DE19649710A1

DE19649710A1 - Vorrichtung zur Fahrgastraumbeheizung eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE19649710A1
Application number: DE19649710A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Weisgerber
Original assignee: MC Micro Compact Car AG
Current assignee: MICRO COMPACT CAR AG, BIEL, CH
Priority date: 1996-11-30
Filing date: 1996-11-30
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2016-12-01
Also published as: DE19649710C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fahrgastraumbehei zung eines Elektrofahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor erzeugt dieser genü gend Abwärme, um über einen Wärmeträgerkreislauf und einen Wär metauscher den Fahrgastraum mit ausreichend Heizenergie versor gen zu können. Bei Elektrofahrzeugen mit einem von einer An triebsbatterie gespeisten und von einer Antriebssteuerung gere gelten elektrischen Antriebsmotor ist es aus der gattungsbil denden DE 42 26 781 A1 bekannt, Antriebskomponenten, insbeson dere die Antriebsbatterie und den Antriebsmotor sowie weitere zu temperierende elektrische Hilfsaggregate oder elektronische Steuereinheiten mittels eines gemeinsamen Wärmeträgerkreislau fes zu kühlen und die entnommene Abwärme zur Fahrgastraumbehei zung zu nutzen. Die Antriebsbatterie kann durch eine tolerier bare Anhebung der Batterie-Betriebstemperatur als Wärmespeicher dienen, um beispielsweise Spitzenwerte von Wärmemengen bei einer kurzzeitig verstärkten Erhitzung des Antriebsmotors aufzuneh men. Aus der gattungsbildenden Schrift geht auch hervor, den Wärmeträgerkreislauf mit einem Bypass zur Überbrückung des An triebsmotors zu versehen, damit nach einem Start des Elektro fahrzeugs, wenn eine schnelle Beheizung des Fahrgastraumes er wünscht ist, der noch kalte Antriebsmotor nicht vom Wärmeträger durchströmt wird. Der Antriebsmotor wird somit nur dann in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden, wenn er einer Kühlung bedarf.

Zum weiteren Stand der Technik wird auf die Schriften DE 44 24 470 C2, DE 42 38 364 A1 und DE 92 02 466 U1 verwiesen, welche ebenfalls Vorrichtungen zur Fahrgastraumbeheizung offenbaren, bei denen vorhandene Wärmequellen optimal genutzt und die Pro zeßführung der Gesamtanlage verbessert werden sollen. Hinsicht lich weiterer technischer Einzelheiten und vorteilhafter Aus bildungen wird auf diese Schriften verwiesen. Die DE 42 38 264 A1 sieht auch vor, die Klimaanlage nach verschiedenen Betriebs arten zu steuern, beispielsweise in einer besonders wirtschaft lichen oder in einer komfortablen Betriebsweise.

Aufgrund des guten Wirkungsgrades von Elektromotoren ist die im normalen Fahrbetrieb anfallende Abwärme im Regelfall nicht aus reichend, um eine ausreichende Fahrgastraumbeheizung sicher stellen zu können. Deshalb ist bei allen genannten Vorrichtun gen zur Fahrgastraumbeheizung zusätzlich eine Standheizung oder eine in dem Wärmeträgerkreislauf angeordnete elektrische Zu satzheizung vorgesehen, welche bei einem Wärmeträgerkreislauf mit z. B. Wasser als Wärmeträger nach dem Prinzip eines Tauch sieders ausgebildet sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei möglichst gerin gem Aufwand eine zufriedenstellende Fahrgastraumbeheizung si cherzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Antriebskompo nenten, insbesondere der Antriebsmotor und die Antriebssteuer einheit, auf Anforderung in Abhängigkeit benötigter Heizlei stung im Fahrbetrieb so verlustreich betrieben werden, daß ihre als Abwärme abgegebene Verlustleistung den Fahrgastraum ausrei chend beheizen kann. Damit kann eine elektrische Zusatzheizung zur Erwärmung des Wärmeträgers entfallen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der er findungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus weiteren Unteran sprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird nachstehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fahr gastraumbeheizung mit allen dafür wesentlichen Kompo nenten eines Elektrofahrzeugs,

Fig. 2 ein Motorstrom-Diagramm zur Erläuterung der Antriebsre gelung.

Die für die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung we sentlichen Komponenten eines Elektrofahrzeugs umfassen nach Fig. 1 einen elektrischen Antriebsmotor 1, welcher von einer nicht dargestellten Antriebsbatterie gespeist und über eine An triebssteuereinheit 2 geregelt wird. Der Antriebsmotor 1 kann auch mehrere elektrische Motoren umfassen, beispielsweise wie bei Elektrofahrzeugen mit elektrischen Nabenmotoren. Im Fahrbe trieb setzt der Antriebsmotor 1 elektrische Leistung in mecha nische Antriebsleistung um, wobei Verlustleistung in Form von Abwärme anfällt. Eine Leistungselektronik in der Antriebssteu ereinheit 2 paßt die von der Antriebsbatterie bereitgestellte elektrische Leistung an die von dem Antriebsmotor 1 geforderte Form an. Auch bei dieser Leistungsumsetzung fällt Verlustlei stung in Form von Abwärme an. Die Regelung des Antriebsmotors 1 durch die Antriebssteuereinheit 2 kann für einen Drehstrom-Asynchronmotor durch eine momenterregende Motorstromkomponente I_m und eine felderregenden Motorstromkomponente I_f dargestellt werden, wie in Fig. 1 und Fig. 2 angedeutet.

Um eine Überhitzung der genannten Antriebskomponenten 1, 2 zu vermeiden, sind diese zumindest bedarfsweise in einen gemeinsa men Wärmeträgerkreislauf 3 eingebunden, durch den Abwärme von den zu kühlenden Antriebskomponenten abgeführt und an Wärmetau scher einer Fahrgastraumheizung 4 zur Abgabe von Wärme an den Fahrgastraum und/oder an einen Fahrzeugkühler zur Abgabe von Wärme an die Außenluft weitergeleitet wird. In dem Wärmeträger kreislauf 3 zirkuliert ein fluider Wärmeträger wie Luft, Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel, wobei eine Pumpe 6 zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes vorgesehen sein kann. Neben den bereits genannten Antriebskomponenten 1, 2 können weitere zu temperierende Fahrzeugkomponenten, insbesondere eine weitere Antriebskomponente 7, beispielsweise die Antriebsbatterie in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden sein. Damit wäre die An triebsbatterie innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fahrgastraumbeheizung auch als Wärmespeicher oder Wärmepuffer einsetzbar, wie es aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist.

Bekanntermaßen wird bei Elektrofahrzeugen zugunsten der mit ei ner Batterieladung erreichbaren Reichweite versucht, den Wir kungsgrad des Antriebs zu optimieren. Neben dieser bekannten Betriebsweise, im folgenden ECO genannt, ist erfindungsgemäß eine weitere Betriebsweise KOMFORT vorgesehen, bei der in Ab hängigkeit benötigter Heizleistung für die Fahrgastraumbehei zung die Verlustleistung in einer oder in mehreren Antriebskom ponenten, insbesondere im Antriebsmotor 1 und/oder der An triebssteuereinheit 2 erhöht ist. Dabei kann die Verlustlei stung so lange erhöht werden, bis mit der an den Wärmeträger kreislauf 3 abgegebenen Abwärme der Fahrgastraum ausreichend erwärmt ist.

Zur Wahl der einen oder der anderen Betriebsweise ist ein Eingabeelement 8 vorgesehen, mit welchem der Fahrzeugführer in die Betriebsweise KOMFORT übergehen und damit vermehrt Heizlei stung anfordern kann. Anstelle einer Umschaltung zwischen bei den Betriebsweisen ist auch eine graduelle Vorgabe des gefor derten Zuwachses an Verlustleistung denkbar, womit ein stufen loser Übergang zwischen beiden Betriebsweisen möglich ist und erst in einer Endstellung des Eingabeelementes 8 in der Be triebsweise KOMFORT die Verlustleistung der Antriebskomponenten maximiert wird. In einer Weiterbildung mit einer automatischen Temperaturregelung kann auch vorgesehen sein, daß mit dem Ein gabeelement 8 eine gewünschten Soll-Temperatur vorgebbar ist und die Verlustleistung in Abhängigkeit der Differenz zwischen Soll-Temperatur und Ist-Temperatur im Fahrgastraum vorgegeben wird.

Das Eingabelement 8 steuert eine Klimasteuereinheit 9 an, wel che zur Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient und gemeinsam mit der Antriebssteuereinheit 2 in einer Baueinheit integriert sein kann. Zur Erfassung der Temperaturverhältnisse wird die Klimasteuereinheit 9 zumindest von einem Temperatur fühler 10 für die Antriebssteuereinheit 2 und einem Temperatur fühler 11 für den Antriebsmotor 1 angesteuert, gegebenenfalls auch noch von einem Temperaturfühler 13 für eine weitere An triebskomponente 7 z. B. der Antriebsbatterie. Die von den Tem peraturfühlern abgegebenen Temperatursignale ermöglichen der Klimasteuereinheit 9 das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ge regelt durchzuführen, um insbesondere eine Überhitzung der An triebskomponenten 1, 2, 7 zu vermeiden. In der Weiterbildung mit automatischer Temperaturregelung ist zusätzlich ein Tempe raturfühler 12 für die Fahrgastraumheizung 4 vorgesehen, wel cher die Temperatur im Fahrgastraum überwacht, so daß das er findungsgemäße Betriebsverfahren bei Vorgabe einer Soll-Temperatur automatisch geregelt durchführbar ist. Der Kühler 5 und die Pumpe 6 können ebenfalls von der Klimasteuereinheit 9 geregelt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird die Antriebs steuereinheit 2 von der Klimasteuereinheit 9 durch ein Steuer signal 14 in Abhängigkeit benötigter Heizleistung in die Be triebsweise KOMFORT versetzt, bei der die von ihr und/oder die von dem Antriebsmotor 1 abgegebene Abwärme erhöht ist gegenüber der Betriebsweise ECO, bei dem der Wirkungsgrad maximiert wird. Die Heizleistung ist dabei je nach Ausführung entweder direkt mittels des Bedienelementes 8 durch den Fahrzeugführer anfor derbar oder wird bei automatischer Temperaturregelung von der Klimasteuereinheit 9 ermittelt, welches laufend die über das Bedienelement 8 vorgegebene Soll-Temperatur mit der von dem Temperaturfühler 12 der Fahrgastraumheizung 4 erfaßten Ist-Temperatur vergleicht und aus der Differenz die benötigte Heiz leistung ermittelt.

Die durch die Antriebssteuereinheit 2 vorgenommene Antriebsre gelung des Antriebsmotors 1 in den verschiedenen Betriebsweisen wird am Beispiel eines Drehstrom-Asynchronmotor erläutert. Be kanntlich kann der Motorstrom, wie in Fig. 2 dargestellt, in eine felderregende I_f und eine momenterregende Motorstromkompo nente I_m aufgeteilt werden. In der Betriebsweise ECO erfolgt die Antriebsregelung so, daß die Resultierende I_r der beiden Stromkomponenten I_f, I_m versucht wird zu minimieren, da die Länge des resultierenden Stromzeigers I_r überproportional den Verlusten in dem Antriebsmotor 1 und der Leistungselektronik in der Antriebssteuereinheit 2 entspricht.

In der Betriebsweise KOMFORT erfolgt die Antriebsregelung so, daß die Verlustleistung erhöht oder maximiert wird. Eine Mög lichkeit dafür besteht darin, die felderregende Motorstromkom ponente I_f zu überhöhen. Damit ist der Effektivwert des Motor stroms, welcher der resultierenden Motorstromkomponente I_r ent spricht, höher als in der wirtschaftlichen Betriebsweise ECO und verursacht zusätzliche Durchlaß- und Schaltverluste in der Leistungselektronik der Antriebssteuereinheit 2 und zusätzliche Kupfer- und Eisenverluste im Ständer des Antriebsmotors 1. Die se Verluste werden über den Wärmeträgerkreislauf 3 der Fahr gastraumheizung 4 zur Verfügung gestellt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Wärmeträgerkreis lauf 3 mit einer Bypass-Leitung 16 zur Überbrückung des An triebsmotors 1 während der Warmlaufphase versehen, damit nach einem Start des Elektrofahrzeugs, wenn eine schnelle Beheizung des Fahrgastraumes erwünscht ist, der noch kalte Antriebsmotor 1 nicht vom Wärmeträger durchströmt wird. Der Antriebsmotor 1 wird somit nur dann in den Wärmeträgerkreislauf 3 eingebunden, wenn er einer Kühlung bedarf. Zur Schaltung der Bypass-Leitung 16 ist ein Bypass-Ventil 15 vorgesehen, welches von der Klima steuereinheit 9 in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ange steuert wird.

Da die thermische Aufheizzeit der Leistungselektronik der An triebssteuereinheit 2 sehr viel kürzer ist als die des An triebsmotors 1, kann während der Warmlaufzeit des Antriebsmo tors 1, wenn dieser durch die Bypass-Leitung 16 überbrückt ist, die Verlustleistung in der Antriebssteuereinheit 3, insbesonde re in deren Leistungselektronik erhöht werden, um schnell und ausreichend Heizleistung bereitstellen zu können. Dies kann beispielsweise durch Erhöhung der Schaltfrequenz und/oder Redu zierung der Durchlaßspannung an den Halbleiter-Leistungs schaltern erreicht werden.

Die zentrale Steuerung des Bypass-Ventils 15 und des Regelmodus der Antriebssteuereinheit 2 wird von der Klimasteuereinheit 9 wahrgenommen. Auch die Abwärme der Klimasteuereinheit 9 kann zu Heizzwecken genutzt werden, beispielsweise indem diese in die Antriebssteuereinheit 2 integriert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Fahrgastraumbeheizung bei einem Elektrofahr zeugs

- mit einem von einer Antriebsbatterie gespeisten und von einer Antriebssteuereinheit geregelten elektrischen Antriebsmotor und
- mit einem Wärmeträgerkreislauf, durch den Abwärme von minde stens einer Antriebskomponente, insbesondere des Antriebsmo tors und/oder der Antriebssteuereinheit, aufnehmbar und an den Fahrgastraum abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssteuereinheit (2) in Abhängigkeit benötigter Heizleistung in eine Betriebsweise (KOMFORT) versetzbar ist, bei der die von mindestens einer der Antriebskomponenten (1, 2, 7) an den Wärmeträgerkreislauf (3) als Abwärme abgegebene Ver lustleistung erhöht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssteuereinheit (2) in die genannte Betriebsweise (KOMFORT) durch Betätigung eines Eingabeelementes (8) versetz bar ist, womit von einem Fahrzeugführer in Abhängigkeit benö tigter Heizleistung eine Erhöhung der als Abwärme an den Wärme trägerkreislauf (3) abgegebene Verlustleistung anforderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Eingabeelementes (8) eine graduelle Vorgabe des geforderten Zuwachses an Verlustleistung anforderbar ist und erst in einer Endstellung des Eingabeelementes (8) die Verlust leistung der Antriebskomponenten (1, 2, 7) maximiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klimasteuereinheit (9) vorgesehen ist,

- welcher mittels eines Eingabeelementes (8) eine gewünschte Soll-Temperatur vorgebbar ist,
- welche laufend die Soll-Temperatur mit einer von einem Tempe raturfühler (12) erfaßten Ist-Temperatur im Fahrgastraum ver gleicht und aus der Differenz die benötigte Heizleistung er mittelt und
- welche durch ein Steuersignal (14) bedarfsweise die Antriebs steuereinheit (1) in die genannte Betriebsweise (KOMFORT) versetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Verlustleistung ein als Drehstrom-Asynchronmotor ausgebildeter Antriebsmotor (1) von der An triebssteuereinheit (2) in der Weise ansteuerbar ist, daß seine felderregende Motorstromkomponente (I_f) überhöht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (3) mit einer Bypass-Leitung (16) zur Überbrückung des Antriebsmotors (1) während seiner Warm laufphase versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der als Abwärme an den Wärmeträgerkreislauf (3) abgegebenen Verlustleistung und während der Warmlaufzeit des Antriebsmotors (1), wenn dieser durch die Bypass-Leitung (16) überbrückt ist, die Verlustleistung in der Antriebssteuer einheit (2), insbesondere in deren Leistungselektronik erhöht wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Verlustleistung in der Antriebssteuerein heit (2) durch Erhöhung der Schaltfrequenz und/oder Reduzierung der Durchlaßspannung an den Halbleiter-Leistungsschaltern er folgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuerung eines Bypass-Ventils (15) zur Schal tung der Bypass-Leitung (16) und Steuerung des Regelmodus der Antriebssteuereinheit (2) von einer Klimasteuereinheit (9) wahrgenommen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klimasteuereinheit (9) in die Antriebssteuereinheit (2) integriert.