DE102014202006A1

DE102014202006A1 - Vorrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen und/oder Fahrzeugteilen

Info

Publication number: DE102014202006A1
Application number: DE102014202006.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen (10) und/oder Fahrzeugteilen (20; 24) mit wenigstens einem Peltierelement (22), das von wenigstens einem Wärmeträger angeströmt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Kreislauf wenigstens eines Wärmeträgers wenigstens eine Fahrzeugbatterie (40) angeordnet ist, deren Temperatur mittels des wenigstens einen Peltierelements (22) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen und/oder Fahrzeugteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeugs ist aus der EP 1 236 594 A2 bekannt. Hier ist ein Peltier-Kühlelement in einem im oder am Schiebedachrahmen angeordneten Luftkanal angeordnet
Aus der DE 36 39 089 A1 ist eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeugteils bekannt, das als Kühlbox ausgebildet ist. Dabei ist die warme Seite eines Peltierblocks wärmeleitend mit einem ersten Wärmetauscher verbunden. Der erste Wärmetauscher wird von einer Kühlflüssigkeit (bevorzugt Wasser mit Frostschutzmittel) mittels einer Umwälzpumpe zwangsdurchströmt. Im Flüssigkeitskreislauf ist ein dritter Wärmetauscher angeordnet, der die vom ersten Wärmetauscher aufgenommene Wärme – bei Bedarf unterstützt durch ein Gebläse – wieder abführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die eingesetzte Primär-Energie noch effizienter für eine Beheizung oder Kühlung eines Fahrzeugs oder eines Fahrzeugteils nutzt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Einbindung einer Fahrzeugbatterie in einen Wärmeträgerkreislauf ermöglicht es, die Fahrzeugbatterie in einem solchen Temperaturbereich zu halten, in dem diese ihre höchste Kapazität besitzt. Dadurch ist eine maximale Ausbeute der in der Fahrzeugbatterie gespeicherten Energie möglich. Die bei der Erzeugung des gewünschten Temperaturbereichs von der Fahrzeugbatterie abzuführende Abwärme kann auf der anderen Seite zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums oder eines Fahrzeugteils genutzt werden, wodurch der Einsatz von Primärenergie ebenfalls vermindert wird. Darüber hinaus wird die Lebensdauer von derartigen Fahrzeugbatterien durch ein dauerhaftes Betreiben im idealen Temperaturbereich wesentlich erhöht.
Das wenigstens eine Peltierelement ist bevorzugt in einem die Fahrzeugbatterie umgebenden Gehäuse angeordnet, das zumindest von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt wird. Die Anordnung in einem Gehäuse ermöglicht eine kompakte Anordnung der elektrischen Bauteile und deren sichere Abdichtung gegenüber dem flüssigen Wärmeträger. Die Anordnung in einem Gehäuse ermöglicht ferner das Vorsehen von Kanälen, die vom flüssigen Wärmeträger durchströmt sind, in unmittelbarer Nähe zu den Zellen der Fahrzeugbatterie, wodurch ein sehr guter Wärmeübergang und eine gleichmäßige Temperatur in der gesamten Fahrzeugbatterie erreicht wird. Die Kanäle können dabei bevorzugt auch in Zwischenräumen zwischen den Zellen angeordnet sein.
Durch das Einschalten wenigstens eines weiteren Wärmetauschers in den Kreislauf des Wärmeträgers ist sowohl eine Nutzung der Abwärme der Fahrzeugbatterie als auch eine Beheizung oder Kühlung der Fahrzeugbatterie durch den flüssigen Wärmeträger möglich, wodurch der Einsatz von elektrischer Energie an den Peltierelementen reduziert werden kann.
Die Durchflussmenge des wenigstens einen Wärmeträgers ist mittels wenigstens einer steuerbaren oder regelbaren Pumpe und/oder mittels wenigstens eines steuerbaren oder regelbaren Gebläses beeinflussbar.
Zur Beeinflussung der Temperatur des Wärmeträgers ist es weiterhin vorteilhaft, wenn im Kreislauf des Wärmeträgers wenigstens ein eine Bypassleitung steuerndes Ventil angeordnet ist. In der Bypassleitung ist bevorzugt wenigstens ein Wärmetauscher angeordnet oder die Bypassleitung umgeht wenigstens einen Wärmetauscher.
Die Fahrzeugbatterie wird bevorzugt von einer Hochleistungsbatterie, wie beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie gebildet. Derartige Batterien entwickeln ihre höchste Kapazität in einem sehr schmalen Temperaturbereich von beispielsweise etwa 18 °C bis 25 °C. Eine gleichmäßige Temperatur aller Zellen dieser Hochleistungsbatterien ist eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer. Diese wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet. Dabei wird bevorzugt die durch die Umgebung oder durch Fahrzeugaggregate bereitgestellte Temperatur des Wärmeträgers für eine Regulierung der Temperatur der Fahrzeugbatterie eingesetzt. Ein Beheizen oder Kühlen mittels der Peltierelemente erfolgt nur dann, wenn durch die bestehende Temperatur der Umgebung und/oder durch die relativ hohe Temperatur von anderen Fahrzeugaggregaten keine ausreichende Regulierung möglich ist. Der Einsatz elektrischer Primärenergie zur Regelung der Temperatur der Fahrzeugbatterie wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Die von der Batterie bei der Kühlung abgegebene Abwärme kann umgekehrt zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums oder eines Fahrzeugteils verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere in Verbindung mit einer Hochleistungsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs verwendbar.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeugs mit einer in einen Wärmeträgerkreislauf eingebundenen Fahrzeugbatterie;
2 eine von einem Gehäuse umgebene Fahrzeugbatterie;
3 einen von einem flüssigen Wärmeträger durchströmbaren und durch Peltierelemente beheizbaren oder kühlbaren Wärmetauscher;
4 eine alternative Ausführung eines von einem flüssigen Wärmeträger durchströmbaren und durch Peltierelemente beheizbaren oder kühlbaren Wärmetauschers;
5 eine weitere Alternative eines von einem flüssigen Wärmeträger durchströmbaren und durch Peltierelemente beheizbaren oder kühlbaren Wärmetauschers;
6 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer individuellen Klimatisierung der einzelnen Sitzplätze und
7 einen Teilquerschnitt durch einen dachnahen seitlichen Bereich des Innenraums eines Omnibusses.
Ein in 1 dargestellter Wärmeträgerkreislauf eines Fahrzeugs 10 weist vier Wärmetauscher 20 auf, die im Einzelnen mit 20A, 20B, 20C und 20D bezeichnet sind, und die durch ein Leitungssystem miteinander verbunden sind. Durch das Leitungssystem und die Wärmetauscher 20 strömt ein flüssiger Wärmeträger, der mittels einer Pumpe 30 durch das Leitungssystem gefördert wird. Mittels eines Ventils 32 kann eine Bypassleitung 34 teilweise oder vollständig auf- und zugesteuert werden, wodurch der in 1 rechts oben angeordnete erste Wärmetauscher 20A teilweise oder vollständig vom flüssigen Wärmeträger umgangen wird. In der Bypassleitung 34 kann optional ein weiterer Wärmetauscher 20D angeordnet sein.
Der in 1 links unten dargestellte dritte Wärmetauscher 20C wird – wie in 2 im Detail gezeigt – von einem Gehäuse 41 einer Fahrzeugbatterie 40 gebildet. Im Gehäuse 41 sind mehrere Zeilen 42 der Fahrzeugbatterie 40 mittels elektrischer Kontakte 44 zusammengeschaltet. Das Gehäuse 41 weist im oberen Teil einen Verteilungsraum 46 und im unteren Teil einen Sammelraum 48 auf. Der Verteilungsraum 46 ist auf der Eingangsseite mit einer Zufuhrleitung 26 des Flüssigkeitskreislaufs verbunden. Der Sammelraum 48 ist ausgangsseitig über eine Abfuhrleitung 28 mit dem Flüssigkeitskreislauf verbunden. Der Verteilungsraum 46 und der Sammelraum 48 sind über mehrere Kanäle 49 miteinander verbunden, die sich im Randbereich des Gehäuses 41, bevorzugt aber auch in den Zwischenräumen zwischen den Zellen 42 befinden können. Alle den flüssigen Wärmeträger führenden Räume 46, 48 und Kanäle 49 im Gehäuse 41 sind gegenüber den Räumen, die die Zellen 42 beherbergen, vollständig abgedichtet, so dass es zu keinem Eindringen von flüssigem Wärmeträger in die mit elektrischen Bauteilen (Zellen 42) oder mit Kontakten 44 bestückten Räume kommen kann.
Der in 1 rechts unten angeordnete zweite Wärmetauscher 20B ist vergrößert und teilweise aufgebrochen in 3 dargestellt. Dieser zweite Wärmetauscher 20B setzt sich zusammen aus einem Wasser-Wärmetauscher 24, einem Luft-Wärmetauscher 27 und einem zwischen diesen beiden angeordneten Träger 21, auf dem mehrere Peltierelemente 22 angeordnet sind. Der Wasser-Wärmetauscher 24 ist mit einer nicht dargestellten Zufuhrleitung 26 und einer Abfuhrleitung 28 in den Kreislauf des flüssigen Wärmeträgers eingebunden. Der Luft-Wärmetauscher 27 ist mit einem Gebläse 25 versehen. Ein mit Rippen versehener Kühlkörper 23 sorgt für eine gute Wärmeabfuhr vom Träger 21 auf der Kaltseite der Peltierelemente 22. Ebenso sorgt der Wasser-Wärmetauscher 24 für eine gute Wärmeabfuhr von den Peltierelementen 22 auf deren Heißseite.
In 4 ist eine Klimatisierungseinheit eines Personenkraftwagens schematisch dargestellt. Bei dieser ist ein Wasser-Wärmetauscher 24 mit Peltierelementen 22 versehen, durch die der flüssigen Wärmeträger wahlweise beheizt oder insbesondere gekühlt werden kann. Der flüssige Wärmeträger steht dann analog zur 1 wieder in Verbindung mit einem von einem Gehäuse 41 einer Fahrzeugbatterie 40 gebildeten weiteren Wärmetauscher 20C.
Der in 5 dargestellte Wärmetauscher 20 setzt sich zusammen aus einem Flüssigkeit-Wärmetauscher 24, einem Luft-Wärmetauscher 27 mit einem aus Rippen gebildeten Kühlkörper 23 und einem zwischen dem Flüssigkeits-Wärmetauscher 24 und dem Luft-Wärmetauscher 27 angeordneten Träger 21, auf dem zahlreiche Peltierelemente 22 angeordnet sind. Der Luftwärmetauscher 27 ist stirnseitig mittels eines Gebläses 25 beaufschlagbar.
In 6 ist ein als Personenkraftwagen ausgebildetes Fahrzeug 10 schematisch dargestellt, dessen Innenraum 12 im Bereich jedes der Fahrzeugsitze 14 mit einem mit Peltierelementen 22 versehenen Wärmetauscher 20 separat klimatisierbar ist. Die Wärmetauscher 20 sind über Luftkanäle 16 mit Ausströmern 18 verbunden, die im Dachbereich des Fahrzeugs 10 angeordnet sind. Über die Ausströmer 18 kann jeder Fahrgast auf jedem Fahrzeugsitz 14 individuell die für ihn angenehme Temperatur und Menge der ausströmenden Luft für sich einstellen. Die Wärmetauscher 20 können analog zur 1 in einen Wärmeträgerkreislauf des Fahrzeugs eingebunden sein, über den gleichzeitig die Fahrzeugbatterie in Ihrem bevorzugten Temperaturbereich gehalten wird. Die Wärmetauscher 20 können alternativ dazu aber auch ausschließlich über Peltierelemente 22 klimatisiert und durch kompakte Gebläse beaufschlagt werden, die die von den Peltierelementen 22 erwärmte oder abgekühlte Luft durch die Luftkanäle 16 zu den Ausströmern 18 fördern.
In 7 ist vergleichbar zur 6 eine Klimatisierungsvorrichtung für einen Omnibus vorgesehen. Im Dachbereich oberhalb der nicht dargestellten Fahrzeugsitze sind regulierbare Ausströmer 18 vorgesehen, die mit Luftkanälen 16 verbunden sind. Die Luftkanäle 16 sind mit einem Luft-Wärmetauscher 27 verbunden, der einen mit Rippen versehener Kühlkörper 23 aufweist, der mit der Kaltseite eines Peltierelements 22 verbunden ist. Das Peltierelement 22 ist auf seiner warmen Außenseite mit einem Flüssigkeits-Wärmetauscher 24 verbunden, der über eine Zufuhrleitung 26 und eine Abfuhrleitung 28 in einen Kreislauf eines flüssigen Wärmeträgers des Fahrzeugs eingebunden ist. Der Luft-Wärmetauscher 27 wird mit Frischluft und/oder Umluft entsprechend dem Pfeil L beaufschlagt. Die Luft kann durch den Luft-Wärmetauscher 27 und durch das Peltierelement 22 wahlweise erwärmt oder abgekühlt werden, wobei durch eine individuelle Ansteuerung des jeweiligen Peltierelements 22 über jedem Fahrzeugsitz die vom dort sitzenden Passagier gewünschte Temperatur individuell erzeugt werden kann. Die individuelle Klimatisierung jedes Fahrzeugsitz-Bereiches ist bei einem Omnibus auch dann besonders Energie sparend, wenn nur ein Teil der Sitze von Passagieren belegt ist. Bei einer herkömmlichen Aufdach-Klimaanlage eines Omnibusses wird dagegen auch bei nur wenigen Passagieren ständig eine Leistung von etwa 20 KW abgerufen, um den gesamten Innenraum abzukühlen, was zu einem stark erhöhten Primärenergieverbrauch führt.
Mit der in 1 dargestellten Vorrichtung sind mehrere Betriebsarten realisierbar. So kann in einer ersten Betriebsart für eine maximale Kühlung der Fahrzeugbatterie 40 der Wärmetauscher 20A mit in Betrieb befindlichem Gebläse und mit bestromten Peltierelementen 22 betrieben werden. Dabei ist zusätzlich auch der zweite Wärmetauscher 20B mit aktivierten Peltierelement 22 und laufenden Gebläse im Einsatz.
Für eine verminderte Kühlleistung wird in einer zweiten Betriebsart die Bestromung der Peltierelemente 22 des ersten Wärmetauschers 20A und/oder des zweiten Wärmetauschers 20B abgeschaltet. Das Ventil 32 steht bei diesen ersten beiden Betriebsarten in voller Durchflussstellung von der Pumpe 30 in Richtung zum ersten Wärmetauscher 20A.
In einer dritten Betriebsstellung wird die Abwärme der Fahrzeugbatterie 40 zum beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt. Dabei sind die Peltierelemente 22 am ersten Wärmetauscher 20A und am zweiten Wärmetauscher 20B abgeschaltet. Das Ventil 32 kann dabei wahlweise einen Teil der Masse des flüssigen Wärmeträgers oder auch die vollständige Menge des flüssigen Wärmeträgers über die Bypassleitung 34 und den vierten Wärmetauscher 20D leiten. Dabei kann der vierte Wärmetauscher 20D je nach Bedarf zur Wärmeentnahme aktiviert werden oder umgangen werden, wodurch sich eine vierte und fünfte Betriebsstellung ergeben..
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Innenraum
14: Fahrzeugsitz
16: Luftkanal
18: Ausströmer
20: Wärmetauscher
21: Träger
22: Peltierelement
23: Kühlkörper
24: Wasser-Wärmetauscher
25: Gebläse
26: Zufuhrleitung
27: Luft-Wärmetauscher
28: Abfuhrleitung
29: Gehäuse
30: Pumpe
32: Ventil
34: Bypassleitung
40: Fahrzeugbatterie
41: Gehäuse
42: Zelle
44: Kontakt
46: Verteilungsraum
48: Sammelraum
49: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1236594 A1 [0002]
DE 3639089 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen (10) und/oder Fahrzeugteilen (20; 20A, 20B, 20C, 20D) mit wenigstens einem Peltierelement (22), das von wenigstens einem Wärmeträger angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kreislauf wenigstens eines Wärmeträgers wenigstens eine Fahrzeugbatterie (40) angeordnet ist, deren Temperatur mittels des wenigstens einen Peltierelements (22) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Peltierelement (22) in einem die Fahrzeugbatterie (40) umgebenden Gehäuse (41) angeordnet ist, das zumindest von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (40) Zellen (42) aufweist, nahe denen wenigstens ein von einem Wärmeträger durchströmter Kanal (49) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (49) in Zwischenräumen zwischen den Zellen (42) angeordnet sind..
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf des Wärmeträgers wenigstens ein weiterer Wärmetauscher (20; 20A, 20B, 20C, 20D) eingeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des wenigstens einen Wärmeträgers mittels wenigstens einer steuer- oder regelbaren Pumpe (30) und/oder wenigstens einem steuer- oder regelbaren Gebläse (25) beeinflussbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf des Wärmeträgers wenigstens ein eine Bypassleitung (34) steuerndes Ventil (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (40) von einer Lithium-Ionen-Batterie gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (40) mittels einer Regelung des Wärmeträgerstromes und/oder einer Leistungsregelung mehrerer Peltierelemente (22) in allen Bereichen auf einer zumindest annähernd gleichen Temperatur gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (40) mittels des Wärmeträgers und/oder mittels des Peltierelements (22) beheizbar oder kühlbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Fahrzeugbatterie (40) zur Beheizung des Fahrzeugs (10) nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ist.