DE4424470A1 - Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenraumbeheizung eines Elektrofahrzeuges unter Ausnutzung der Abwärme eines Kühlsystems für elektrische Komponenten des Fahrzeugantriebes.

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.

Dies gilt insbesondere für die Innenraumbeheizung von Elektrofahrzeugen.

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.

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.

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.

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.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art die zur Verfügung stehende Abwärme optimal zu nutzen.

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.

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.

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.

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.

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.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schaltplanartige Gesamtdarstellung eines für Elektrofahrzeuge vorgesehenen Heizsystems, bei dem die Abwärme eines Kühlsystems ausgenutzt wird, und

Fig. 2 eine Möglichkeit zur Gestaltung des Kühlmittelweges.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im übrigen ist es auch denkbar, bei Bedarf alle Wärme­ tauscher 1 bis 4 parallel mit Kühlmittel zu beaufschlagen.

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.

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.

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.

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.

Das Gebläse 11 des Kühlers 10 wird nur bei Bedarf einge­ schaltet, d. h. wenn ein erhöhter Kühlbedarf vorliegt.

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.

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.

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.

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.

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.