 beinhalten, die mechanisch an ein Getriebe 16 gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 14 in dem Getriebe 16 untergebracht sein. Das Getriebe 16 beinhaltet einen Getriebekasten 17, beispielsweise ein Ein-Gang-Getriebe oder ein Mehrgang-Getriebe. Die elektrische Maschine 14 kann als Motor oder Generator betrieben werden. Das Getriebe 16 kann ein Differential 18 beinhalten, das über Achswellen 20 Kraft zwischen den angetriebenen Rädern 22 liefert. In einer oder mehreren Ausführungsformen sind das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 als elektronische Achse gepackt.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die durch die elektrische Maschine 14 verwendet werden kann. Die Antriebsbatterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Direktstrom(DC)-Ausgabe bereit. Die Antriebsbatterie 24 ist elektrisch an Leistungselektronik, wie etwa einem Wechselrichter 26, gekoppelt. Ein oder mehrere Schütze 42 können die Antriebsbatterie 24 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Antriebsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Ein Wechselrichter 26 ist elektrisch an die elektrische Maschine 14 gekoppelt und bietet die Möglichkeit, Energie bidirektional zwischen der Antriebsbatterie 24 und der elektrischen Maschine 14 zu übertragen. Beispielsweise kann eine Antriebsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrische Maschine 14 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden kann. Der Wechselrichter 26 kann den Gleichstrom in einen Dreiphasenwechselstrom umwandeln, um die elektrische Maschine 14 zu betreiben. In einem regenerativen Modus fungiert der Wechselrichter 26 als Gleichrichter, um den Dreiphasenwechselstrom von der als Generator fungierenden elektrischen Maschine 14 in einen mit der Antriebsbatterie 24 kompatiblen Gleichstrom umzuwandeln.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Vortriebsenergie kann die Antriebsbatterie 24 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein Fahrzeug 12 kann einen DC/DC-Wandler 28 beinhalten, der die Hochspannungsgleichstromausgabe der Antriebsbatterie 24 in eine Niederspannungsgleichstromzufuhr umwandelt, die mit Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 28 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 30 (z. B. 12-Volt-Batterie) gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Hilfsbatterie gekoppelt sein. Andere Hochspannungsverbraucher 46, wie etwa ein Verdichter, können an den Hochspannungsausgang der Antriebsbatterie 24 gekoppelt sein.
Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 46 können an den Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 46 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 46 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Verbraucher 46 können ein Heizungssystem oder ein Klimaanlagensystem sein.
Elektronische Systeme im Fahrzeug 12 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk gemäß der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 30 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Beispielsweise können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Kabelverbindungen übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, aber das Fahrzeugnetzwerk kann sich mit jedem beliebigen elektronischen Modul verbinden, das in dem Fahrzeug 12 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Der Wechselrichter 26, der DC/DC-Wandler 28, das Getriebe 16, die elektrische Maschine 14 und andere Komponenten erzeugen während des Betriebs des elektrischen Antriebsstrangs Wärme. Diese Wärmeerzeugung kann auftreten, wenn das Fahrzeug die elektrische Maschine 14 zum Antreiben des Fahrzeugs nutzt und wenn die Batterie entweder durch regeneratives Bremsen oder durch einen Ladeanschluss, falls vorhanden, geladen wird. Die wärmeerzeugenden Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie etwa der Wechselrichter 26, der DC/DC-Wandler 28 und die elektrische Maschine 14, können ein oder mehrere Wärmemanagementsysteme erfordern, um die Komponenten innerhalb eines gewünschten Temperaturfensters zu halten. Typischerweise wird die von den Komponenten erzeugte Abwärme an die Außenluft abgegeben und nicht zum Beheizen der Fahrgastkabine genutzt. Diese Offenbarung stellt Klimatisierungssysteme bereit, die angeordnet sind, um Abwärme von einem oder mehreren von dem Wechselrichter 26, dem DC/DC-Wandler 28, dem Getriebe 16 und der elektrischen Maschine 14 zu nutzen, um eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs 12 zu beheizen.
Das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 können durch ein Ölkühlsystem gekoppelt sein, das Öl, z. B. Getriebefluid, durch das Getriebe 16, das Differential 18 und die elektrische Maschine 14 zirkulieren lässt. Das Ölkühlsystem kann mit der Leistungselektronik, z. B. dem Wechselrichter 26 und dem DC/DC-Wandler 28, in thermischer Verbindung stehen, sodass Abwärme von zumindest dem Getriebe 16, dem Differential 18 und der elektrischen Maschine 14 verwendet werden kann, um die Fahrgastkabine beheizen.
Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor, der ausreichend Wärme erzeugt, um die Kabine zu beheizen, erzeugen die Leistungselektronik, das Getriebe und die elektrische Maschine möglicherweise nicht genug Abwärme, um die Kabine ohne die Hilfe einer Zusatzheizung zu wärmen. Die Zusatzheizung kann die Temperatur des Arbeitsfluids, z. B. flüssiges Kühlmittel, das durch den Heizkern zirkuliert, erhöhen, sodass die Kabine vollständig beheizt werden kann, oder kann die Temperatur eines Luftstroms in der HLK-Einheit erhöhen.
Die 2 und 3 offenbaren beispielhafte Ausführungsformen von Wärmemanagementsystemen, die die Fahrgastkabine unter Verwendung von Abwärme von zumindest der Leistungselektronik und dem Antriebsstrang heizen.
Bezugnehmend auf 2 beinhaltet ein Wärmemanagementsystem 50 ein Kühlmittelsystem 52, ein Ölkühlsystem 54 und ein Klimatisierungssystem 56. Das Kühlmittelsystem 52 und das Ölkühlsystem 54 stehen über einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher 64 in thermischer Verbindung. Das Kühlmittelsystem 52 ist dazu konfiguriert, die Leistungselektronik 51, einschließlich des Wechselrichters 26 und/oder des DC/DC-Wandlers 28, thermisch zu regulieren und dem Klimatisierungssystem 56 Abwärme bereitzustellen, indem Kühlmittel zu einer HLK-Einheit 72 zirkuliert. Im hierin verwendeten Sinne bezieht sich „Kühlmittel“ auf ein flüssiges Kühlmittel, wie etwa Ethylenglykol, eine andere Art von Frostschutzmittel oder eine andere geeignete Flüssigkeit. Das Kühlmittelsystem 52 beinhaltet einen Hauptkreislauf 58, einen Kühlerkreislauf 60 und ein Ventil 66 zum Steuern des Fluidstroms zwischen den Kreisläufen 58, 60. Das Kühlmittelsystem 52 wird durch eine Pumpe 62 angetrieben, die Kühlmittel durch eine Leitung und die Komponenten des Systems zirkulieren lässt. In der veranschaulichten Ausführungsform strömt Kühlmittel von der Pumpe 62 über eine Leitung 74 zur Leistungselektronik 51. Das Kühlmittel absorbiert Abwärme von der Leistungselektronik 51, wenn es durch diese zirkuliert. Die Leistungselektronik 51 ist durch eine Leitung 76 mit dem Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher 64 verbunden. Der Wärmetauscher 64 ist durch eine Leitung 78 mit einem Einlass 90 des Ventils 66 verbunden, und ein Auslass 92 des Ventils 66 ist durch eine Leitung 80 mit dem Heizkern 68 verbunden. Der Heizkern 68 ist durch eine Leitung 82 zurück zur Pumpe 62 verbunden. Der Kühlerkreislauf 60 zirkuliert Kühlmittel von einem zweiten Auslass 94 des Ventils über eine Leitung 84 zu einem Kühler 70 und umgeht die HLK-Einheit 72. Der Kühler 70 ist durch eine Leitung 86 mit der Leitung 82 verbunden.
Das Ventil 66 ist zwischen einer Vielzahl von Positionen betätigbar, um Kühlmittel zwischen dem Auslass 92 und dem Auslass 94 zu dosieren. Das Ventil 66 beinhaltet mindestens eine erste Position, in der 100 % des Kühlmittels zu dem Auslass 92 zirkuliert, eine zweite Position, in der 100 % des Kühlmittels zu dem Auslass 94 zirkuliert, und eine oder mehrere Zwischenpositionen, in denen ein Anteil des Kühlmittels sowohl zum Auslass 92 als auch zum Auslass 94 geleitet wird. Das Ventil 66 kann ein elektronisch gesteuertes Ventil sein, das mit einer Steuerung 48 in elektronischer Kommunikation steht. Die Steuerung 48 kann Programmierung zum Betätigen des Ventils 66 auf Grundlage von Betriebsbedingungen des Wärmemanagementsystems 50 beinhalten. In einer alternativen Ausführungsform kann das Dreiwegeventil 66 durch ein Paar Ventile ersetzt werden, die im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Dosierventil Ein-Aus-Ventile sein können.
Die Steuerung 48 kann ein fahrzeugbasiertes Rechensystem sein, das eine oder mehrere Steuerungen beinhaltet, die über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über dedizierte elektrische Leitungen kommunizieren. Die Steuerung beinhaltet im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zusammenzuwirken, um eine Reihe von Vorgängen auszuführen. Die Steuerung beinhaltet zudem vorbestimmte Daten oder „Lookup-Tabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und in dem Speicher gespeichert sind. Die Steuerung kann über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z. B. CAN und LIN) mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen kommunizieren. Im hierin verwendeten Sinne bezieht sich ein Verweis auf „eine Steuerung“ auf eine oder mehrere Steuerungen.
Das Ölkühlsystem 54 ist dazu konfiguriert, die elektrische Maschine 14 und das Getriebe 16 thermisch zu verwalten und Abwärme zum Kühlmittelsystem 52 zirkulieren zu lassen, sodass die Fahrgastkabine 102 mit durch das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 erzeugter Abwärme beheizt werden kann und das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 durch das Kühlmittelsystem 52 geheizt werden können. Das Getriebe 16 beinhaltet eine Leitung und/oder Durchgänge 100, die dazu konfiguriert sind, Öl durch die elektrische Maschine 14, den Getriebekasten 17 und/oder das Differential 18 zirkulieren zu lassen. Die Leitung und/oder die Durchgänge 100 sind auch dazu konfiguriert, Öl durch den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher 64 zirkulieren zu lassen. Der Wärmetauscher 64 ist ausgelegt, um Wärme zwischen dem Öl und dem Kühlmittel zu übertragen, ohne die Fluide zu mischen. Das Öl wird durch eine Pumpe 96, die sich innerhalb des Getriebes befindet und angeordnet ist, um Öl aus einer Getriebewanne 98 zu entnehmen, zirkuliert. Das Ölkühlsystem 54 kann ein Ventil 102 stromaufwärts des Wärmetauschers 64 und einen Umgehungskreislauf 103 beinhalten. Das Ventil 102 kann elektronisch durch die Steuerung 48 gesteuert werden. Das Ventil 102 kann betätigt werden, um Öl zu dem Umgehungskreislauf 103 zu zirkulieren, zumindest wenn das Öl kälter als das Kühlmittel ist, sodass das Ölkühlsystem 54 keine Wärme vom Kühlmittelsystem 54 absorbiert, wenn die Kabinenheizung angefordert wird.
Das Klimatisierungssystem 56 ist für das Beheizen und/oder Kühlen der Fahrgastkabine 102 des Fahrzeugs verantwortlich. Die HLK-Einheit 72 befindet sich typischerweise unter einem Armaturenbrett des Fahrzeugs. Die HLK-Einheit 72 beinhaltet ein Gehäuse 104, das einen Innenraum 106 definiert. Der Heizkern 68 ist innerhalb des Innenraums 106 angeordnet und ist dazu konfiguriert, einen Frischluftstrom von einem Frischlufteinlass 110 zu empfangen. Ein Gebläse 108 ist stromaufwärts des Heizkerns 68 angeordnet und zirkuliert Luft durch die HLK-Einheit 72. Die HLK-Einheit 72 beinhaltet mindestens eine Kabinenbelüftung 112, die Luft in die Fahrgastkabine 102 liefert. Die HLK-Einheit 72 kann zudem Klimatisierungskomponenten, wie etwa einen Verdampfer (nicht gezeigt) und eine Mischklappe (nicht gezeigt), zum Steuern der Temperatur des Luftstroms beinhalten. Die HLK-Einheit 72 kann einen Temperatursensor 114 beinhalten, der sich im Innenraum 106 befindet, um die Temperatur des aus dem Heizkern 68 austretenden Luftstroms zu erfassen. Der Sensor 114 kann mit der Steuerung 48 in elektronischer Kommunikation stehen und dazu konfiguriert sein, ein Signal an die Steuerung 48 auszugeben, das die Luftstromtemperatur angibt.
In einigen Ausführungsformen kann die durch die Leistungselektronik 51, das Getriebe 16 und die elektrischen Maschine 14 erzeugte Abwärme unzureichend sein, um die Kabine bei allen Betriebsbedingungen vollständig zu beheizen. Das Wärmemanagementsystem 50 kann eine optionale Heizeinrichtung 120 zum Erhöhen einer Temperatur des Kühlmittels beinhalten. Die Heizeinrichtung 120 kann an einer Leitung 76 stromaufwärts des Wärmetauschers 64 angeordnet sein oder kann sich zwischen dem Heizkern 68 und dem Wärmetauscher 64 befinden. Wenn sich die Heizeinrichtung 120 stromaufwärts des Wärmetauschers 64 befindet, dann kann die Heizeinrichtung 120 verwendet werden, um das Öl zu erwärmen, um Reibungsverluste in dem Getriebe 16 zu reduzieren.
Die Heizeinrichtung 120 kann eine elektrische Widerstandsheizung sein, wie beispielsweise eine Heizung mit positivem Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient - PTC). Die Heizeinrichtung 120 kann durch die Antriebsbatterie 24 oder durch eine Niederspannungshilfsbatterie, wie eine 12- oder 24-V-Batterie, mit Strom versorgt werden. Viele Elektrofahrzeuge nutzen eine PTC-Heizung als einzige Wärmequelle für die Fahrgastkabine. Diese PTC-Heizungen erfordern typischerweise hohe Spannungen und werden durch den Hochspannungsbus mit Strom versorgt und nicht mit einer Niederspannungsquelle, z. B. der 12 V-Hilfsbatterie. Die Hochspannungs-PTC-Heizungen erfordern typischerweise eine große Menge an Strom, was die Reichweite des Fahrzeugs verringert. In dieser Offenbarung ist die Heizeinrichtung 120 jedoch lediglich eine Zusatzheizung. Daher kann bei einigen Anwendungen eine Niederspannungsheizeinrichtung genutzt werden, um die elektrische Reichweite zu vergrößern. In anderen kann die Heizeinrichtung 120 durch den Hochspannungsbus mit Strom versorgt werden. Andere Arten von Heizeinrichtungen können ebenfalls verwendet werden.
Das Ausmaß der Wärmeerhöhung ist von Kabinenheizungsanforderungen und der Ausgestaltung des Heizkerns 68 abhängig. In einer Ausführungsform ist der Heizkern 68 so ausgestaltet, dass er ein Kühlmittel mit 90° C aufnimmt, um viel Wärme bereitzustellen. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen erwärmen die Leistungselektronik 51, das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 das Kühlmittel möglicherweise nur auf 70° C, wobei in diesem Fall die Heizeinrichtung 120 betrieben wird, um die Kühlmitteltemperatur um 20° C zu erhöhen. Diese Temperaturen dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht einschränkend. Das Kühlmittelsystem 52 kann einen Temperatursensor 122 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des durch ihn zirkulierenden Kühlmittels zu erfassen und ein Signal, das die Kühlmitteltemperatur angibt, an die Steuerung 48 auszugeben. Die Steuerung 48 kann die Heizeinrichtung 120 auf Grundlage von Signalen von dem Temperatursensor 122 betreiben.
Das Wärmemanagementsystem 50 kann in einer Vielzahl von Modi betrieben werden, wie etwa einem Kabinenheizmodus und einem Kabinenabschaltmodus. Während dieser Modi können die Leistungselektronik 51, das Getriebe 16 und die elektrische Maschine 14 durch den Kühler 70 (Kabinenabschaltmodus), den Heizkern 68 (Kabinenheizmodus) oder eine Kombination aus beiden gekühlt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Ventil 66 im Kabinenheizmodus in die erste Position betätigt, sodass das Kühlmittel zu dem Heizkern 68 zirkuliert. Die Pumpen 62 und 96 werden eingeschaltet, sodass Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten zu den Arbeitsfluiden übertragen wird, um gleichzeitig die Komponenten zu kühlen, während die Arbeitsfluide erwärmt werden. Das Ventil 102 wird betätigt, um Öl zum Wärmetauscher 64 zu zirkulieren, wenn die Öltemperatur die Kühlmitteltemperatur überschreitet. Anderenfalls wird Öl zum Umgehungskreislauf 103 zirkuliert. Das Gebläse 108 wird eingeschaltet, um einen Luftstrom durch den Heizkern 68 zu ziehen, um den der Kabine 102 zugeführten Luftstrom zu erwärmen. Die Heizeinrichtung 120 kann bei Bedarf auf Grundlage von Signalen von den Temperatursensoren 114, 122 eingeschaltet werden. Das Kühlmittelsystem 52 kann einen Temperatursensor 124 beinhalten, der die Temperatur des Kühlmittels, das in die Leistungselektronik 51 eintritt, erfasst. Die Steuerung 48 steht in elektronischer Kommunikation mit dem Temperatursensor 124 und überwacht den Temperatursensor 124, um sicherzustellen, dass das Kühlmittel unter einer Schwellentemperatur liegt. Wenn das Kühlmittel die Schwellentemperatur überschreitet, kann das Ventil 66 betätigt werden, um einen Anteil des Kühlmittels zum Kühler 70 zu leiten. Dies kann auftreten, wenn die HLK-Einheit 72 auf kleiner Einstellung arbeitet.
Im Kabinenabschaltmodus wird das Ventil 66 in die zweite Position betätigt, um die Leistungselektronik 51, die elektrische Maschine 14 und das Getriebe 16 mit dem Kühler 70 zu kühlen. Wenn sich das Ventil 66 in der zweiten Position befindet, wird Kühlmittel zu dem Kühlerkreislauf 60 zirkuliert, um den Heizkern 68 zu umgehen. Das Ventil 102 wird betätigt, um Öl zum Wärmetauscher 64 zu zirkulieren, wenn die Öltemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet oder wenn das Kühlmittel wärmer als das Öl ist. Öl kann zum Umgehungskreislauf 103 zirkulieren, wenn das Kühlmittel kälter als das Öl ist.
Bezugnehmend auf 3 ist ein Wärmemanagementsystem 150 gemäß einer alternativen Ausführungsform veranschaulicht. Das Wärmemanagementsystem 150 ist dem oben beschriebenen Wärmemanagementsystem 50 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Heizeinrichtung von dem Kühlmittelkreislauf zur HLK-Einheit 152 bewegt wurde. Die HLK-Einheit 152 beinhaltet ein Gehäuse 154, das einen Innenraum 156 definiert. Ein Heizkern 158 ist innerhalb des Innenraums 156 angeordnet und steht mit dem Kühlmittelsystem 160 in Fluidverbindung. Die Heizeinrichtung 162 ist im Innenraum 156 stromabwärts des Heizkerns 158 angeordnet und ist dazu konfiguriert, einen hindurch zirkulierenden Luftstrom zu erwärmen. Ein Gebläse 164 lässt einen Luftstrom über den Heizkern 158 und die Heizeinrichtung 162 zirkulieren, um den Luftstrom zu erwärmen, bevor er in die Fahrgastkabine zugeführt wird. Die Heizeinrichtung 162 erhöht eine Temperatur dieses Luftstroms nach dem Strömen durch den Heizkern 158, falls erforderlich. Die Heizeinrichtung 162 kann elektronisch durch eine Steuerung 170 gesteuert werden und wird durch die Steuerung 170 eingeschaltet, wenn der Heizkern 158 den Luftstrom nicht auf eine gewünschte Temperatur erwärmen kann. Ein Temperatursensor 166 kann in der HLK-Einheit 152 stromabwärts des Heizkerns 158 und stromaufwärts der Heizeinrichtung 162 angeordnet sein. Der Temperatursensor 166 steht in elektronischer Kommunikation mit der Steuerung 170 und ist dazu konfiguriert, ein Signal auszugeben, das die Temperatur des Luftstroms, der aus dem Heizkern 158 austritt, angibt. Die Steuerung 170 kann die Heizeinrichtung 162 auf Grundlage von Signalen von dem Sensor 166 betreiben. Wenn beispielsweise die Luftstromtemperatur niedriger als die gewünschte Luftstromtemperatur ist, wie durch den Sensor 166 erfasst, kann die Steuerung 170 die Heizeinrichtung 162 einschalten, um die Temperatur des Luftstromes auf die gewünschte Temperatur zu erhöhen.
Die Steuerlogik oder die durch die Steuerung durchgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme wiedergegeben sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder eine repräsentative Steuerlogik bereit, die unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien umgesetzt werden können bzw. kann, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Wenngleich sie nicht immer ausdrücklich veranschaulicht sind, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine/r oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen in Abhängigkeit von der konkreten verwendeten Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden können. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erzielen, und soll vielmehr die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software implementiert sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeugsteuerung, wie etwa die Steuerung 48, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik je nach der konkreten Anwendung als Software, Hardware oder eine Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung in Software kann die Steuerlogik in einer/einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen repräsentieren, der/die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird/werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder - medien können eine oder mehrere einer Reihe bekannter physischer Vorrichtungen beinhalten, die elektronischen, magnetischen und/oder optischen Speicher nutzen, um ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen zu speichern. Jede Bezugnahme auf „eine Steuerung“ bezieht sich auf eine oder mehrere Steuerungen.
4 ist ein Ablaufdiagramm 200 eines Verfahrens zum Steuern eines Wärmemanagementsystems, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme zu beheizen. Das Verfahren beinhaltet bei Schritt 202 Betreiben eines Wechselrichters und einer elektrischen Maschine, um Wärme zu erzeugen. Bei Schritt 204 zirkuliert Kühlmittel durch den Wechselrichter, um Wärme von dem Wechselrichter auf das Kühlmittel zu übertragen. Das Kühlmittel kann auch durch andere Leistungselektronik, wie den DC/DC-Wandler, zirkulieren, um zusätzliche Abwärme auf das Kühlmittel zu übertragen. Bei Schritt 206 zirkuliert Öl durch das Getriebe, sodass Abwärme von den Getriebekomponenten, wie etwa die elektrischen Maschine(n), der Getriebekasten und das Differential, in das Öl übertragen wird. Bei Schritt 208 wird Wärme zwischen dem Öl und dem Kühlmittel ausgetauscht, um eine Temperatur des Kühlmittels mit der Abwärme von dem Getriebe zu erhöhen. Bei Bedarf wird die Temperatur des Kühlmittels bei Schritt 210 mit einer Heizeinrichtung weiter erhöht. Bei Schritt 212 zirkuliert das Kühlmittel durch den Heizkern und ein Luftstrom zirkuliert durch den Heizkern, um den Luftstrom zu erwärmen, bevor er bei Schritt 214 in die Fahrgastkabine zirkuliert.
Wenngleich vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Ansprüche eingeschlossen sind. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Worte eher Worte der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden können. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem Folgendes umfassen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch eine elektrische Maschine und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; ein Kühlmittelsystem mit einer Leitung, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; und ein Klimatisierungssystem, das angeordnet ist, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von der elektrischen Maschine und dem Wechselrichter zu beheizen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch eine Heizeinrichtung gekennzeichnet, wobei die Leitung des Kühlmittelsystems ferner angeordnet ist, um das Kühlmittel durch die Heizeinrichtung zirkulieren zu lassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung elektrisch.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch einen Getriebekasten gekennzeichnet, wobei das Ölkühlsystem ferner angeordnet ist, um das Öl durch den Getriebekasten zirkulieren zu lassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch einen Kühler gekennzeichnet, wobei die Leitung des Kühlmittelsystems ferner angeordnet ist, um das Kühlmittel durch den Kühler zirkulieren zu lassen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlmittelsystem ferner ein Ventil mit mindestens einer ersten Position, in der das Kühlmittel zum Kühler zirkuliert, und einer zweiten Position, in der das Kühlmittel zum Heizkern zirkuliert.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Ventil eine dritte Position auf, in der das Kühlmittel sowohl zum Kühler als auch zum Heizkern zirkuliert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch eine Steuerung gekennzeichnet, die programmiert ist, um das Ventil als Reaktion darauf, dass eine Kabinenheizung angefordert wird, in die zweite Position zu betätigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch eine Steuerung gekennzeichnet, die programmiert ist, um die elektrische Heizeinrichtung als Reaktion darauf, dass eine Temperatur des Luftstroms, der aus dem Heizkern austritt, geringer als eine angeforderte Temperatur ist, einzuschalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch eine Steuerung gekennzeichnet, die programmiert ist, um die elektrische Heizeinrichtung als Reaktion darauf, dass eine Temperatur des Kühlmittels geringer als eine gewünschte Temperatur ist, einzuschalten.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die elektrische Maschine stromaufwärts des Öl-Kühlmittel-Wärmetauschers.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Ölkühlsystem ein Ventil und einen Umgehungskreislauf, der dazu konfiguriert ist, Öl selektiv um den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher herumzuleiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Beheizen einer Fahrgastkabine mit Abwärme Betreiben eines Wechselrichters und einer elektrischen Maschine zum Erzeugen von Wärme; Zirkulieren von Kühlmittel durch den Wechselrichter, um Wärme vom Wechselrichter auf das Kühlmittel zu übertragen; Erhöhen einer Temperatur des Kühlmittels mit Wärme, die durch die elektrische Maschine erzeugt wird; Zirkulieren des Kühlmittels zum Heizkern; und Erwärmen eines Luftstroms für eine Fahrgastkabine durch Zirkulieren des Luftstroms durch den Heizkern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Erwärmen des Kühlmittels mit einer elektrischen Heizeinrichtung gekennzeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Zirkulieren des Kühlmittels zu einem Kühler gekennzeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Erhöhen der Temperatur des Kühlmittels mit durch einen Getriebekasten erzeugtes Kühlmittel gekennzeichnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch ein Getriebe und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; ein Kühlmittelsystem, das angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; und ein Klimatisierungssystem, das angeordnet ist, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von dem Getriebe und dem Wechselrichter zu beheizen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Getriebe eine elektrische Maschine und ist das Ölkühlsystem angeordnet ist, um Öl durch die elektrische Maschine zirkulieren zu lassen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Ölkühlsystem ein Ventil und einen Umgehungskreislauf, der dazu konfiguriert ist, Öl selektiv um den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher herumzuleiten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch eine Heizeinrichtung gekennzeichnet, wobei das Kühlmittelsystem ferner angeordnet ist, um das Kühlmittel durch die Heizeinrichtung zirkulieren zu lassen.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch eine elektrische Maschine und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; ein Kühlmittelsystem mit einer Leitung, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; und ein Klimatisierungssystem, das angeordnet ist, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von der elektrischen Maschine und dem Wechselrichter zu beheizen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Heizeinrichtung, wobei die Leitung des Kühlmittelsystems ferner angeordnet ist, um das Kühlmittel durch die Heizeinrichtung zirkulieren zu lassen.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Heizeinrichtung elektrisch ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Getriebekasten, wobei das Ölkühlsystem ferner angeordnet ist, um das Öl durch den Getriebekasten zirkulieren zu lassen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kühler, wobei die Leitung des Kühlmittelsystems ferner angeordnet ist, um das Kühlmittel durch den Kühler zirkulieren zu lassen.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Kühlmittelsystem ferner ein Ventil mit mindestens einer ersten Position, in der das Kühlmittel zum Kühler zirkuliert, und einer zweiten Position, in der das Kühlmittel zum Heizkern zirkuliert, beinhaltet.
Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das Ventil eine dritte Position aufweist, in der das Kühlmittel sowohl zu dem Kühler als auch zu dem Heizkern zirkuliert.
Fahrzeug nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Steuerung, die programmiert ist, um das Ventil als Reaktion darauf, dass eine Kabinenheizung angefordert wird, in die zweite Position zu betätigen.
Fahrzeug nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Steuerung, die programmiert ist, um die elektrische Heizeinrichtung als Reaktion darauf, dass eine Temperatur des Luftstroms, der aus dem Heizkern austritt, geringer als eine angeforderte Temperatur ist, einzuschalten.
Fahrzeug nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Steuerung, die programmiert ist, um die elektrische Heizeinrichtung als Reaktion darauf, dass eine Temperatur des Kühlmittels geringer als eine gewünschte Temperatur ist, einzuschalten.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine stromaufwärts des Öl-Kühlmittel-Wärmetauschers liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Ölkühlsystem ein Ventil und einen Umgehungskreislauf beinhaltet, der dazu konfiguriert ist, Öl selektiv um den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher herumzuleiten.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Ölkühlsystem, das angeordnet ist, um Öl durch ein Getriebe und einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; ein Kühlmittelsystem, das angeordnet ist, um Kühlmittel durch einen Wechselrichter, einen Heizkern und den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen; und ein Klimatisierungssystem, das angeordnet ist, um einen Luftstrom durch den Heizkern zirkulieren zu lassen, um eine Fahrgastkabine mit Abwärme von dem Getriebe und dem Wechselrichter zu beheizen.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei das Getriebe eine elektrische Maschine beinhaltet und wobei das Ölkühlsystem angeordnet ist, um Öl durch die elektrische Maschine zirkulieren zu lassen.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei das Ölkühlsystem ein Ventil und einen Umgehungskreislauf beinhaltet, der dazu konfiguriert ist, Öl selektiv um den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher herumzuleiten.