Fahrzeug mit einem Wärme-I ältespeicher

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.

Ein derartiges Verfahren bzw. ein derartiges Fahrzeug ist aus der DE 10 2010 018 906 A1 bekannt.

Die DE 10 2010 018 906 A1 beschreibt ein Klimatisierungssystem für einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs mit wenigstens einer mit elektrischer Energie versorgbaren dezentralen „Klimatisierungseinrichtung". Bei der „Klimatisierungseinrichtung" kann es sich z.B. um einen Latentwärmespeicher handeln. Der Latentwärmespeicher kann bei abgestelltem Fahrzeug von einer externen elektrischen Stromquelle "aufgeladen" werden. Der Latentwärmespeicher kann als Wärmespeicher bzw. als Kältespeicher eingesetzt werden. Fungiert er als Wärmespeicher, so kann er über eine externe elektrische Stromquelle aufgeheizt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebene Anordnung bzw. ein mit einer derartigen Anordnung ausgestattetes Fahrzeug so weiterzuentwickeln, dass sich deren bzw. dessen Energieeffizienz weiter verbessert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug, mit einem Wärme-ZKältespeicher, der zum Erwärmen bzw. Kühlen einer Fahrzeugkomponente oder eines Fahrgastraums des Fahrzeugs vorgesehen ist. Der Wärme-ZKältespeicher kann

• entweder ausschließlich zum Erwärmen oder

• zum Kühlen vorgesehen sein oder

• - entsprechend dem momentanen Betriebszustand des Fahrzeugs - wahlweise zum Erwärmen oder zum Kühlen.

Der Wärmespeicher kann ein Wärmespeichermedium enthalten, das im Betriebstemperaturbereich, in dem der Wärme-ZKältespeicher in einem Fahrzeug üblicherweise betrieben wird, einen Phasenwechsel durchmacht („Phasenwechselmaterial"), was den Vorteil hat, dass in einem derartigen Medium eine sehr hohe Wärmemenge gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden kann (Wärmespeicher) bzw. eine sehr große Wärmemenge bei Bedarf aufgenommen werden kann (Kältespeicher).

Wenn der Wärme-ZKältespeicher als Wärmespeicher eingesetzt werden soll, d.h. als„Einrichtung, der bei Bedarf Wärme entzogen und einer Fahrzeugkomponente oder dem Fahrgastraum zugeführt werden kann", so muss der Wärme-ZKältespeicher entsprechend "konditioniert" werden. Konditionieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dem Wärme-ZKältespeicher über eine Heizeinrichtung Wärme zugeführt werden muss, die später bei Bedarf abgerufen werden kann; er muss also auf einen energetisch hohen Zustand gebracht werden. Soll der Wärme-/Kältespeicher als "Kältespeicher" eingesetzt werden, so muss der Wärme-/Kältespeicher umgekehrt konditioniert werden, d.h. es muss ihm Wärme entzogen werden, so dass er bei Bedarf, wenn eine Fahrzeugkomponente oder der Fahrgastraum gekühlt werden soll, Wärme aufnehmen kann; er muss also auf einen energetisch niedrigen Zustand gebracht werden.

Für beide Konditionierungsarten, d.h. sowohl zum Konditionieren als Wärmespeicher als auch zum Konditionieren als Kältespeicher, muss Energie aufgewendet werden und zwar, gemäß der Erfindung, elektrische Energie.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die zum Konditionieren eingesetzte elektrische Energie zumindest teilweise, vorzugsweise aber vollständig, durch "Rekuperation" zu erzeugen. Die zum Konditionieren eingesetzte elektrische Energie wird teilweise oder vollständig während Bremsvorgängen oder im Schubbetrieb des Fahrzeugs aus kinetischer Energie des Fahrzeugs mittels eines im Fahrzeug vorgesehenen„Generators" erzeugt.

Im Falle eines Hybridfahrzeugs kann es sich bei dem Generator um eine als Generator betriebene elektrische Maschine handeln, die im elektromotorischen Betrieb dazu vorgesehen ist, „Fahrzeugvortrieb" zu erzeugen. Im Falle eines reinen Elektrofahrzeugs kann es sich bei dem Generator um den elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs handeln, der im Schubbetrieb bzw. währen Bremsphasen generatorisch arbeitet. Bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb kann es sich bei dem Generator um eine so genannte „Lichtmaschine" handeln.

Sollte der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs weitgehend oder vollständig geladen sein, so könnte der Wärme-/Kältespeicher als zusätzlicher "Energiespeicher" eingesetzt werden, wobei die während Brems- vorgingen oder im Schubbetrieb des Fahrzeugs rekuperierte elektrische Energie nicht weiter in den elektrischen Energiespeicher eingespeist wird, sondern zum "Aufladen des thermischen Speichers" {je nach Bedarf als Wärmespeicher oder als Kältespeicher) verwendet wird.

Mit einem Wärme-/Kältespeicher gemäß der Erfindung könnte somit der für die Klimatisierung des Fahrgastraums oder für die Temperierung bestimmter Fahrzeugkomponenten (wie z.B. eines Hochvoltspeichers oder einer Leistungselektronik) erforderliche Energiebedarf teilweise oder vollständig durch Rekuperation kinetischer Energie des Fahrzeugs gedeckt werden, wodurch sich die Energieeffizienz des gesamten Fahrzeugs verbessern lässt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist ein mit einem erfindungsgemäßen Wärme-/Kältespeicher ausgestattetes Fahrzeug einen Stromanschluss auf, über den es mit einem externen Stromnetz verbunden werden kann. Der Wärme-/Kältespeicher könnte dann bei abgestelltem Fahrzeug mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz "vorkonditioniert" werden.

Über eine Heizeinrichtung, bei der es sich z.B. um eine elektrische Heizeinrichtung handeln kann, könnte der Wärme-/Kältespeicher mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz als Wärmespeicher aufgeladen werden, was insbesondere bei kühlen Umgebungsbedingungen von Interesse ist.

Umgekehrt könnte bei warmen Umgebungsbedingungen, d.h. insbesondere im Sommerhalbjahr, der Wärme-/Kältespeicher elektrisch als Kältespeicher vorkonditioniert werden. Hierzu kann im Fahrzeug eine elektrisch betreibbare „Kühleinrichtung", insbesondere eine Fahrzeuglüftungsanlage mit einem elektrisch betriebenen Lüfter und/oder eine Fahrzeugklimaanlage mit einem elektrisch betriebenen Verdichter vorgesehen sein, mittels der dem Wärme- /Kältespeicher Wärme entziehbar ist. Alternativ dazu könnte dem Wärme- /Kältespeicher auch mit einer andersartigen Kühleinrichtung, z.B. auf der Basis von Peltier-Elementen, Wärme entzogen werden und der Wärme- ZKältespeicher auf diese Weise als Kältespeicher vorkonditioniert werden.

Zur Konditionierung des Wärme-ZKättespeichers kann ein von Luft durchströmter "Wärmetauscher" vorgesehen sein. Der Wärme-/Kältespeicher kann in Strömungsrichtung der Luft so nach dem Wärmetauscher angeordnet sein, dass der Wärme-ZKältespeicher von der vom Wärmetauscher kommenden Luft durch- oder umströmt wird.

Je nach Betriebszustand kann der "Wärmetauscher" z.B. einen Heizwärmetauscher oder durch einen Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage gebildet sein. In einem Betriebszustand, in dem der Wärme-ZKältespeicher zum Heizen verwendet, d.h. als Wärmespeicher konditioniert, werden soll, kann der Wärme-ZKältespeicher durch einen Heizwärmetauscher der Fahrzeugklimaanlage thermisch aufgeladen werden. In einem Betriebszustand, in dem der Wä rme-ZKä Itespe ich er zum Kühlen verwendet, d. h. als Kältespeicher konditioniert, werden soll, kann dem Wärme- ZKältespeicher durch einen Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage Wärme entzogen werden.

Um den Wärme-ZKältespeicher als Kältespeicher zu konditionieren, kann der Wärme-ZKältespeicher z. B. thermisch mit einem Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage gekoppelt sein und von Kältemittel des Kältemittelkreislaufs durch- oder umströmt sein oder thermisch mit einer von Kältemittel durchströmten Komponente des Kältemittelkreislaufs gekoppelt sein.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Grundprinzip der Erfindung, wobei der

Wärme-ZKältespeicher als Wärmespeicher konditioniert ist; und Figur 2 das Grundprinzip gemäß der Erfindung, wobei der Wärme-/Kältespeicher als Kältespeicher konditioniert ist.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt 1 eines Heizkreislaufs einer hier nicht weiter dargestellten Fahrzeugklimaanlage. Der Heizkreislauf weist eine Kühlmittelpumpe 2 und einen über eine Kühlmittelleitung 3 damit verbundenen Heizwärmetauscher 4 auf, der in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Kühlmittelpumpe 2 angeordnet ist. Die Kühlmittelpumpe 2 ist dazu vorgesehen, Kühlmittels durch zu kühlende Komponenten eines Fahrzeugs, wie z. B. durch das Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, zu pumpen. Vom Kühlmittel aufgenommene Wärme kann über einen Kühler an die Umgebung oder über den Heizwärmetauscher an Luft, welche einem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt wird, abgegeben werden. Der Heizwärmetauscher 4 wird von zu erwärmender Luft 5 durchströmt.

In Strömungsrichtung der zu erwärmenden Luft 5 betrachtet nach dem Heizwärmetauscher 4 ist ein Wärme-/Kältespeicher 6 angeordnet. Der Wärme-/Kältespeicher 6 soll bei dem in Figur 1 gezeigten .Heizfair als Wärmespeicher fungieren. Dementsprechend ist bzw. wird er thermisch aufgeladen, d.h. auf ein energetisch hohes Niveau gebracht. Zum Aufladen des Wärme-/Kältespeichers als Wärmespeicher ist eine elektrische Heizeinrichtung 7 vorgesehen, die vorzugsweise mit während Bremsphasen bzw. Schubphasen des Fahrzeugs rekuperierter elektrischer Energie betrieben wird. Alternativ oder ergänzend dazu könnte der Wärme- /Kältespeicher 6 auch mittels warmer Luft, die durch den Heizwärmetauscher 4 erwärmt wurde, thermisch aufgeladen werden.

Ein derartiger Wärmespeicher ist insbesondere bei Kaltstarts im Winter von Vorteil, d.h. wenn das im Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel noch kalt ist und noch keine Wärme zur Verfügung stellen kann. Ein über die Heizeinrichtung 7 entsprechend vorkonditionierter Wärmespeicher kann hingegen nahezu ohne Verzögerung, d.h. bereits unmittelbar nach einem Kaltstart des Fahrzeugs Wärme zur Verfügung stellen. Erwärmte Luft 8 kann dann einem Fahrgastraum oder einer zu erwärmenden Fahrzeugkomponente des Fahrzeugs, wie z.B. einem Hochvoltspeicher oder anderen elektronischen Komponenten, zugeführt werden.

Alternativ zu der in Figur 1 gezeigten, mit dem Bezugszeichen 8 versehenen Anordnung des Wärmespeichers kann dieser auch im Kühlmittelkreislauf angeordnet sein, was durch die Bezugszeichen 6a, 7a angedeutet ist. Ist der Wärmespeicher 6a im "Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs angeordnet, so kann er von Kühlmittel durch- bzw. umströmt sein oder thermisch mit einer Komponente des Kühlmittelkreislaufs verbunden sein. In diesem Fall wird der Wärmespeicher eingesetzt, um bei einem Kaltstart des Fahrzeugs, d.h. wenn das Kühlmittel noch kalt ist, dieses schneller auf Betriebstemperatur zu bringen.

Figur 2 zeigt den Anwendungsfall eines als Kältespeicher eingesetzten Wärme-/Kältespeichers. In diesem Betriebszustand wirkt der Kältespeicher mit einer Fahrzeugklimaanlage 9 zusammen. Die Fahrzeugklimaanlage weist in Strömungsrichtung betrachtet einen (vorzugsweise elektrisch betriebenen) Kältemittelverdichter 10 auf, der Kältemittel verdichtet und durch einen Kondensator 11 pumpt. Nach dem Kondensator 11 ist ein Expansionsorgan 12 angeordnet, über das das verdichtete Kältemittel entspannt wird. Vom Expansionsorgan 12 kommend durchströmt das Kältemittel einen Verdampfer 13. Vom Verdampfer strömt das Kältemittel zurück zur Saugseite des Kältemittelverdichters 10. Zu kühlende Luft 14, die z.B. einem Fahrgastraum oder einer zu kühlenden Fahrzeugkomponente zugeführt werden soll, durchströmt den Verdampfer 13. Abgekühlte Luft 15 kann dann dem Fahrgastraum oder der zu kühlenden Fahrzeugkomponente zugeführt werden. In Strömungsrichtung der zu kühlenden Luft 14 betrachtet nach dem Verdampfer 13 kann der Wärme-/Kältespeicher 6, welcher hier als Kältespeicher fungiert, angeordnet sein. Über die mittels des Verdampfers 13 abgekühlte Luft kann dem Wärme-ZKältespeicher 6 Wärme entzogen und dieser somit als Kältespeicher konditioniert werden.

Alternativ zu der mit dem Bezugszeichen 6 angeordneten "luftseitigen Anordnung" des Wärme-/Kältespeichers kann dieser auch im Kältemittelkreislauf angeordnet sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Wärme- ZKältespeicher zwischen dem Verdampfer 13 und der Saugseite des Kältemittelverdichters 10 angeordnet ist, was mit dem Bezugszeichen 6b verdeutlicht ist. Alternativ dazu könnte auch vorgesehen sein, dass der Wärme-ZKältespeicher zwischen dem Expansionsorgan 12 und dem Verdampfer 13 angeordnet ist, was durch das Bezugszeichen 6c angedeutet ist. In beiden Fällen kann der Wärme-ZKältespeicher von Kältemittel durch- oder umströmt sein oder thermisch mit einer Komponente der Fahrzeugklimaanlage 9 gekoppelt sein.

Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass der Wärme-ZKältespeicher zwischen einem der in Figur 1 gezeigten Zustände, in denen er als Wärmespeicher aufgeladen wird bzw. als Wärmespeicher fungiert, und einem der in Figur 2 gezeigten Zustände, in denen er als Kältespeicher „aufgeladen" wird bzw. als Kältespeicher fungiert, umschaltbar ist. Ein „Umschalten" ist zugeordnete Ventile (nicht dargestellt) in einfacher Weise möglich, wenn der Wärme-ZKältespeicher in den Heizkreislauf bzw. in den Kältemittelkreislauf integriert ist, d.h. im einen Betriebszustand von Kühlmittel und im anderen Betriebszustand von Kältemittel durchströmt ist.