DE19745167A1 - Anordnung mit einer Stirlingmaschine - Google Patents

Anordnung mit einer Stirlingmaschine

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DE19745167A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem Fahrgastraum und mit einer Stirlingmaschine, welche mit einem Generator verbunden ist, wobei die Stirlingmaschine einen Hitzkopf und einen Kühler aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Stirlingmaschine in einem Kraftfahrzeug mit Fahrgastraum, insbesondere in einem Elektrofahrzeug.
Stirling-Stromaggregate werden insbesondere zur Reichweitenerhöhung von batteriebe­ triebenen Elektrofahrzeugen oder als Direktantrieb, beispielsweise in Kraftfahrzeugen (DE 24 21 398 C2 ), verwendet. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß der Hitzkopf der Stirling- Maschine mittels eines Brenners mit Wärmeenergie versorgt wird, so daß die Stirlingma­ schine Arbeit leistet.
Aus der DE 41 32 939 A1 ist die Verwendung eines Stirlingmotors für die Klimatisierung eines Fahrgastinnenraumes eines Elektrofahrzeuges bekannt. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Stirlingmotor ein zusätzliches Bauelement mit allen Nachteilen von zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Gewicht ist.
Die DE 32 27 643 A1 beschreibt eine Stirlingmaschine für ein Hausenergiesystem oder ein Kühlfahrzeug, die mit einem Generator verbunden ist und wahlweise als Stromerzeuger, Kühler oder Heizer verwendet wird. Aus der DE 35 00 124 A1 ist ferner eine dezentrale Versorgungseinheit mit einem Stirlingmotor und einer Vuilleumier-Wärmepumpe bekannt, welche elektrische Energie liefert und/oder Wärme bzw. Kälte erzeugt. Diese Anordnungen sind jedoch aufwendig und platzraubend, so daß ein Einsatz in Kraftfahrzeugen nicht wirtschaftlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei auf einfache Art und Weise in einem Kraftfahrzeug eine Wärme- bzw. Kälteerzeugung ohne zusätzliche Bauteile und kostengünstig realisiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der obengenannten Art mit den in Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Schritten, durch eine Anordnung mit den in Anspruch 12 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch eine o.g. Verwendung einer Stirlingmaschine gemäß den in Anspruch 11 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Dazu sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:
Entweder
  • (a) Betreiben der Stirlingmaschine als Motor für den Generator zum Stromerzeugen, und
  • (b) Ableiten von Wärmeenergie von der Stirlingmaschine in den Fahrgastraum zum Heizen desselben mittels eines Kühlmittelkreislaufes, welcher mit dem Kühler der Stirlingmaschine verbunden ist; oder
  • (a) Betreiben der Stirlingmaschine als Wärmepumpe, und
  • (b) Ableiten von Kälteenergie von der Stirlingmaschine in den Fahrgastraum und/oder zu einer Traktionsbatterie mittels eines Kühlmittelkreislaufes, welcher mit dem Kühler der Stirlingmaschine verbunden ist.
Dies hat den Vorteil, daß ein und dasselbe Bauelement, nämlich die Stirlingmaschine mit Generator sowohl zur Stromerzeugung als auch Wärme- und/oder Kälteerzeugung für den Fahrgastinnenraum und/oder für eine Traktionsbatterie dient. Dies spart zusätzliche Bauele­ mente, Komponenten, Bauraum und senkt Herstellungskosten.
In besonders vorteilhafter Weise ist dabei währen einer Standphase das Fahrzeug mit einer Festnetzstromversorgung verbunden, welche die Energie für den Antrieb der Stirlingma­ schine und für eine Aufladung der Traktionsbatterie liefert. Dies hat den Vorteil, daß Fahrzeugklimatisierung und Ladevorgang aufeinander abgestimmt ausgeführt werden können.
Eine erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittelkreislauf mit dem Kühler der Stirlingmaschine und einem Wärmetauscher für den Fahrgastraum und/oder einem Wärmetauscher für die Traktionsbatterie verbunden ist.
In einer erfindungsgemäßen Verwendung einer Stirlingmaschine ist es vorgesehen, daß die Stirlingmaschine zur Stromerzeugung und/oder zur Kälte- und/oder Wärmeerzeugung für die Klimatisierung des Fahrgastraumes und/oder für die Kühlung bzw. Heizung der Traktions­ batterie dient.
Die vorgenannte Anordnung und Verwendung haben den Vorteil eines einfachen und damit kostengünstigen Aufbaus, welcher ohne große Schwierigkeiten auch nachgerüstet werden kann. Ferner kommt einem Bauelement ein Mehrfachnutzen, nämlich Stromerzeugung, Wärme- und/oder Kälteerzeugung zu, was Bauraum und Kosten einspart.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung.
Diese zeigt in einem Blockschaltbild eine Anordnung für ein Elektrofahrzeug mit einer Stirlingmaschine.
Eine Traktionsbatterie 22 versorgt ein nicht dargestelltes Antriebsaggregat mit elektrischer Energie. Die Traktionsbatterie 22 wird von einem Ladegerät 40 aus einer Netzspannung, beispielsweise 240 V, 50 Hz, über Stromleitungen 50, 52 geladen. Der Traktionsbatterie 22 ist ferner ein Wärmetauscher 20 mit einer Lüfteranordnung 46 zur Regelung der Temperatur T1 der Traktionsbatterie 22 zugeordnet.
Eine Stirlingmaschine 10 mit einem Hitzkopf 32 und einem Kühler 16 wird von einem Brenner 26 angetrieben. Der Brenner 26 hat eine Kraftstoffversorgung 24 und eine Luftver­ sorgung 28 mit einem Ventilator. Eine Anordnung 30 aus Zylinder, Kolben und Triebwerk der Stirlingmaschine ist mit einem Generator 12 verbunden.
Der Kühler 16 ist mit einem Kühlkreislauf 14 verbunden. Dieser Kühlkreislauf hat ferner Verbindung mit einem Wärmetauscher 18 mit Lüfteranordnung 44 für den Fahrgastraum, dem Wärmetauscher 20 für die Traktionsbatterie und einem Hauptkühler 56 mit Lüfteran­ ordnung 54. Dies ermöglicht eine flexible Ab- bzw. Umleitung von Wärme- oder Kälteenergie innerhalb des Kühlkreislaufes 14 oder an die Umgebungsluft mit der Temperatur T3. Ventile 62, 64 und 66 steuern den Fluß von Kühlmittel in dem Kühlkreislauf 14.
Der Generator 12 wird einerseits von der Stirlingmaschine 10 über einen Antriebsstrang 58 angetrieben und liefert über einen Halbleiterschalter 36, Leitungen 50, 52 und einer Strom­ meßeinrichtung 60 Ladestrom an die Traktionsbatterie 22. Dies bewirkt, daß sich der Kühler 16 der Stirlingmaschine 10 erwärmt und der Kühlkreislauf 14 Wärme vom Kühler 16 abtransportiert. Diese Wärme kann nun einerseits über Ventil 64, Wärmetauscher 18 und Lüfteranordnung 44 zum Heizen des Fahrgastinnenraumes (nicht dargestellt) auf eine vorbestimmte Temperatur T2 dienen. Ferner kann über Ventil 62, Wärmetauscher 20 und Lüfteranordnung 46 die Traktionsbatterie 22 erwärmt werden. Dies ist beispielsweise im Winterbetrieb, bei niedrigen Temperaturen T3 von Vorteil. Schließlich kann jedoch auch die gesamte Wärme an die Umgebungsluft mit der Temperatur T3 über des Ventil 66, Wärmetauscher 56 und Lüfteranordnung 54 abgegeben werden.
Bei Verwendung von direkt flüssigkeitsgekühlten Batterien entfällt die Lüfteranordnung 46 und/oder der Wärmetauscher 20.
Die Stromerzeugung durch den Generator 12 in dieser Betriebsart führt zu einer Reich­ weitenvergrößerung des Elektrofahrzeuges und dient gleichzeitig als Standheizung oder Heizaggregat während des normalen Fahrbetriebs.
Andererseits kann jedoch auch der Halbleiterleistungsschalter 36 Strom von der Traktions­ batterie 22 an den Generator 12 geben, so daß dieser als Antriebsmotor für die Stirling­ maschine arbeitet. Nunmehr wird der Hitzkopf 32 erwärmt und der Kühler 16 abgekühlt. Der Brenner 26 ist hierbei natürlich ausgeschaltet. Der Kühlmittelkreislauf 14 transportiert nun­ mehr Kälteenergie von dem Kühler 16 ab. Diese Kälteenergie kann jetzt, wie in vorgenannter Weise, am Wärmetauscher 18 für den Fahrgastraum zur Klimatisierung und/oder am Wärmetauscher 20 zur Kühlung der Traktionsbatterie 22 verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Kälteenergie über Wärmetauscher 56 an die Umgebung abzugeben.
In dieser Betriebsart arbeitet die Stirlingmaschine als Wärmepumpe, z. B. durch Drehrich­ tungsumkehr. Dem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 14 wird von Kühler 16 Wärme entzogen und dem Hitzkopf 32 zugeführt. Im Netzbetrieb, also bei wirkungsgemäßem Anschluß der Leitungen 50, 52 an ein Stromnetz 42, wird wahlweise der Fahrgastraum und/oder die Trak­ tionsbatterie 22 gekühlt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Traktionsbatterie 22 nicht oberhalb einer vorbestimmten Temperatur geladen werden kann oder darf.
Ist also das Fahrzeug mit dem Versorgungsnetz 42 verbunden, liefert das Ladegerät 40 aus dem Netz 42 Energie über die Leitungen 50, 52. In Abhängigkeit von geplantem Fahrbeginn, der Ist-, Soll-, Lufttemperatur T3 und Kühlmitteltemperatur wird der Zeitpunkt des Kühlbe­ triebs und die Leistung gesteuert. Die Lüftermotoren 44 der Fahrgastzelle stoppen, wenn die gewünschte Temperatur T2 erreicht wurde oder keine Kühlung gewünscht ist.
Die Ladung der Traktionsbatterie 22 wird gestartet, wenn die maximal zulässige Ladetempe­ ratur T1 unterschritten ist. Damit keine Ladung zuvor erfolgt, wird die Spannung des Lade­ geräts 40 exakt auf die Klemmspannung der Traktionsbatterie 22 geregelt, indem als Füh­ rungsgröße ein Batteriestrom Ibatt=0 dient. Dies vermeidet einen zusätzlichen Leistungs­ schalter für den Fall, daß Verbraucher vom Ladegerät 40 mit Energie versorgt werden.
Im Fahrbetrieb, also ohne Anbindung an das Netz 42, liefert die Traktionsbatterie 22 die Energie zum Antrieb der Stirlingmaschine 10 über den Generator 12. Somit ist auch im Fahrbetrieb eine Klimatisierung des Fahrgastinnenraumes bzw. der Traktionsbatterie möglich.
Die Steuerung der Lüfter 44, 46, 54, der Ventile 62, 64, 66, des Brenners 26, des Lade­ gerätes 40, der Laufrichtung des Generators 12 usw. übernimmt eine elektronische Steue­ rung 34, die vorzugsweise eine Computersteuerung 38 aufweist. Die Steuerung 34 koordi­ niert über Steuerleitungen und Sensorleitungen 48 alle Bauelemente zur Erzielung der obengenannten Betriebsarten.
Die dargestellte Anordnung ermöglicht es neben der Reichweitenvergrößerung des Elektro­ fahrzeuges die Stirlingmaschine auch zur Klimatisierung des Elektrofahrzeuges einzusetzen. Insbesondere die Kühlung der Batterien ist vor Ladebeginn notwendig, so z. B. bei vielen alkalischen Batterien, die nur unter 35 Grad Celsius geladen werden können. Mit dieser Anordnung ist dies ohne zusätzliche teure oder platzraubende Bauelemente durchführbar. Ferner kann zusätzlich oder optional die Fahrgastzelle gekühlt bzw. klimatisiert werden. Auf eine separate Klimaanlage kann verzichtet werden, was Kosten-, Bauraum und Gewicht einspart.
Um dies zu erreichen, kann, wie oben dargelegt, die Stirlingmaschine wahlweise als Motor oder Wärmepumpe betrieben werde, so daß im Kühlmittelkreislauf 14 wahlweise Kälte­ energie oder Wärmeenergie vom Kühler 16 für die Wärmetauscher 18 und 20 zur Verfügung steht. Dies macht zusätzliche Komponenten für Klimatisierung oder Heizung überflüssig.

Claims (13)

1. Verfahren für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem Fahr­ gastraum und mit einer Stirlingmaschine, welche mit einem Generator verbunden ist, wobei die Stirlingmaschine einen Hitzkopf und einen Kühler aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • (a) Betreiben der Stirlingmaschine als Motor für den Generator zum Stromerzeugen, und
  • (b) Ableiten von Wärmeenergie von der Stirlingmaschine in den Fahrgastraum zum Heizen desselben mittels eines Kühlmittelkreislaufes, welcher mit dem Kühler der Stirlingmaschine verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren entweder im Stillstand als Standheizung oder im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirlingmaschine von einem Brenner angetrieben wird.
4. Verfahren für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem Fahr­ gastraum und mit einer Stirlingmaschine, welche mit einem Generator verbunden ist, wobei die Stirlingmaschine einen Hitzkopf und einen Kühler aufweist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • (a) Betreiben der Stirlingmaschine als Wärmepumpe, und
  • (b) Ableiten von Kälteenergie von der Stirlingmaschine in den Fahrgastraum und/oder zu einer Traktionsbatterie mittels eines Kühlmittelkreislaufes, welcher mit dem Kühler der Stirlingmaschine verbunden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirlingmaschine von dem Generator als Motor angetrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im Stillstand, insbesondere zur Kühlung der Traktionsbatterie ausgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug mit einer Festnetzstromversorgung verbunden ist, welche die Energie für den Antrieb der Stirlingmaschine und für eine Aufladung der Traktionsbatterie liefert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung der Traktionsbatterie erfolgt, wenn diese eine vorbestimmte Temperatur, insbesondere 35 Grad Celsius, unterschritten hat.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsgröße für die Spannungsregelung eines Ladegerätes (40) für die Traktionsbatterie (22) der Batteriestrom dient.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Kühlung des Fahrgastinnenraumes, ausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Traktionsbatterie die Energie zum Antrieb der Stirlingmaschine liefert.
12. Verwendung einer Stirlingmaschine in einem Kraftfahrzeug mit Fahrgastraum, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirlingmaschine zur Stromerzeugung und/oder zur Kälte- und/oder Wärmeer­ zeugung für die Klimatisierung des Fahrgastraumes und/oder für die Kühlung bzw. Heizung der Traktionsbatterie dient.
13. Anordnung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug und insbe­ sondere zur Ausführung eines Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Stirlingmotor (10) mit einem Generator (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß, ein Kühlmittelkreislauf (14) mit dem Kühler (16) der Stirlingmaschine (10) und einem Wärmetauscher (18) für den Fahrgastraum und/oder einem Wärmetauscher (20) für die Traktionsbatterie (22) verbunden ist.
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