Wärmespeichervorrichtung für ein Fahrzeug zur Erwärmung einer Fahrzeugbatterie

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer Wärmespeichervorrichtung, ein Verfahren, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.

Bei tiefen Temperaturen kann es zu Kaltstartproblemen bei Fahrzeugen kommen. Eine Batterie ist z.B. bei tiefen Temperaturen weniger belastbar als bei Betriebstemperatur. Auch der Verbrennungsmotor benötigt eine gewisse Betriebstemperatur, um effizient betrieben werden zu können. Hierfür wurden in der Vergangenheit z.B. Motorisolationssysteme und variable Kühl ^¬ kreisläufe entwickelt. Die variablen Kühlkreisläufe sind in der Lage, den Kühlkreislauf zu verkleinern, wenn der Motor kalt ist. Somit kann sich der Motor schneller erwärmen und ist auch schneller auf seiner Betriebstemperatur. Dadurch kann, unter anderem, eine Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen erreicht werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Reichweite von Elekt- rofahrzeugen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen .

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung für ein Fahrzeug zum Wärmen einer Fahrzeugbatterie. Die Wärmespeichervorrichtung umfasst einen Wärmespeicher, welcher ausgeführt ist, thermische Energie zu speichern und gezielt abzugeben; einen Wärmetauscher, zum Anschluss an ein Kühlsystem einer Fahrzeugbatterie, wobei der Wärmetauscher ausgelegt ist, die gespeicherte thermische Energie an das Kühlsystem der Fahrzeugbatterie abzugeben, und ein Steuergerät zum Durchführen eines Ladezyklus des Wärmespeichers, wenn die Fahrzeugbatterie an eine externe Stromversorgung des Fahrzeugs angeschlossen ist.

In dem Wärmespeicher kann thermische Energie gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder gezielt abgegeben werden. Hierfür kann ein Medium in dem Wärmespeicher erhitzt werden. Die durch den Wärmespeicher erzeugte Wärme kann über einen Wärmetauscher an einen Kühlkreislauf, z.B. einer Fahrzeugbatterie, im Folgenden auch als Batterie bezeichnet, abgegeben werden. Dabei kann der Wärmeaustausch zwischen der Batterie und dem Wärmespeicher in der Nähe der Batterie stattfinden. Wenn möglich, wird der Kühlkreislauf der Batterie während des Betriebs der Wärmespei ^¬ chervorrichtung verkleinert (kleiner Zirkulationskreis) , sodass möglichst viel Wärmeenergie in die Batterie übertragen wird.

Eine Wiederaufladung des Wärmemittels kann während der Fahrt erfolgen, aber auch während des Ladevorgangs der Batterie des Fahrzeugs. Somit wird keine „teure" Rekuperationsenergie für die Aufladung verwendet, und diese kann wieder für den Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Des Weiteren kann eine komplexe Anbindung an den Kühlmittelkreislauf zur Wiederaufladung des Wärmespeichers vermieden werden. Durch die Aufladung des Wärmespeichers während des Ladevorgangs der Batterie kann eine maximale Reichweite des Fahrzeugs sichergestellt werden, da die im Fahrzeug gespeicherte elektrische Energie nicht für die Erwärmung genutzt werden muss. Des Weiteren kann eine warme Batterie mehr Energie abgeben als eine kalte. Die Wärmespeichervorrichtung kann so ausgelegt sein, dass diese in bestehenden Batteriearchitekturen bzw. Fahrzeugen nachgerüstet werden kann. Das Modul kann als eigenständige Komponente ausgeführt werden. Die Steuer- und Regeleinheit kann integriert sein und die Wärmespeichervorrichtung kann bei tiefen Außentemperaturen (z.B. < 14°C) aktiviert werden.

Die in dem Wärmespeicher verwendeten Speichermedien können „geladen" werden. Dies kann z.B. durch „Restwärme" eines Verbrennungsmotors geschehen. In einem Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor kann der Wärmespeicher beispielsweise immer dann geladen werden, wenn der Verbrennungsmotor in Betrieb ist. Auch ist eine Rückgewinnung und Einspeicherung von Rekupera- tionsenergie möglich, welche beim Verzögern entsteht.

Es kann davon ausgegangen werden, dass nach einer Fahrt mit einem elektrischen Fahrzeug dieses zur Wiederaufladung an eine Ladeeinrichtung angesteckt wird. Hierbei kann der Wärmespeicher mitgeladen werden. Somit kann bei einem Start des Fahrzeugs zusätzliche Energie für die Erwärmung der Batterie eingespart werden und eine temperierte Batterie kann mehr Energie aufnehmen. Somit kann die Reichweite und Lebensdauer des elektrischen Fahrzeugs erhöht werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, den Ladezyklus des Wärmespeichers nur dann durchzuführen, wenn die Fahrzeugbatterie an eine externe Stromversorgung des Fahrzeugs angeschlossen ist.

Die Steuerung des Wärmespeichers kann so ausgeführt sein, dass die Aufladung des Wärmespeichers ausschließlich durch eine fahrzeugexterne Stromversorgung erfolgt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass keine für den Vortrieb des Fahrzeugs nutzbare Energie zur Aufladung des Wärmespeichers genutzt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Wärmespeichervorrichtung ferner eine Heizvorrichtung auf, welche ausgeführt ist, den Wärmespeicher zu erwärmen, wobei die Heizvorrichtung elektrisch betrieben ist.

Zum Aufladen des Wärmespeichers kann die Wärmespeichervorrichtung eine Heizvorrichtung vorsehen, welche elektrische Energie in thermische Energie umwandeln kann. Die Heizvor ^¬ richtung kann in den Wärmespeicher integriert sein und/oder nah an dem Wärmespeicher positioniert werden. Die Heizvorrichtung kann von dem Steuergerät angesteuert werden, um gezielt den Wärmespeicher aufzuladen.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist.

Ein Latentwärmespeicher kann als Wärmequelle genutzt werden. Vor einem Startvorgang kann die dort gespeicherte chemische Energie in Wärme umgewandelt werden. Diese Wärme kann die Komponenten des Fahrzeugs erwärmen und auf Betriebstemperatur bringen. Ein weiterer Vorteil von Latentwärmespeichern kann sein, dass diese über lange Zeit Energie speichern können und diese anschließend auch wieder gezielt abgeben können. In Latentwärmespeichern wird durch Wärme eine chemische Reaktion hervorgerufen. Anschließend ist der Stoff stabil und kann transportiert bzw. gelagert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Reaktion wieder rückgängig gemacht werden, wobei diese Reaktion Wärme freisetzt, welche genutzt werden kann. Als Latentwärmespeicher kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial zum Einsatz kommen. Neben Latent ^¬ wärmespeichern können auch thermochemische Wärmespeicher, wie z.B. Silicagele, Metallhydride oder Zeolithe, eingesetzt werden . Des Weiteren ist auch denkbar, thermische Energie in Wasser zu speichern. Auch ein erhitzen eines Mediums ohne Phasenübergang ist vorgesehen, d.h. ein Medium wird erhitzt und dieses hält die Wärme für einen bestimmten Zeitraum.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Latentwärmespeicher aus Natriumacetat-Trihydrat ausgeführt ist.

Als Stoff für einen Latentwärmespeicher ist Natriumacetat-Trihydrat geeignet. Jedoch können auch andere Stoffe wie z.B. Paraffine oder Salzhydrate als Phasenwechselmaterialien eingesetzt werden. Phasenwechselmaterialen weisen die Eigenschaft auf, dass der Phasenwechsel viel Energie benötigt und diese Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder gezielt freigesetzt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmespeichervorrichtung ein Modul ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmespeichervorrichtung als Nachrüstlösung ausgeführt ist. Diese kann in Fahrzeuge bzw. Batterien nachgerüstet werden. Durch die Integration in einem Modul und die einfache Regelung der Wiederaufladung entfallen bei der Wärmespeichervorrichtung aufwändige Änderungen am Gesamtfahrzeug. Durch die Trennung von Wärmemittel der Wärmespeichervorrichtung und dem Kühlkreislauf der Batterie über einen Wärmetauscher kann die Wärmespeichervorrichtung einfach, sicher und schnell in ein Fahrzeug eingebaut werden. Das Modul kann hierbei alle für den Betrieb notwenigen Komponenten aufweisen. Idealerweise kann der Einbau nahe der Batterie erfolgen, welche erwärmt werden soll. Somit kann eine hohe Effizienz der Vorrichtung sichergestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen Wärmespeichermodul und Fahrzeugbatterie geringer als 30 cm. Durch einen geringen Abstand zwischen Wärmespeichermodul und Fahrzeugbatterie kann eine gute Wärmeübertragung zwischen Wärmespeichermodul und Fahrzeugbatterie gewährleistet werden. Somit können die Wärmeverluste mit reduziertem Abstand zur Fahrzeugbatterie verringert werden. Der Abstand kann bei ^¬ spielsweise 30 cm, 50 cm oder 100 cm betragen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmespeicherung für eine Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

Wandeln von elektrischer Energie in thermische Energie, durch eine Heizvorrichtung, wenn die Fahrzeugbatterie an eine externe Stromversorgung des Fahrzeugs angeschlossen ist ;

Speichern der thermischen Energie in einem Wärmespeicher, wobei der Ladezyklus des Wärmespeichers durchgeführt wird, wenn die Fahrzeugbatterie an eine externe Stromversorgung des Fahrzeugs angeschlossen ist;

Abgabe der gespeicherten thermischen Energie über einen Wärmetauscher an ein Kühlsystem einer Fahrzeugbatterie.

In einem ersten Schritt des Verfahrens kann elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt werden. Die thermische Energie kann anschließend in einem zweiten Schritt in einem Wärmespeicher eingespeichert werden. Vorzugsweise erfolgen die Umwandlung der elektrischen Energie und die Einspeicherung der thermischen Energie in den Wärmespeicher, während sich das Fahrzeug an einer externen Stromversorgung befindet. Somit kann vermieden werden, dass die Reichweite des Fahrzeugs durch das Laden des Wärme ^¬ speichers eingeschränkt wird. In einem letzten Schritt kann durch den Wärmespeicher gezielt thermische Energie freigesetzt werden, um die Batterie zu erwärmen. Das Verfahren kann anschließend wiederholt werden. Zudem kann zwischen einzelnen Schritten auch eine größere zeitliche Spanne liegen.

Insbesondere zwischen der Einspeicherung und der Freisetzung der Wärme können z.B. mehrere Tage oder sogar Wochen liegen.

Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer oben und im Folgenden beschriebenen Wärmespeichervorrichtung .

Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein

Kraftfahrzeug, wie ein Auto, einen Bus oder einen Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff oder ein Luftfahrzeug, wie einen Helikopter oder ein Flugzeug.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug .

Das Fahrzeug mit der Wärmespeichervorrichtung kann neben einem reinen Elektrofahrzeug auch ein Hybridfahrzeug oder auch ein konventionelles Fahrzeug ohne elektrische Antriebskomponenten sein. Die Spannungsebene des Bordnetzes ist für den Einsatz der Wärmespeichervorrichtung nicht erheblich. Die Spannungsebene kann z.B. 12 V oder 48 V betragen, es kann aber auch ein Hochvolt-Bordnetz vorgesehen sein. Entsprechend kann die

Fahrzeugbatterie beispielsweise eine 12 V, eine 48 V oder eine Hochvolt-Batterie sein.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es von einem Steuergerät ausgeführt wird, das Steuergerät anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es von einem Steuergerät ausgeführt wird, das Steuergerät anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und Figuren. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärme ^¬ speichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung .

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Wär- mespeicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung .

Fig. 3 zeigt ein Fahrzeug mit einer Wärmespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Wärmespeichervorrichtung 100. Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst einen Wärmespeicher 110, ein Heizelement 120, einen Wärmetauscher 130 und ein Steuergerät 150.

Im Wärmespeicher 110 kann thermische Energie gespeichert werden und gezielt wieder abgegeben werden. Die Übertragung der Wärme in einen Kühlkreislauf einer Fahrzeugbatterie z.B. einer Hochvoltbatterie 140 erfolgt über einen Wärmetauscher 130. Durch das Heizelement 120 kann der Wärmespeicher 110 wieder aufgeladen werden. Die Steuerung der Vorrichtung, also wann Wärme eingespeichert bzw. wann Wärme entnommen wird, erfolgt über das Steuergerät 150. Die Heizvorrichtung 120 ermöglicht es, elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln. Jedoch kann auch direkte Abwärme, z.B. durch einen Motor oder durch das Bremsen, in den Wärmespeicher eingespeichert werden . Der hierfür benötigte Strom kann entweder aus dem Fahrzeug selbst, d.h. während der Fahrt, oder über eine externe Stromversorgung, bezogen werden.

Die externe Stromversorgung kann direkt an die Wärmespei ^¬ chervorrichtung 100 angeschlossen werden oder an das Fahrzeug, insbesondere wenn das Fahrzeug ein Plug-In-Hybrid oder ein Elektrofahrzeug ist, kann die Aufladung des Wärmespeichers 110 während des regulären Ladevorganges erfolgen. Sobald der Wärmespeicher 110 geladen ist, kann das Steuergerät 150 den Wärmespeicher 110 dahingehen steuern, dass dieser gezielt seine gespeicherte Wärme wieder abgibt. Die vom Wärmespeicher 110 abgegebene Wärme kann über einen Wärmetauscher an eine Fahrzeugbatterie 140 eines Fahrzeuges übertragen werden. Durch die Erwärmung der Fahrzeugbatterie 140 durch die Wärmespeichervorrichtung 100 kann die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie 140 erhöht werden.

Des Weiteren wird die Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöht, da weniger Energie für das Erwärmen der Fahrzeugbatterie 140 benötigt wird. Zudem weist eine warme Fahrzeugbatterie 140 eine höhere Kapazität auf. Bevorzugt wird die Fahrzeugbatterie 140 durch die Wärmespeichervorrichtung vorgewärmt, wenn die Außentemperaturen z.B. unter 14°C sind.

Die Wärmespeichervorrichtung kann fest in ein Fahrzeug eingebaut sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Wärmespeichervorrichtung aber auch aus einem Modul bestehen, um die Wärmespeichervorrichtung nachträglich in ein Fahrzeug einzubauen bzw. wieder zu entfernen. Der Wärmespeicher kann ein Latentwärmespeicher sein, der über einen längeren Zeitraum Energie eingespeichert haben kann und durch eine chemische Reaktion gezielt thermische Energie freisetzen kann.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Wärme- speicherung in einem Fahrzeug. In einem ersten Schritt 201 wird durch eine Heizvorrichtung elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. In einem zweiten Schritt 202 wird die erzeugte thermische Energie in einem Wärmespeicher gespeichert. In Schritt 203 erfolgt die Abgabe der gespeicherten thermischen Energie an eine Fahrzeugbatterie, um diese zu erwärmen.

Fig. 3 zeigt ein Fahrzeug 300 mit einer Wärmespeichervorrichtung 100. Das Fahrzeug 300 kann zum Laden an eine externe Strom ^¬ versorgung angeschlossen werden. Ist der Anschluss an eine externe Stromversorgung erfolgt, kann hiermit die Wärmespei ^¬ chervorrichtung 100 aufgeladen werden.