DE4424470A1 - Waste heat recovery appts. for heating the interior of electric vehicle - Google Patents

Waste heat recovery appts. for heating the interior of electric vehicle

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Abstract

The traction motor, invertor, battery and other electrical loads are cooled by individual heat exchangers (1-4) connected reversibly between two valve systems (12',12") in a fluid circuit (13,14) contg. an expansion tank (16), a pump (15) and a radiator (10) air-cooled by a fan (11). The outlet temps. of the heat exchangers are monitored by sensors (5-8). The outlet from the downstream valve system (12") also has a temp. sensor (18) ahead of a changeover valve (17) whereby coolant is diverted into the space heating circuit (20) contg. a circulation pump (22), booster heater (25), heat store (27) and radiator (29). A controller (31) maintains the interior temp. at a desired setting (32).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahrzeuges unter Ausnutzung der Abwärme eines Kühlsystems für elektrische Komponenten des Fahrzeugantriebes.The invention relates to a device for heating the interior of an electric vehicle using the waste heat of a Cooling system for electrical components of the vehicle drive.

Derzeit zu vertretbaren Kosten verfügbare Batterien und Akkumulatoren besitzen nur eine begrenzte Energiedichte, so daß Elektrofahrzeuge mit batteriegespeisten Elektro­ antrieben nur eine vergleichsweise geringe Reichweite bieten können, bevor die Batterien ausgetauscht bzw. nach­ geladen werden müssen. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, den elektrischen Energievorrat der Batterien möglichst aus­ schließlich für den Fahrbetrieb einzusetzen und den Strom­ bedarf von Zusatzaggregaten so weit als möglich zu verringern.Batteries and batteries currently available at reasonable cost Accumulators have a limited energy density, so that electric vehicles with battery-powered electric powered only a comparatively short range can offer before the batteries are replaced or after need to be loaded. For this reason it is desirable the electrical energy supply of the batteries as possible finally use for driving and the electricity to reduce the need for additional units as much as possible.

Dies gilt insbesondere für die Innenraumbeheizung von Elektrofahrzeugen.This applies in particular to the interior heating of Electric vehicles.

In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, Elektrofahr­ zeuge bei Nichtgebrauch an das allgemeine Stromnetz anzu­ schließen, um eine im Fahrzeug angeordnete Elektroheizung über das allgemeine Stromnetz zur Beheizung des Fahrzeuges vor Antritt einer Fahrt betreiben zu können. Während der Fahrt braucht dann der Erwärmungszustand lediglich aufrecht­ erhalten zu werden, so daß der Energiebedarf für die Beheizung während der Fahrt vergleichsweise gering bleibt. In this context, it is already known to be an electric driver testify to the general power grid when not in use close to an electric heater arranged in the vehicle via the general electricity network for heating the vehicle to be able to operate before starting a journey. During the The warming condition then only needs to be kept upright to be obtained so that the energy requirement for the Heating remains comparatively low while driving.  

Gegebenenfalls kann während der Fahrt auch die Abwärme von Komponenten des elektrischen Antriebes zur Beheizung bzw. zur Aufrechterhaltung des erwärmten Zustandes des Innen­ raumes ausgenutzt werden. Insbesondere läßt sich die Abwärme sogenannter Hochtemperaturbatterien hierfür ein­ setzen.If necessary, the waste heat from Components of the electric drive for heating or to keep the interior warm space can be exploited. In particular, the Waste heat from so-called high-temperature batteries put.

Allerdings ist die nutzbare Abwärme relativ gering, so daß bei tieferen Außentemperaturen die Abwärme in der Regel nicht ausreichend ist, um den Fahrzeuginnenraum hinreichend zu beheizen bzw. auf hinreichender Temperatur zu halten.However, the usable waste heat is relatively low, so that at lower outside temperatures, the waste heat usually is not sufficient to make the vehicle interior sufficient to be heated or kept at a sufficient temperature.

Damit muß dann entweder Strom aus der Batterie zu Heiz­ zwecken entnommen oder eine batterieunabhängige Heizung, beispielsweise eine Benzinheizung, eingeschaltet werden. Beides soll aber nach Möglichkeit vermieden werden.So then either electricity from the battery to heat removed for purposes or a battery-independent heating, for example, a gasoline heater. However, both should be avoided if possible.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art die zur Verfügung stehende Abwärme optimal zu nutzen.It is therefore an object of the invention in a device of the type specified at the beginning Optimal use of waste heat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlsystem der elektrischen Komponenten des Fahr­ zeugantriebes einen Kühlmittelweg aufweist bzw. einzu­ schalten gestattet, an dem die Komponenten zumindest teilweise in Reihe angeschlossen sind, wobei thermisch weniger belastbare Komponenten im Kühlmittelweg vor thermisch stärker belastbaren Komponenten angeordnet sind.This object is achieved in that the cooling system of the driving electrical components tool drive has a coolant path or einu switch allowed on the components at least are partially connected in series, with thermal less resilient components in the coolant path arranged more thermally strong components are.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den unterschiedlichen Kühlbedarf sowie die unterschiedliche thermische Belastbarkeit der Komponenten des elektrischen Fahrzeugantriebes auszunutzen, indem das Kühlmittel zunächst zur Kühlung wärmeempfindlicher Komponenten herangezogen wird, wobei das zunächst noch vergleichsweise kalte Kühlmittel vorgewärmt wird. Sodann wird das vorgewärmte Kühlmittel zur Kühlung von weniger wärmeempfindlichen Komponenten heran­ gezogen und weiter erwärmt. Auf diese Weise sind vergleichs­ weise hohe Kühlmitteltemperaturen erreichbar, ohne daß eine übermäßige Erhitzung empfindlicher Komponenten auftreten kann.The invention is based on the general idea that different cooling needs as well as the different  thermal resilience of the components of the electrical Take advantage of the vehicle drive by the coolant first is used to cool heat-sensitive components, which is initially a relatively cold coolant is preheated. Then the preheated coolant becomes Cooling of less heat sensitive components pulled and warmed further. This way are comparative as high coolant temperatures can be reached without a excessive heating of sensitive components may occur can.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann also Wärme für Heizzwecke auf vergleichsweise hohem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden, so daß eine gute Wärmenutzung wesentlich erleichtert wird.In the device according to the invention, heat for Heating purposes at a comparatively high temperature level Be made available so that good heat use is much easier.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Kühlsystem auch auf eine Betriebs­ weise mit parallelen Kühlmittelwegen für die Komponenten des Elektroantriebes umschaltbar ist. Auf diese Weise kann z. B. bei erhöhten Außentemperaturen einem erhöhten Kühl­ bedarf einzelner Komponenten bei gleichzeitig geringerer Anforderung an die Fahrzeugheizung Rechnung getragen werden.According to a preferred embodiment of the invention be provided that the cooling system is also operational wise with parallel coolant paths for the components of the electric drive is switchable. That way e.g. B. at increased outside temperatures increased cooling requires individual components with fewer at the same time Vehicle heating requirements are taken into account.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung besonders vorteilhafter Ausführungsbeispiele verwiesen, die anhand der Zeichnung beschrieben werden.Otherwise, the preferred features of the Invention on the claims and the following Explanation of particularly advantageous exemplary embodiments referenced, which are described with reference to the drawing.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 eine schaltplanartige Gesamtdarstellung eines für Elektrofahrzeuge vorgesehenen Heizsystems, bei dem die Abwärme eines Kühlsystems ausgenutzt wird, und Fig. 1 is a circuit diagram-like overall representation of a heating system provided for electric vehicles, in which the waste heat of a cooling system is used, and

Fig. 2 eine Möglichkeit zur Gestaltung des Kühlmittelweges. Fig. 2 shows a way to design the coolant path.

Ein nicht näher dargestellter Elektroantrieb eines Elektro­ fahrzeuges besitzt zur Kühlung seines nicht dargestellten Elektromotors einen Wärmetauscher 1, zur Kühlung eines nicht dargestellten Wechselrichters einen Wärmetauscher 2, zur Kühlung einer nicht dargestellten Batterie einen Wärme­ tauscher 3 und zur Kühlung eines nicht dargestellten Neben­ verbrauchers, wie z. B. eines Ladegerätes od. dgl., einen Wärmetauscher 4. Zur Überwachung der Temperatur dieser Wärmetauscher 1 bis 4 sind Temperaturfühler 5 bis 8 vorge­ sehen.An electric drive, not shown, of an electric vehicle has a heat exchanger 1 for cooling its electric motor, not shown, a heat exchanger 2 for cooling an inverter, not shown, a heat exchanger 3 for cooling a battery, not shown, and for cooling a secondary consumer, not shown, such as, for . B. a charger or the like., A heat exchanger 4th To monitor the temperature of these heat exchangers 1 to 4 temperature sensors 5 to 8 are easily seen.

Die Wärmetauscher 1 bis 4 sind in einem Kühlmittelkreis­ lauf 9 angeordnet, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Dieser Kühlmittelkreislauf 9 besitzt einen Kühler 10 mit Kühlgebläse 11, eine weiter unten erläuterte erste Schalt­ ventilanordnung 12′ auf der Eingangsseite der Wärmetauscher 1 bis 4 sowie eine ebenfalls weiter unten erläuterte ausgangs­ seitige Schaltventilanordnung 12′′ auf der Ausgangsseite der Wärmetauscher 1 bis 4, wobei die Schaltventilanordnung 12′ mit dem Kühler 10 über eine Vorlaufleitung 13 und die Schalt­ ventilanordnung 12′′ mit dem Kühler über eine Rücklaufleitung 14 mit Umwälzpumpe 15 und Ausdehnungsgefäß 16 verbunden ist.The heat exchangers 1 to 4 are arranged in a coolant circuit 9 through which a cooling liquid flows. This refrigerant circuit 9 includes a cooler 10 with cooling fan 11, a later explained first switching valve assembly 12 'at the input side of the heat exchanger 1 to 4 and an also explained further below the output-side switching valve assembly 12' 'on the output side of the heat exchanger 1 to 4, wherein the switching valve arrangement 12 'with the cooler 10 via a flow line 13 and the switching valve arrangement 12 ''is connected to the cooler via a return line 14 with a circulating pump 15 and expansion vessel 16 .

Am Eingang der Rücklaufleitung 14 ist vor einem Umschalt­ ventil 17 ein Temperaturfühler 18 angeordnet, um die Kühl­ mitteltemperatur hinter der Schaltventilanordnung 12′′ ermitteln zu können. Das Umschaltventil 17 steuert eine Abzweigleitung 19, über die das Kühlmittel einem Heizkreis­ lauf 20 zugeführt werden kann, der mit einer Rückführlei­ tung 21 hinter dem Umschaltventil 17 mit dem Kühlmittel­ kreislauf 9 verbunden ist. At the input of the return line 14 , a temperature sensor 18 is arranged in front of a changeover valve 17 in order to be able to determine the cooling medium temperature behind the switching valve arrangement 12 ''. The changeover valve 17 controls a branch line 19 via which the coolant can be supplied to a heating circuit 20 which is connected to a return circuit 21 behind the changeover valve 17 with the coolant circuit 9 .

Der Heizkreislauf 20 besitzt eine gesonderte Umwälzpumpe 22, die mit einer Rückschlagklappe 23 kombiniert ist, so daß nur eine Strömungsrichtung möglich ist. Von der Umwälz­ pumpe 22 führt der Heizkreislauf 20 zu einer als Mündung der Abzweigleitung 19 angeordneten Saugdüse 24 und nachfolgend zu einem Erhitzer 25, der elektrisch und/oder durch Ver­ brennung, beispielsweise von Benzin od. dgl., betrieben wird. In Strömungsrichtung hinter dem Erhitzer 25 ist ein Umschaltventil 26 angeordnet, welches die vom Erhitzer 25 kommende Flüssigkeit entweder direkt oder über einen Wärmespeicher 27 einem mit Gebläse 28 versehenen Innen­ raumwärmetauscher 29 zuführt, hinter dem ein Temperatur­ fühler 30 angeordnet ist.The heating circuit 20 has a separate circulation pump 22 , which is combined with a non-return valve 23 , so that only one direction of flow is possible. From the circulation pump 22 , the heating circuit 20 leads to a suction nozzle 24 arranged as the mouth of the branch line 19 and subsequently to a heater 25 which is operated electrically and / or by combustion, for example gasoline or the like. In the flow direction behind the heater 25 , a changeover valve 26 is arranged, which feeds the liquid coming from the heater 25 either directly or via a heat accumulator 27 to an interior heat exchanger 29 provided with a blower 28 , behind which a temperature sensor 30 is arranged.

Das dargestellte System besitzt ein Steuergerät 31, welches eingangsseitig mit den Signalleitungen der Temperatur­ fühler 5 bis 8 und 18 sowie 30 und einem Vorwahlschalter 32 für die Innenraumtemperatur des Fahrzeuges verbunden ist. Ausgangsseitig ist das Steuergerät an die Schaltventilan­ ordnungen 12′ sowie 12′′, die Umschaltventile 17 und 26, die Umwälzpumpen 15 und 22, den Erhitzer 25, die Gebläse 11 und 28 angeschlossen, so daß diese Elemente in Abhängig­ keit von den Temperatursignalen der vorgenannten Temperatur­ fühler und dem Vorwahlschalter 32 steuerbar sind.The system shown has a control unit 31 , which is connected on the input side to the signal lines of the temperature sensors 5 to 8 and 18 and 30 and a preselection switch 32 for the interior temperature of the vehicle. On the output side, the control unit is connected to the Schaltventilan orders 12 'and 12 '', the switching valves 17 and 26 , the circulating pumps 15 and 22 , the heater 25 , the blowers 11 and 28 , so that these elements in dependence on the temperature signals of the aforementioned Temperature sensor and the pre-selection switch 32 are controllable.

Gemäß Fig. 2 lassen sich die Schaltventilanordnungen 12′ und 12′′ so einstellen, daß das von der Vorlaufleitung 13 kommende Kühlmittel in Reihe nacheinander durch die Wärme­ tauscher 3, 2 und 1 strömt, so daß die Abwärme der mit dem Wärmetauscher 3 kombinierten Batterie zur Vorheizung des Kühlmittels dient, während die Abwärme des mit dem Wärme­ tauscher 2 kombinierten Wechselrichters sowie des mit dem Wärmetauscher 1 kombinierten Elektromotors zur weiteren Erhitzung des Kühlmittels genutzt wird. Damit wird gleich­ zeitig den unterschiedlichen Anforderungen an die Kühlung von Batterie, Wechselrichter und Motor Rechnung getragen. Bei Bedarf kann ein Nebenverbraucher, der mit dem Wärme­ tauscher 4 kombiniert ist, über einen zum vorgenannten Kühlmittelweg parallelen Kühlmittelweg gekühlt werden.Referring to FIG. 2, the switching valve arrangements blank 12 'and 12' 'set so that the light coming from the flow line 13 coolant sequentially through the heat exchangers 3, 2 and 1 flows in series so that the waste heat of the combined with the heat exchanger 3 Battery serves to preheat the coolant, while the waste heat of the inverter combined with the heat exchanger 2 and of the electric motor combined with the heat exchanger 1 is used for further heating of the coolant. This also takes into account the different requirements for cooling the battery, inverter and motor. If necessary, an auxiliary consumer, which is combined with the heat exchanger 4 , can be cooled via a coolant path parallel to the aforementioned coolant path.

Die Schaltventilanordnungen 12′ und 12′′ sind so ausgelegt, daß grundsätzlich auch eine andere Aufteilung des Kühl­ mittelstromes möglich ist. Beispielsweise könnte vorge­ sehen sein, die die Wärmetauscher 3 und 4 durchsetzenden Kühlmittelströmungen hinter dem Wärmetauscher 3 zu ver­ einigen, so daß nachfolgend das gesamte Kühlmittel nach­ einander durch die Wärmetauscher 2 und 1 strömt.The switching valve arrangements 12 'and 12 ''are designed so that in principle a different distribution of the coolant flow is possible. For example, it could be seen that the heat exchangers 3 and 4 penetrating coolant flows behind the heat exchanger 3 agree some, so that subsequently all the coolant flows in succession through the heat exchangers 2 and 1 .

Im übrigen ist es auch denkbar, bei Bedarf alle Wärme­ tauscher 1 bis 4 parallel mit Kühlmittel zu beaufschlagen.Otherwise, it is also conceivable to apply coolant to all heat exchangers 1 to 4 in parallel if necessary.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Schaltventilanordnungen 12′ und 12′′ so ausgebildet sein, daß sie bei sehr hohen Außentemperaturen die Wärmetauscher besonders wärmeempfindlicher Aggregate - z. B. Halbleiter in Bordladern und DC-DC-Wandlern - in einen gesonderten Kühlkreislauf einschalten können, der in der Regel einen eigenen, zum Kühler 10 parallel geschalteten Kühler aufweist.According to a further embodiment of the invention, the switching valve assemblies 12 'and 12 ''can be designed so that they the heat exchanger particularly heat-sensitive units - z. B. semiconductors in on-board chargers and DC-DC converters - in a separate cooling circuit, which usually has its own cooler 10 connected in parallel cooler.

Durch die in Fig. 2 beispielhaft dargestellte Reihen­ schaltung der Wärmetauscher 1 bis 3 kann am Eingang der Rücklaufleitung 14, d. h. am Temperaturfühler 18, eine sehr hohe Kühlmitteltemperatur erreicht werden, mit der erwünschten Folge, daß bei entsprechender Steuerung des Umschaltventiles 17 Kühlmittel mit hoher Temperatur zum Heizkreislauf 20 geführt werden kann.By example in Fig. 2 series connection of the heat exchanger 1 to 3 , a very high coolant temperature can be reached at the input of the return line 14 , ie at the temperature sensor 18 , with the desired result that with appropriate control of the switch valve 17 coolant with high temperature can be led to the heating circuit 20 .

Durch entsprechende Steuerung des Umschaltventiles 17 kann dem Heizkreislauf 20 je nach Betriebsbedingungen mehr oder weniger erwärmte Kühlflüssigkeit aus dem Kühl­ kreislauf 9 zugeführt werden. Sollte in Ausnahmefällen die Temperatur am Temperaturfühler 30 des Heizkreis­ laufes 20 höher als die Temperatur am Temperaturfühler 18 des Kühlkreislaufes 9 sein, so wird das Umschaltventil 17 in jedem Falle geschlossen, um eine unnötige Abkühlung des Heizkreislaufes 20 zu verhindern.By appropriate control of the switch valve 17 , the heating circuit 20 can be supplied with more or less heated cooling liquid from the cooling circuit 9 depending on the operating conditions. Should, in exceptional cases, the temperature at the temperature sensor 30 of the heating circuit 20 be higher than the temperature at the temperature sensor 18 of the cooling circuit 9 , the changeover valve 17 is closed in any case in order to prevent unnecessary cooling of the heating circuit 20 .

Im Heizkreislauf 20 kann dann bei laufender Umwälzpumpe 22 die Wärme des Erhitzers 25 und/oder bei entsprechender Schaltung des Umschaltventiles 26 die Wärme des Wärme­ speichers 27 ausgenutzt und über den Innenraumwärme­ tauscher 29 zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes heran­ gezogen werden.In the heating circuit 20 , with the circulation pump 22 running, the heat from the heater 25 and / or with the appropriate switching of the changeover valve 26, the heat from the heat accumulator 27 can then be used and pulled over the interior heat exchanger 29 to heat the vehicle interior.

Das Gebläse 11 des Kühlers 10 wird nur bei Bedarf einge­ schaltet, d. h. wenn ein erhöhter Kühlbedarf vorliegt.The fan 11 of the cooler 10 is only switched on when required, ie when there is an increased cooling requirement.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahr­ zeuges unter Ausnutzung der Abwärme eines Kühlsystems für elektrische Komponenten des Fahrzeugantriebes, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (9) einen Kühlmittelweg aufweist bzw. einzuschalten gestattet, an dem die Komponenten (1 bis 4) zumindest teilweise in Reihe angeschlossen sind, wobei thermisch weniger belastbare Komponenten im Kühlmittel­ weg vor thermisch stärker belastbaren Komponenten ange­ ordnet sind.1. Device for heating the interior of an electric vehicle using the waste heat of a cooling system for electrical components of the vehicle drive, characterized in that the cooling system ( 9 ) has a coolant path or can be switched on, on which the components ( 1 to 4 ) at least partially in series are connected, with thermally less resilient components in the coolant away from thermally more resilient components are arranged. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (9) auf eine Betriebsweise mit parallelen Kühlmittelwegen für die Komponenten (1 bis 4) umschaltbar ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the cooling system ( 9 ) is switchable to an operation with parallel coolant paths for the components ( 1 to 4 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Kühlkreislauf (9) mit eigener Umwälzpumpe (15) ein gesonderter Heizkreislauf (20) mit separater Umwälzpumpe (22) angeordnet und über eine steuerbare Abzweigleitung (19) sowie eine Rück­ führleitung (21) mit dem Kühlkreislauf (9) verbindbar ist. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that parallel to a cooling circuit ( 9 ) with its own circulation pump ( 15 ), a separate heating circuit ( 20 ) with a separate circulation pump ( 22 ) and via a controllable branch line ( 19 ) and a return Guide line ( 21 ) can be connected to the cooling circuit ( 9 ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühl- und/oder Heizkreislauf (9, 20) ein Erhitzer (25) und/oder ein Wärmespeicher (27) einschaltbar sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the cooling and / or heating circuit ( 9 , 20 ) a heater ( 25 ) and / or a heat accumulator ( 27 ) can be switched on. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Außentemperaturen besonders wärme­ empfindliche Komponenten einem gesonderten Kühl­ mittelweg für Niedrigtemperatur zuschaltbar sind.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized, that especially warm at high outside temperatures sensitive components a separate cooling are middle way switchable for low temperature.
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