SE1930245A1 - Förbättrad energieffektivitet hos elfordon genom förbättrad funktion i fordonens klimatanläggning, HVAC - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning ökar ett fordons energieffektivitet genom att styra utflödet av luft vid ventilation av fordonets innerutrymmen och ta tillvara energin i den luft som ventileras ut genom att låta den passera en värmeväxlare för energiöverföring till fordonets energisystem.Energiöverföringen medför en reell energibesparing hos fordonet vilket leder till att i första hand helt eldrivna fordon får en förbättring av sin energiprestanda men även delvis eldrivna fordon, såsom hybridfordon, får en förbättrad energiprestanda.Energiöverföringen är speciellt förmånligt för helt batteridrivna fordon där utöver en förbättrad energiprestanda också fordonets räckvidd mellan laddningar avsevärt förbättras.För att på ett effektivt sätt kunna styra utflödet av luft vid ventilation bör det ventilerade utrymmet ha största möjliga täthet och med en hög grad av lufttäthet tillsammans med ett effektivt nyttjande av värmepumpsteknik, kan ett batteridrivet elfordon ges mycket bra prestanda både under kalla vinterdagar och varma sommardagar, med i det närmaste full räckvidd även vid mycket höga eller mycket låga omgivningstemperaturer.

Description

Förbättrad energieffektivitet hos elfordon genom förbättradfunktion i fordonens Klimatanläggning, HVAC Tekniskt område Föreliggande uppfinning medför att ett elektriskt fordon, en 'Battery Electric Vehicle”(BEV), ett bränslecellsfordon, en ”Hybrid Electric Vehicle” (HEV), en elbil, kan minskasin energiförbrukning när någon av fordonets delar eller utrustning behöver värmas ellerkylas, eller när någon temperatur i något av fordonets innerutrymmen behöver reglerasuppåt eller nedåt.

För ett batteridrivet fordon kan föreliggande uppfinning dessutom minska känslighetenför reducerad batteri-räckvidd i samband med att någon temperaturi något av fordonetsinnerutrymmen behöver regleras uppåt eller nedåt.

Föreliggande uppfinning medför en återvinning av det vid varje tillfälle uppnåddatemperaturen genom att största möjliga andel av den genom ventilation förlorade kylaneller förlorade värmen återförs till fordonet.

Föreliggande uppfinning medför ett minskat behov av elektriskt tillförd elektrisk energi för temperaturreglering inne i något av fordonets inre utrymmen.

Teknikens ståndpunkt Idag används värmepumpteknik för ett fordons anpassning av klimatet inne i fordonetoch både överskottsvärme och underskottsvärme växlas genom värmepumpsteknik.Underskottsvärme växlas genom värmepumpen med såväl luften utanför fordonet sommed den överskottsvärme som produceras i fordonets batterier och elektriskautrustning. Överskottsvärme växlas genom värmepumpen med luften utanför fordonet.

Patent US2019009635(A1) -HEATING, VENTILATION, AND AIR CONDITIONINGSYSTEM FOR VEHICLE - diskuterar området men inget nämns om energiutbyte frånuppnådd temperatur inne i ett fordon till fordonets energisystem.

Patent CN208078134 (U) - Car thermal automobile - diskuterar området men inget nämns om energiutbyte från uppnådd management system and new energy temperatur inne i ett fordon till fordonets energisystem.

Patent US2013030622 (A1) - SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING WASTEHEAT OF ELECTRIC VEHICLE - diskuterar området men inget nämns om energiutbytefrån uppnådd temperatur inne i ett fordon till fordonets energisystem.

Patent CN204424407 (U) - Flow disturbing type electric car heat exchanger - diskuterarområdet men inget nämns om energiutbyte från uppnådd temperatur inne i ett fordon tillfordonets energisystem.

Patent CN205970883 (U) - Car thermal management system and electric automobile -diskuterar området men inget nämns om energiutbyte från uppnådd temperatur inne iett fordon till fordonets energisystem.

Patent CN208263921 (U) - New energy automobile thermal management system -diskuterar området men inget nämns om energiutbyte från uppnådd temperatur inne i ett fordon till fordonets energisystem.

Problemlösning Föreliggande uppfinning löser problemen med känd teknik genom att uppfinningen harde i de efterföljande patentkraven angivna särdragen.

Föreliggande uppfinning ökar ett fordons energianläggnings verkningsgrad genom attdra nytta av den innetemperatur som en klimatanläggning åstadkommit vi varje enskildtidpunkt och åstadkommer över tid.

Föreliggande uppfinning löser problemet att vid låga omgivningstemperaturer fordonetstillgängliga överskottsvärme inte är tillräcklig för att med hjälp av värmepump bibehållaett varmt klimat inne i fordonet. Nämnda överskottsvärme är värme som produceras avolika typer av elektrisk utrustning såsom elmotorer och olika typer av styrsystem, och förbatteridrivna elfordon av deras batterier, eller överskottsvärme från annan tekniskutrustning.

För klimatanläggningar med värmepumpsystem som vid uppvärmning avinnerutrymmen utnyttjar omgivande luft för förgasningen av sitt köldmedium, ärverkningsgraden hos nämnda värmepumpsystem låg vid låga omgivningstemperaturer,och den önskade värmeproduktionen drar vid sjunkande omgivningstemperatur allt merelektrisk energi. Med föreliggande uppfinning ges en ny källa med restvärme förfordonets värmepumpsystem och en hög verkningsgrad kan till stor del bibehållas ävenvid extremt låga omgivningstemperaturer.

När nämnda värmepumpsystem utnyttjas för kylning av nämnda innerutrymmen krävertraditionell teknik hög tillgång till energi när varm omgivningsluft ska kylas samtidigt somredan kyld luft inte tas tillvara för ändamålet. Med föreliggande uppfinning ges en nykälla med värmeväxling mot den redan kylda luft som ventileras ut, vilket ger en ökadtotal energieffektivitet hos fordonets klimatanläggning och en hög energieffektivitet kanbibehållas även vid extremt höga omgivningstemperaturer. Föreliggande uppfinninglöser problemet att den kyla som traditionell teknik producerar kräver mer tillfördelektrisk energi när nämnda teknik med luft-luft värmepump endast växlar energi medden varma omgivnings-luften i stället för att också utnyttja den redan nerkylda inne-luften.

Föreliggande uppfinning löser problemet att ett fordons otätheter nyttjas för ventileringav innerutrymmen vilket medför att det sker en kontinuerlig utjämning mellanomgivningstemperaturen och nämnda fordons innetemperatur med efterföljandeenergiförluster som resultat, och dessa energiförluster väntas minska närenergisystemet kräver en energiväxling mellan den luft som ventileras ut och fordonetsklimat- eller energisystem. Föreliggande uppfinning ger ökad energieffektivitet med väntad ökning av lufttäthet hos skalen runt innerutrymmen och med tätare skal runt innerutrymmen fås dessutom minskning av fria luftflöden såväl mellan olikainnerutrymmen som mellan innerutrymmen och omgivningen, vilket bidrar till enminskning av oönskade energiflöden vilket resulterar i minskade energiförluster ochminskat behov av tillförd elektrisk energi.

Föreliggande uppfinning ökar tillgången på värmeenergi för uppvärmning av ett fordonstill tillgänglig överskottsvärme från ett fordons tekniska och elektriska system kompletteras med innerutrymmen med hjälp av värmepump genom att tillgången tillskott av värmeenergi från redan uppvärmda innerutrymmen.

Utveckling av energieffektivare batteriteknik väntas ge nya batterier med lägre inreresistans och med detta följer lägre förluster och minskad värmeproduktion medtill innerutrymmen eller teknisk utrustning. Föreliggande uppfinning minskar behovet av minskad tillgång överskottsvärme som kan utnyttjas vid uppvärmning av tillgång till restvärme från batterier för uppvärmning av innerutrymmen.

F'gurförteckning Figur 1: Föreliggande uppfinning i en utformning med energiväxling med avseende påluft som ventileras ut från ett fordons innerutrymme samt ersättningsluft utifrån.

Figur 2: Föreliggande uppfinning i en utformning med energiväxling med avseende påluft som ventileras ut från ett fordons innerutrymme.

Figur 3: Föreliggande uppfinning placerad i en utformning av en klimatanläggning hosett batteridrivet elfordon.

Figur 4: Föreliggande uppfinning placerad i en annan utformning av enklimatanläggning hos ett batteridrivet elfordon.

Figur 5: Föreliggande uppfinning i en utformning av inställningen kupeuppvärmningoch batteriuppvärmning.

Figur 6: Föreliggande uppfinning i en utformning av inställningen kupeuppvärmningoch batterikylning.

Figur 7: Föreliggande uppfinning i en utformning av inställningen kupekylning ochbatteriuppvärmning.

Figur 8: Föreliggande uppfinning i en utformning av inställningen kupekylning och batterikylning.

Detalierad beskrivninq av uppfinningen Föreliggande uppfinning tar tillvara energin i den luft som ventileras ut från ett fordonsinnerutrymme genom att låta nämnda luft passera genom en värmeväxlare förenergiöverföring, nämnda värmeväxlare kan i en utformning kopplas förenergiöverföring till inkommande luft för ett innerutrymmes klimatanläggning, och i enannan utformning kopplats för energiöverföring till inkommande luft i en eller flera avnämnda fordons klimatanläggningar, och i en annan utformning kopplas förenergiöverföring mellan olika energisystem i eller i anslutning till nämnda fordon.Nämnda värmeväxlare kan kopplas till en eller flera värmepumpar för ökadverkningsgrad. Med energiöverföring mellan utgående och inkommande luft i enklimatanläggning utan nyttjande av värmepump fås en reell energibesparing eftersomnämnda innerutrymmes vid varje tillfälle uppnådda temperatur värmeväxlas med deninkommande luftens temperatur, och om utgående luftflöde är samma som inkommandeluftflöde kan teoretiskt upp emot 50% av energiinnehållet växlas mellan de bådaflödena. Vid uppvärmning av ett innerutrymme med hjälp av värmepumpsteknik fås vidförgasningen av köldmediet en nedkylningen av värmeväxlaren för förgasningen ochmed nyttjande av föreliggande uppfinning kan nämnda värmeväxlare hållas frostfri ävenvid mycket låga omgivningstemperaturer, och en frostfri värmeväxlare behöver inte avfrostas vilket ytterligare ökar anläggningens verkningsgrad.

Föreliggande uppfinning kan beskrivas som en del av ett fordons energianläggningbestående av en eller flera värmeväxlare som tillsammans med en eller fleravärmepumpar växlar värmeenergi från ett fordons klimatområden till ett fordons olikadelar och klimatområden.

Föreliggande uppfinning medför ökad energieffektivitet genom förbättrat nyttjande avden innetemperatur som ett fordons klimatanläggning åstadkommer över tid. Nämndafordon kan kan i en utformning vara utrustat med en enskild klimatanläggning, och i enannan utformning vara utrustat med fler än en klimatanläggningar som kan varasammankopplade.

Den energiväxling som föreliggande uppfinning medför kan i en utformning utgöras avatt hela eller en del av luften i ett fordons innerutrymmen ventileras ut genom envärmeväxlare för energiväxling med hjälp av en värmepump, och i en annan utformningutgöras av att hela eller en del av nämnda luft ventileras ut genom en värmeväxlare förenergiväxling där värmeenergin växlas direkt mellan den utgående luften och den inkommande ersättningsluften, och i en annan utformning av olika kombinationer av direkt energiväxling mellan utgående och inkommande luft tillsammans med nyttjandeav utgående luft för energiväxling i en värmepump.

Utventilerad lufts energiväxling kan avse såväl varmare luft med ett högre energiinnehållsom kallare luft med ett lägre energiinnehåll.

Föreliggande uppfinning kan ingå i ett fordons klimatanläggning som i en utformning kanvara avsedd att åstadkomma ett klimat lämpligt för människor och djur, och i en annanutformning ett klimat lämpligt för förvaring av färska matvaror, och i en annan utformningett klimat lämpligt för djupfrysta produkter, och i en annan utformning ett klimat lämpligtför uppvärmda produkter, och i en annan utformning ett klimat lämpligt för andraändamål, och i en annan utformning vara avsedd att åstadkomma olika klimat för olikaområden i ett fordon.

Nämnda klimatanläggning kan i en utformning reglera klimatet i ett eller flerapersonutrymmen, och i en annan utformning reglera klimatet i ett annat utrymme medbehov av egen luft eller annan temperatur, och i en annan utformning av en kombinationav nämnda personutrymmen och nämnda annat utrymme.

Nämnda utrymmen kan i en utformning utgöras av ett eller flera passagerarutrymmen iett fordon, och i en annan utformning utgöras av eller kompletteras med ett annatutrymme för personer eller djur, och i en annan utformning utgöras av ett annattempererat utrymme, och i en annan utformning utgöras av en kombination av nämnda utrymmen.

Föreliggande uppfinning kan i en utformning utgöra hela energiåtervinningen i ettfordon, och i en annan utformning utgöra en eller flera delar av ett fordonsenergiåtervinning. Nämnda energiåtervinning kan utgöra hela eller en del av nämndafordons energianläggning. Nämnda energianläggning kan i en utformning vara avseddatt värma respektive kyla såväl innerutrymmen som olika delar i nämnda fordon.Nämnda delar kan i en utformning utgöras av batterier, och i en annan utformningutgöras av en eller flera elektriska motorer, och i en annan utformning utgöras avbränsleceller, och i en annan utformning utgöras av styrutrustning, och i en annanutformning utgöras av styr- och reglerutrustning, och i en annan utformning av annanelektronisk eller teknisk utrustning, och i en annan utformning av en kombination av ovanstående nämnda delar.

Föreliggande uppfinning tar tillvara luftens energiinnehåll i ett fordons innerutrymmennär luft ventileras ut från nämnda innerutrymmen och nämnda lufts energiinnehåll utnyttjas för energiväxling med nämnda fordons energisystem. Nämnda energisystem kan i en utformning vara en Klimatanläggning i nämnda fordon, och i en annanutformning kan vara teknisk eller annan utrustning som befinner sig i eller i anslutning tillnämnda fordon, och i en annan utformning en eller flera klimatanläggningar tillsammansmed teknisk eller annan utrustning som befinner sig i eller i anslutning till nämndafordon. Benämningen ”i anslutning till” kan i en utformning hänvisa till utrustning hoseller i eller på ett tillkopplat släpfordon, och i en annan utformning vara utrustning på enplats där nämnda fordon står uppställt exempelvis i samband med batteriladdning ellerär parkerat. Nämnda energiväxling skeri en värmeväxlare som i en utformning användssom värmeväxlare, och i en annan utformning används som kondensator respektiveförgasare i en värmepump, och i en annan utformning som en kombination avvärmeväxlare och kondensator respektive förgasare i en värmepump. Nämndavärmeväxlare kan i en utformning växla energi med inkommande luft, och i en annanutformning växla energi med en eller flera av nämnda fordons tekniska eller annanutrustning, och i en annan utformning växla energi med en kombination av inkommandeluft och en eller flera av nämnda fordons tekniska eller annan utrustning. Nämndaannan utrustning kan innefatta mekanisk utrustning såsom bromsutrustning eller annan utrustning som kan komma att producera värmeenergi.

Figur 1, figur 2: Åskådliggörande av föreliggande uppfinning Föreliggande uppfinning kan i en utformning åskådliggöras enligt figur 1 enligt följande:Luften i ett fordons innerutrymme (6) kan cirkuleras (3). Den nämnda luften kanefterhand bytas ut mot frisk luft och en delmängd ventileras ut (4) genom envärmeväxlare (1) kopplad för energiutbyte (9) med nämnda fordons energisystem (8).Nämnda energisystem kan i en utformning utgöras av en värmepumpsbaseradklimatanläggning och inkommande frisk luft energiväxlas i klimatanläggningensvärmeväxlare (2) för inkommande luft (5). De båda värmeväxlarna (1, 2) kan i enutformning vara skilda åt och i en annan utformning vara fysiskt sammankopplade (7).Nämnda energisystem kan i en annan utformning utgöras av en mer komplexanläggning innefattande energiväxling mellan klimatanläggningar, batterier,bränsleceller, el-motorer, elektronikenheter och andra enheter i eller i anslutning tillnämnda fordon.

Föreliggande uppfinning kan i en annan utformning åskådliggöras enligt figur 2 enligtföljande: Luften i ett fordons innerutrymme (6) kan cirkuleras (3). Den nämnda luftenkan efterhand bytas ut mot frisk luft och en delmängd ventileras ut (4) genom envärmeväxlare (1) kopplad för energiutbyte (9) med nämnda fordons energisystem (8).

Nämnda energisystem kan utgöras av en värmepumpsbaserad anläggning innefattande energiväxling mellan en eller flera klimatanläggningar, batterier, bränsleceller, el-motorer, elektronikenheter och andra enheter i eller i anslutning till nämnda fordon.Figur3 och 4: Åskådliggörande av ett användande av föreliggande uppfinningplacerad i ett ba tteridrivet elfordons klimatsystem Föreliggande uppfinning kan i en utformning gällande ett batteridrivet elfordon beskrivassom en del av detta fordons energianläggning innefattande en värmepump som genomnyttjande av ett vid normaltemperatur gasformigt köldmedium växlar värmeenergimellan ett fordons innetemperatur, batteritemperatur, temperaturen hos elmotorer,temperaturen hos styrelektronik, temperaturen hos styr- och reglerutrustning,temperaturen hos annan teknisk utrustning och luftens temperatur utanför nämndafordon (figur 3, figur 4).

En kompressor (11) komprimerar köldmediet till högt tryck för uppvärmning genomkondensering för att efter att ha passerat en tryckreduceringsventil (12) ge nedkylninggenom förgasning. Flödet styrs av ventiler som kan utgöras av en komplexmultifunktionsventil (13) eller av flera ventilpaket (14A, 14B), eventuellt i kombinationmed en eller flera enskilda ventiler.

Flödena kan styras för uppvärmning eller kylning av kupen (15) respektive föruppvärmning eller kylning av batterierna (16), samtidigt som elektroniken (17) alltid kan ges kylning och energiinnehället i den luft som ventileras (18) ut alltid kan tas tillvara.

Figur 5: Åskådliggörande av ett användande av föreliggande uppfinningplacerad i ett batteridrivet elfordons klimatsystem med inställningen kupévärmeoch batteriuppvärmning För tydlighetens skull relateras ventiler till ventilpaket 14A respektive 14B i figur 4.

Efter kompression delas köldmediet upp i två vägar för uppvärmning av kupe (15)respektive batterier (16) innan det når deras gemensamma nod tryckreduceringsventil(12). Kupeslinga är kompressor (11), ventil (14A), kupe (15), tryckreduceringsventil (12).Batterislinga är kompressor (11), ventil (14A), batteri (16), ventil (14B),tryckreduceringsventil (12).Efter tryckreducering delas köldmedlet upp i två vägar för kylning av elektronik (17)respektive energiväxling ventilerad luft (18) innan det när deras gemensamma nodkompressorn (11). Elektronikslinga är tryckreduceringsventil (12), ventil (14B), elektronik(17), kompressor (11). Slinga energiväxling ventilerad luft är tryckreduceringsventil (12), ventilerad luft (18), ventil (14A), kompressor (11).

Figur 6: Åskådliggörande av ett användande av föreliggande uppfinningplacerad i ett batteridrivet elfordons klimatsystem med inställningen kupévärmeoch kylning av batterier För tydlighetens skull relateras ventiler till ventilpaket 14A respektive 14B i figur 4.

Efter kompression leds köldmediet från kompressor (11) via ventil (14A) i serie medkupé (15) till tryckreduceringsventil (12).

Efter tryckreducering delas köldmediet upp i de tre vägarna för 1) kylning av elektronik(17), 2) kylning av batterier (16) respektive 3) energiväxling av ventilerad luft (18), innandet (11).tryckreduceringsventil (12), ventil (14B), elektronik (17), kompressor (11). Batterislinga när deras gemensamma nod kompressor Elektronikslinga ärär tryckreduceringsventil (12), ventil (14B), batteri (16), ventil (14A), kompressor (11).Slinga energiväxling ventilerad luft är tryckreduceringsventil (12), ventilerad luft (18), ventil (14A), kompressor (11).

Figur 7: Åskådliggörande av ett användande av föreliggande uppfinningplacerad i ett batteridrivet elfordons klimatsystem med inställningen kupékylaoch batteriuppvärmning För tydlighetens skull relateras ventiler till ventilpaket 14A respektive 14B i figur 4.

Efter kompression delas köldmediet upp i två vägar för uppvärmning av batterier (16)respektive uppvärmning av enheten för ventilerad luft (18), innan det när derasgemensamma nod tryckreduceringsventil (12). Batterislinga är kompressor (11), ventil(14A), batteri (16), ventil (14B), tryckreduceringsventil (12). Slinga ventilerad luft ärkompressor (11), ventil (14A), ventilerad luft (18), tryckreduceringsventil (12).

Efter tryckreducering delas köldmediet upp i två vägar för kylning av elektronik (17),respektive kylning av kupé (15), innan det när deras gemensamma nod kompressor(11). Elektronikslinga är tryckreduceringsventil (12), ventil (14B), elektronik (17),kompressor (11). Kupéslinga är tryckreduceringsventil (12), kupé (15), ventil (14A), kompressor (11).

Figur 8: Åskådliggörande av ett användande av föreliggande uppfinningplacerad i ett batteridrivet elfordons klimatsystem med inställningen kupékylaoch kylning av batterier För tydlighetens skull relateras ventiler till ventilpaket 14A respektive 14B i figur 4.

Efter kompression leds köldmediet för hantering av värmeöverskott genom uppvärmningav enheten för ventilerad luft (18). Slingan är kompressor (11), ventil (14A), ventilerad luft (18), tryckreduceringsventil (12).

Efter tryckreducering delas köldmedlet upp i tre vägar för kylning, 1) kylning avelektronik (17), 2) kylning av batterier (16), 3) kylning av kupe (15), innan det när derasgemensamma nod kompressor (11). Elektronikslinga är tryckreduceringsventil (12),ventil (14B), elektronik (17), kompressor (11). Batterislinga är tryckreduceringsventil5 (12), ventil (14B), batterier (16), ventil (14A), kompressor (11). Kupeslinga ärtryckreduceringsventil (12), kupe (15), ventil (14A), kompressor (11).

Claims (1)

1. Energieffektivisering i ett fordon genom energiväxling k ä n n e t e c k n a d a vatt nämnda energiväxling sker genom att luft som ventileras ut från ett utrymme inämnda fordon växlar energiinnehåll med hela eller delar av nämnda fordonsenergisystem. Energieffektivisering enligt k r a v 1 k ä n n e t e c k n a d a v att nämndaenergisystem i en utformning kan utgöras av endast inkommande ersättningsluft,och i en annan utformning även kan innefatta utvalda delar av nämnda fordons olikatekniska system som kan ha behov av uppvärmning respektive kan komma att producera värme. 11