DE4424470C2

DE4424470C2 - Device for heating the interior of an electric vehicle

Info

Publication number: DE4424470C2
Application number: DE4424470A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl Ing Dr Boll
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1994-07-12
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2014-07-13
Also published as: DE4424470A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahrzeuges unter Ausnutzung der Abwärme eines Kühlsystems für elektrische Komponeten des Fahrzeugantriebes mit einem Kühlmittelweg, an dem die Komponenten zumindest teilweise in Reihe angeschlossen sind, wobei thermisch weniger belastbare Komponenten im Kühlmittelweg vor thermisch stärker belastbaren Komponenten angeordnet sind.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 with a coolant path on which the components at least are partially connected in series, with less thermal resilient components in the coolant path before thermally stronger resilient components are arranged.

Derzeit zu vertretbaren Kosten verfügbare Batterien und Akkumulatoren besitzen nur eine begrenzte Energiedichte, so daß Elektrofahrzeuge mit batteriegespeisten Elektroan trieben nur eine vergleichsweise geringe Reichweite bieten können, bevor die Batterien ausgetauscht bzw. nachgeladen werden müssen. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, den elektrischen Energievorrat der Batterien möglichst weit gehend für den Fahrbetrieb einzusetzen und den Strombedarf von Zusatzaggregaten soweit 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 Elektroan only offer a comparatively short range before the batteries are replaced or recharged Need to become. For this reason, it is desirable that electrical energy supply of the batteries as far as possible going to use for driving and the power requirement of auxiliary units to be reduced as far as possible.

Um bei vergleichsweise geringem Energiebedarf eine gute Heizleistung erreichen zu können, ist es aus der DE 24 51 221B2 bekannt; bei einer Luftheizung für den Fahrzeuginnenraum die zu erwärmende Luft bei höherem Heizungsbedarf zunächst über die Akkumulatoren und sodann über eine Regeleinrichtung des Elektromotors und danach über den Elektromotor selbst zu führen, so daß vergleichs weise hohe Temperaturen erreicht werden können und gleich zeitig der Kühlbedarf der vorgenannten Aggregate berück sichtigt wird.To be a good one with a comparatively low energy requirement To be able to achieve heating output, it is from the DE 24 51 221B2 known; with an air heater for the Vehicle interior the air to be heated at higher Heating requirements first via the batteries and then via a control device of the electric motor and thereafter to run on the electric motor itself, so that comparative wise high temperatures can be reached and the same timely the cooling requirements of the aforementioned units is viewed.

Im Ergebnis kann also mit einer Heizleistung gerechnet werden, die größer ist als die mit der Abwärme der Akkumulatoren abgeführte Wärmeleistung.As a result, a heating output can be expected which is greater than that with the waste heat from the batteries dissipated heat output.

Aus der DE 42 03 381 A1 ist ein Flüssigkeitskühlsystem für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges bekannt, deren Abwärme auch zu Heizzwecken genutzt werden soll. Bei kaltem Motor führt der Kühlflüssigkeitskreislauf direkt von einem Kühlmittelausgang des Motors zu seinem Kühlmitteleingang. Bei hinreichend erwärmtem Motor wird ein großer, über einen Kühler führender Kühlmittelkreislauf eingeschaltet. Im übrigen kann die von der Brennkraftmaschine erwärmte Kühl flüssigkeit mittels eines gesonderten Förderaggregates einem Wärmetauscher zugeführt werden, der als Heizung für einen Fahrzeuginnenraum od. dgl. arbeitet.DE 42 03 381 A1 describes a liquid cooling system for an internal combustion engine of a vehicle known Waste heat should also be used for heating purposes. When cold The engine runs the coolant circuit directly from one Engine coolant outlet to its coolant inlet. When the engine is sufficiently warmed up, a large, over one Radiator leading coolant circuit switched on. in the Otherwise, the cooling heated by the internal combustion engine liquid by means of a separate delivery unit Heat exchangers are supplied as a heater for one Vehicle interior or the like works.

Die DE 42 06 611 A1 bezieht sich wiederum auf eine Luftheizung eines Elektrofahrzeuges. Hier ist vorgesehen, daß bei größerem Wärmebedarf die gegebenenfalls aus dem Fahrzeuginnenraum abzu führende Luft in einem Wärmetauscher zur Vorwärmung von Frischluft dient, die dann nachfolgend über ein Heizelement geleitet wird, welches von Kühlflüssigkeit des Elektromotors durchströmt wird. Da die vom Elektromotor erzeugte Abwärme mengenmäßig stark schwanken kann, ist im Kühlmittelkreislauf ein Wärmespeicher, vorzugsweise eine Latentwärmespeicher, angeordnet, der im Ergebnis dazu führt, daß die Heizung mit relativ gleichbleibender Temperatur arbeitet.DE 42 06 611 A1 in turn relates to air heating of an electric vehicle. Here it is provided that for larger If necessary, remove heat from the vehicle interior leading air in a heat exchanger for preheating Fresh air is used, which is then subsequently via a heating element which is guided by the coolant of the electric motor is flowed through. Because the waste heat generated by the electric motor can fluctuate greatly in quantity, is in the coolant circuit a heat store, preferably a latent heat store, arranged, which results in the heating works with a relatively constant temperature.

In der DE 41 36 207 C1 wird eine Einrichtung zur Belüftung und Klimatisierung von Räumen in gepanzerten Fahrzeugen beschrieben. Dabei sind Kammern für elektronische Elemente abgetrennt vom Insassenraum angeordnet,jedoch derart, daß aus dem Insassenraum Luft zur Kühlung der elektronischen Elemente in die genannten Kammern abgeführt und dann entweder nach außen abgeleitet oder erneut dem Insassenraum zu dessen Beheizung zugeführt werden kann.DE 41 36 207 C1 describes a device for ventilation and air conditioning of rooms in armored vehicles described. There are chambers for electronic elements arranged separately from the passenger compartment, but in such a way that Air from the passenger compartment to cool the electronic Items dissipated into the aforementioned chambers and then either derived to the outside or again to the occupant's space Heating can be supplied.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahrzeuges unter optimaler Nutzung aller Wärmequellen zu schaffen.The object of the invention is now a device for interior heating of an electric vehicle under to create optimal use of all heat sources.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der eingangs genannte Kühlmittelweg Teil eines Flüssigkeitskühlkreislaufes mit eigener Umwälzpumpe ist, und daß parallel dazu ein gesonder ter, eine eigene Wärmequelle, in Form eines Wärmespeichers und/oder eines Erhitzers, aufweisender Flüssigkeitskreislauf mit separater Umwälzpumpe angeordnet ist, der über eine steuerbare Abzweigung, die am Kühlmittelkreislauf hinter den in Reihe schaltbaren Komponenten abzweigt, sowie eine Rück führleitung mit dem Kühlkreislauf verbunden ist.This task is the beginning of a device specified type solved in that the aforementioned Coolant path Part of a liquid cooling circuit own circulation pump, and that parallel to it a separate ter, its own heat source, in the form of a heat store and / or a heater, having a liquid circuit is arranged with a separate circulation pump, which has a controllable branch which is located on the coolant circuit behind the branches switchable components in series, as well as a back guide line is connected to the cooling circuit.

Bei der Erfindung wird gewährleistet,.daß die Abwärme des Kühlkreislaufes bei vergleichsweise hoher Temperatur an den Heizkreislauf übergeführt werden kann. Gleichzeitig läßt sich gewährleisten, daß aus dem Heizkreislauf keine Wärme an den Kreislauf verloren geht, da der Heizkreislauf gegebenenfalls vom Kühlkreislauf vollständig abgetrennt werden kann, wenn andernfalls ein Wärmestrom vom Heizkreislauf zum Kühlkreis lauf aufträte. Damit ist insbesondere gewährleistet, daß die eigene Wärmequelle des Heizkreislaufes optimal genutzt wird.The invention ensures that the waste heat of Cooling circuit at a comparatively high temperature on the Heating circuit can be transferred. At the same time ensure that no heat from the heating circuit to the Circuit is lost because the heating circuit may can be completely separated from the cooling circuit if otherwise a heat flow from the heating circuit to the cooling circuit running appearances. This ensures in particular that the own heat source of the heating circuit is used optimally.

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 erhöhtem Kühlbedarf einzelner Komponenten bei gleichzeitig geringerer Anforderung an die Fahrzeugheizung Rechnung betragen 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. with increased outside temperatures, an increased cooling requirement individual components with lower requirements to the vehicle heating bill.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention is as follows explained in more detail 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 Uberwachung 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 check 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 Signal leitungen 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 in series one after another exchanger through the heat 3.2 and 1 flows, so that the waste heat from 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

1.Device for the interior heating of an electric vehicle using the waste heat of a cooling system for electrical components of the vehicle drive, with a coolant path, to which the components are at least partially connected in series, wherein thermally less resilient components are arranged in the coolant path before thermally more resilient components, thereby characterized in that the aforementioned coolant path is part of a liquid cooling circuit with its own circulating pump ( 16 ), and that in parallel there is a separate liquid heating circuit with a separate circulating pump which has its own heat source in the form of a heater ( 25 ) and / or a heat accumulator ( 27 ) ( 22 ) is arranged, which can be connected to the cooling circuit via a controllable branch ( 19 ) which branches off behind the components ( 1 to 3 ) which can be connected in series on the cooling circuit, and a return line ( 21 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the cooling circuit can be switched to an operating mode with parallel cooling paths for the components (i to 4 ).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized, that particularly sensitive to heat at high outside temperatures Components a separate coolant path for low temperature can be switched on.