Die Erfindung betrifft ein Klimasystem und ein Verfahren zur Klimatisierung eines elektrifizierten Kraftfahrzeuges (Elektro- oder Hybridfahrzeuges), das einen Innenraum sowie einen Hochvoltspeicher aufweist.

Ein solches Klimasystem und ein solches Verfahren sind beispielsweise in der DE 10 2014 226 514 A1 beschrieben.

Zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs umfasst ein solches einen Antriebsstrang mit einem Energiespeicher zur Energieversorgung. Dieser ist typischerweise eine entsprechend geeignet dimensionierte Hochvoltbatterie, welche im Folgenden auch als Hochvoltspeicher bezeichnet wird. Üblicherweise erwärmt sich dieser bei Lade- oder Entladevorgängen, wobei bei einer zu starken Erwärmung die Gefahr einer insbesondere permanenten Leistungsdegradation oder einer Reduktion der Lebensdauer des Hochvoltspeichers besteht. Daher wird dieser üblicherweise im Betrieb entsprechend gekühlt und hierzu häufig an einen Klimakreislauf des Fahrzeugs angeschlossen, welcher auch zur Innenraumklimatisierung verwendet wird. Dieser Klimakreislauf weist eine bestimmte Leistung, das heißt ein bestimmtes maximales Kühlpotential auf, das zur Kühlung des Innenraums sowie des Hochvoltspeichers herangezogen werden kann. Je nach Kühlbedarf der beiden Komponenten kommt es dabei möglicherweise zu einem Konflikt derart, dass das Kühlpotential nicht ausreicht, um den jeweiligen Kühlbedarf am Hochvoltspeicher und im Innenraum zu bedienen. Je nach Priorisierung der Verteilung des Kühlpotentials ist in diesem Fall entweder mit einer erhöhten thermischen Belastung des Hochvoltspeichers oder mit einer Komforteinbuße im Innenraum zu rechnen.

Um bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug den Energieverbrauch bei einer Klimatisierung des Innenraums zu reduzieren und eine erhöhte Reichweite des Fahrzeugs durch eine reduzierte Energieentnahme aus dem Hochvoltspeicher zu erhalten, werden nach dem Stand der Technik eine Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes und ein Energiespeicher zum Austausch eines Kühlmediums thermisch miteinander gekoppelt. Dadurch ist es möglich, in bestimmten Situationen zunächst Wärme zwischen diesen beiden Komponenten auszutauschen, anstatt die Einrichtung zur Klimatisierung zu aktivieren. Beispielsweise wird thermische Energie, insbesondere Abwärme, des Energiespeichers aufgenommen und an die Einrichtung zur Klimatisierung des Fahrgastraums abgegeben. Dies geschieht so lange, wie eine tatsächliche Temperatur des Fahrgastraums innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs liegt. Auf diese Weise erfolgt eine Kühlung des Energiespeichers ohne die Einrichtung zur Klimatisierung aktivieren zu müssen. Die abgeführte Wärme wird in den Fahrgastraums abgegeben, jedoch nur so lange, wie dessen Temperatur in dem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.

Bei dem oben genannten Stand der Technik weist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug einen Innenraum sowie einen Hochvoltspeicher auf, welche beide mittels einer Klimaanlage des Fahrzeugs klimatisierbar sind, wobei die Klimaanlage ein bestimmtes Kühlpotential aufweist. Dabei weist der Hochvoltspeicher (HVS) eine aktuelle HVS-Temperatur auf und der Innenraum eine aktuelle Innenraum-Temperatur. In einem Vorkonditionierungsmodus wird der Hochvoltspeicher mittels der Klimaanlage auf eine HVS-Temperatur unter einer HVS-Betriebstemperatur unterkühlt, zur Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers.

Dadurch wird der Hochvoltspeicher mittels der Klimaanlage gekühlt, obwohl gerade keine Kühlanforderung bezüglich des Hochvoltspeichers vorliegt und die aktuelle HVS-Temperatur nimmt einen Wert unterhalb der HVS- Betriebstemperatur an. Es erfolgt somit vorteilhaft eine Unterkühlung des Hochvoltspeichers unterhalb von dessen HVS-Betriebstemperatur. Durch diese sogenannte Vorkonditionierung wird dann auf vorteilhafte Weise ein Kältepuffer erzeugt, welcher den Zeitpunkt einer eventuellen Kühlanforderung am Hochvoltspeicher zeitlich hinausschiebt. Aufgrund des Kältepuffers ist eine Erwärmung des Hochvoltspeichers ohne Leistungsdegradation durch zu starke Erwärmung möglich, ohne die Klimaanlage zur Kühlung des Hochvoltspeichers heranziehen zu müssen. Diese steht dann insbesondere ausschließlich zur Kühlung des Innenraums mit vollem Kühlpotential zur Verfügung. Auf diese Weise bildet der Hochvoltspeicher auch ein Kältereservoir bezüglich dessen eigener Klimatisierung. Die Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers erfolgt insbesondere vorausschauend bereits in solchen Phasen, in denen üblicherweise keine oder lediglich eine geringe Kühlung des Hochvoltspeichers erfolgen würde.

Außerhalb des Vorkonditionierungsmodus erfolgt insbesondere eine Regelung der HVS-Temperatur auf die HVS-Betriebstemperatur, welche innerhalb eines geeigneten HVS-Betriebstemperaturbereichs liegt, um eine Leistungsdegradation oder Beschädigung zu vermeiden.

In der DE 10 2014226 514 A1 findet also zusammengefasst eine

Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers mit Berücksichtigung des Hochvoltspeichers als Kältepuffer zur Entlastung des Energiebedarfs der Klimaanlage für den Innenraum während der Fahrt statt.

Dabei wird bereits die Möglichkeit berücksichtigt, zukünftige Temperaturen von Innenraum und Hochvoltspeicher auf Basis von Navigationsdaten bei der Unterkühlung zu berücksichtigen.

Weiterhin ist aus der WO 2019/238389 A1 eine Prädiktion des Wunsches nach Vorkonditionierung auf Basis von Nutzungsdaten, wie Wetter und voraussichtlicher Aufenthaltsdauer, bekannt. Der Fahrzeugnutzer erhält eine Nachricht und muss die empfohlene Vorkonditionierung bestätigen.

Schließlich bildet die US 2017/0008375 A1 Stand der Technik zur Vorkonditionierung mit Berücksichtigung von Zeit-Schwellwerten.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs anzugeben, bei dem sowohl eine Komforteinbuße im Innenraum des Fahrzeugs wie auch eine mögliche Leistungsdegradation des Hochvoltspeichers weiter vermieden oder zumindest reduziert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das Klimasystem und umgekehrt.

Die Erfindung betrifft ein Klimasystem inklusive einem Verfahren zur Klimatisierung eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs, das einen Innenraum sowie einen Hochvoltspeicher aufweist, umfassend eine Klimaanlage sowie eine elektronische Steuereinheit, wobei die Klimaanlage sowohl zur Klimatisierung des Innenraums als auch des Hochvoltspeichers ausgebildet ist und wobei die Steuereinheit ein Vorkonditionierungs-Modul zur Durchführung eines Vorkonditionierungsmodus während des Ladens des abgestellten Fahrzeuges vor Fahrtbeginn aufweist. Das Vorkonditionierungs- Modul ist derart ausgestaltet, dass zumindest die Länge der Fahrstrecke und die Außentemperatur über die Länge der Fahrstrecke prognostizierbar sind und dass abhängig von dieser Prognose der Hochvoltspeicher entweder als Wärmespeicher, wenn die prognostizierte Außentemperatur über die Länge der Fahrstrecke kleiner als die die vom Hochvoltspeicher angeforderte Heizschwellen-Zieltemperatur ist, oder als Kältespeicher, wenn die prognostizierte Außentemperatur über die Länge der Fahrstrecke größer als die die vom Hochvoltspeicher angeforderte Heizschwellen-Zieltemperatur ist, nutzbar ist. In vorteilhafter Weise kann zusätzlich auch ein prognostiziertes Höhenprofil berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Die Erfindung berücksichtigt im Kem den Hochvoltspeicher als Wärmespeicher für den Hochvoltspeicher selbst und den Innenraum des Fahrzeugs.

Die Vorkonditionierung (VOKO) des Hochvoltspeichers (HVS) nach dem Stand der Technik kühlt oder heizt den Hochvoltspeicher auf eine Wunschtemperatur. Im Fall des Heizens liegt diese derzeit bei maximal 5°C (AC-Laden) bzw. 20°C (DC-Laden). Die bekannte Vorkonditionierung berücksichtigt keine Nutzung des Hochvoltspeichers als Wärmespeicher und keine Daten aus der Navigation (Zielkategorie, Routeninformation) oder Wettervorhersage zur Optimierung des Gesamt-Energieverbrauchs während der Fahrt (und damit der Reichweite) oder zur zusätzlichen Optimierung der Reisezeit. Die Information über eine anstehende Route wird von der bekannten Vorkonditionierung nicht genutzt, um die Zieltemperaturen optimal an die Strecken- und Wetterinformationen anzupassen. Dadurch bleiben Potentiale zur Optimierung des Energieverbrauchs während der Fahrt ungenutzt. Bei beispielsweise sehr kalten Temperaturen besteht nach aktuellem Stand ein zusätzlicher Energieverbrauch während der Fahrt durch das Heizen des Hochvoltspeichers und des Innenraums. Zusätzlich werden in der Route berücksichtigte Schnellladevorgänge bei niedrigen Temperaturen des Hochvoltspeichers stark eingeschränkt.

Grundprinzip der Erfindung:

Mithilfe der Prognose der Außentemperatur und Länge der Fahrstrecke sowie der Nutzung des Hochvoltspeichers als Wärmespeicher wird der Energieverbrauch während der Fahrt durch die erfindungsgemäß neu vorgeschlagene Vorkonditionierungsstrategie (VOKO+) reduziert. Eine Prognose der Außentemperatur und Länge der Fahrstrecke kann sowohl mit als auch ohne Eingabe des Routenziels bei Aktivierung der „VOKO+“ erfolgen. „VOKO+“ sieht ein Heizen oder Kühlen des Hochvoltspeichers über die Zieltemperaturen des Stands der Technik hinaus vor, um den dadurch entstandenen Wärmepuffer während der Fahrt zum Halten der Temperatur von Hochvoltspeicher und Innenraum zu nutzen. Eine Information über einen Ladestopp am Ende der Route kann genutzt werden, um diesen mit einer entsprechenden Zieltemperatur zu erreichen.

Vorteile der Erfindung:

Der Energieverbrauch während der Fahrt insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen kann gesenkt werden. Es ist eine größere Reichweite und gegebenenfalls eine geringere Reisezeit (durch kürzere Ladestopps aufgrund optimierter HVS-Temperaturen) möglich. Zum Beispiel ergibt sich für Langstreckenfahrten im Winter, die vom Fahrzeugnutzer am Abend vorher geplant werden, ein Potential durch die Planung der entsprechenden Vorkonditionierung auf Abfahrtzeit.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Blockbild-Darstellung des erfindungsgemäßen Klimasystems,

Fig. 2 die Temperaturverläufe am Hochvoltspeicher und im Innenraum eines Elektrofahrzeugs, die sich durch die erfindungsgemäße Vorkonditionierung bei niedrigen Außentemperaturen ergeben,

Fig. 3 eine überblicksmäßige Gesamtkonzept-Darstellung der erfindungsgemäßen Maßnahmen und Wirkungen,

Fig. 4 die Temperaturverläufe am Hochvoltspeicher und im Innenraum eines Elektrofahrzeugs, die sich ohne Vorkonditionierung bei niedrigen Außentemperaturen ergeben und

Fig. 5 die Temperaturverläufe am Hochvoltspeicher und im Innenraum eines Elektrofahrzeugs, die sich mit einer Vorkonditionierung nach dem Stand der Technik bei niedrigen Außentemperaturen ergeben.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Klimasystem 2 schematisch als Blockbild dargestellt. Das Klimasystem 2 weist eine Klimaanlage 4 auf, die sowohl zur Klimatisierung eines Hochvoltspeichers 6 als auch eines Innenraums 8 eines nicht näher gezeigten Elektro- oder Hybridfahrzeugs dient. Das Klimasystem 2 weist weiterhin eine Steuereinheit 10 auf, die über Steuer- und Signalleitungen, welche als gestrichelte Linien dargestellt sind, mit diversen Komponenten verbunden ist. So steuert die Steuereinheit 10 die Klimaanlage 4 an und ist zur Ermittlung von Fahrzeugdaten weiterhin mit Sensoren 12 im Innenraum 8 und am Hochvoltspeicher 6 sowie mit einem Navigationssystem 14 verbunden. Die Steuereinheit 10 weist ein Vorkonditionierungs-Modul 11 vorzugsweise in Form eines Computerprogrammprodukts (Software- Programm) zur Durchführung eines Vorkonditionierungsmodus VOKO+ während des Ladens des abgestellten Fahrzeuges vor Fahrtbeginn t2 auf.

Fig. 2 zeigt Verläufe der Hochvoltspeicher-Temperatur T_HVS und der Innenraum-Temperatur T_i über der Zeit t für ein Beispiel zum erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsmodus VOKO+ im Falle eines Heizens bei niedrigen Außentemperaturen T _au&en . Es sind insbesondere die Verläufe der erfindungsgemäß vorgegebenen Hochvoltspeicher- Zieltemperatur T _zieI,HVS und der Innenraum-Zieltemperatur T _{zielJnnenraum} dargestellt. Weiterhin sind im T-t-Diagramm die üblicherweise vom Hochvoltspeicherregler vorgegebene Heizschwelle T _{HelzschweIIeHVS} des Hochvoltspeichers 6, die Abwurftemperatur T _Abwurf,WP für den Wärmepumpenbetrieb, die jeweils aktuelle Umgebungstemperatur T _umg des Fahrzeugs sowie die Umgebungstemperatur T _{umg 0} des Fahrzeugs zu Fahrtbeginn t2 bzw. am Ende der Vorkonditionierung (z.B. in der Garage) eingetragen.

Die Fahrstrecke s _Fahrt wird durch den Fahrtbeginn t2 und das Fahrtende t3 definiert. Das Fahrzeug ist vor dem Fahrtbeginn t2 zum Laden abgestellt. Der erfindungsgemäße Vorkonditionierungsmodus VOKO+ beginnt zum Zeitpunkt tO. Dabei wird zum Zeitpunkt tO vorzugsweise mit dem Heizen des Hochvoltspeichers 6 allein begonnen. Das Heizen des Innenraumes 8 kann zum Zeitpunkt t1 verzögert beginnen. Die Außentemperatur T _au&en ist in diesem Fall kleiner als die Umgebungstemperatur T _{umg 0} zu Fahrtbeginn t2 und wesentlich kleiner als die vom Hochvoltspeicher 6 angeforderte Heizschwellen-Zieltemperatur T _{HeizschweIIe HVS} . Der Hochvoltspeicher 6 wird also erfindungsgemäß vorzugsweise als Wärmespeicher genutzt:

Mit dem erfindungsgemäßen Klimasystem wird demnach ein Vorkonditionierungsverfahren bzw. Vorkonditionierungsmodus VOKO+ während des Ladens des abgestellten Fahrzeuges vor Fahrtbeginn t2 durchgeführt. Dabei wird für die nächste Fahrt zunächst die Länge der Fahrstrecke s _Fahrt und die Außentemperatur T _au&en über die Länge der Fahrstrecke s _Fahrt prognostiziert und abhängig von dieser Prognose der Hochvoltspeicher 6 derart als Wärmespeicher vorbereitet, dass ein Nachheizen des Hochvoltspeichers während der Fahrt bis zum Fahrtende t3 möglichst nicht erforderlich ist. Vorzugsweise wird dazu bei Aktivierung des Vorkonditionierungsmodus VOKO+ ein Heizen des Hochvoltspeichers 6 auf eine erhöhte Hochvoltspeicher-Zieltemperatur T _{zieI HVS} , die über der vom Hochvoltspeicher (6) angeforderten Heizschwellen-Zieltemperatur ^Heizschweiie.Hvs Hegt, in der Weise vorgenommen, dass der dadurch entstehende Wärmepuffer zum Halten der Hochvoltspeicher-Temperatur T_HVS über der Heizschwellen-Zieltemperatur T _{HelzschweIIe HVS} bis zum Fahrtende t3 nutzbar ist.

Mit anderen Worten wird eine entsprechende gegenüber der Heizschwellen- Zieltemperatur T _{HeizscflweIIe HVS} erhöhte Hochvoltspeicher-Zieltemperatur Tziei, HVS abhängig von der prognostizierten Länge der Fahrstrecke s _Fahrt und der Außentemperatur T _au&en über die Länge der Fahrstrecke s _Fahrt bestimmt und vorgegeben. Diese erhöhte Hochvoltspeicher-Zieltemperatur T _{zieI HVS} kann im Vergleich zur bekannten Vorkonditionierung mit einer Hochvoltspeicher-Zieltemperatur, die eher nur das sichere Erreichen der vom Hochvoltspeicher 6 angeforderten Heizschwellen-Zieltemperatur T _HeizschWeIIe ,Hvs und der Innenraum-Zieltemperatur T _{ziel,Innenraum} vor Fahrtbeginn t2 sicherzustellen hat, wesentlich höher liegen. Dies ist aus einem Vergleich der Fig. 2 mit Fig. 5 ersichtlich. Ein noch größerer Unterschied zeigt sich bei einem Vergleich der Fig. 2 mit Fig. 4, die den Stand der Technik ohne Vorkonditionierung darstellt.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann die durch den erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsmodus VOKO+ überschüssige erzeugte Wärme des Hochvoltspeichers 6 auch während der Fahrt zum Heizen des Innenraums 8 genutzt werden, zumindest bis die Hochvoltspeicher-Temperatur T_HVS die Abwurftemperatur T _AbwurfWP für den Wärmepumpenbetrieb unterschreitet.

Wenn ein Ladestopp bei Fahrtende t3 vorliegt kann die Abwurftemperatur

TA' bwurf.WP nach unten angepasst werden.

Grundsätzlich kann der Vorkonditionierungsmodus VOKO+ zusätzlich unter Berücksichtigung eines geplanten Ladestopps durchführbar sein, wobei eine Information über einen Ladestopp vor oder bei Fahrtende t3 dazu nutzbar ist, dass dieser mit einer vorgegebenen Lade-Zieltemperatur T _{ziel HVS:Ladestopp} erreichbar ist.

Vorzugsweise kann die notwendige Energie während des Ladens vor Fahrbeginn t2 zum Heizen des Innenraums 8 und des Hochvoltspeichers 6 dem Netz oder auch vorhandenen fahrzeuginternen Wärmequellen (z.B. Leistungssteuergerät, elektrischer Durchlauferhitzer oder Abwärme vom Ladegerät zum Heizen während des Ladevorgangs) entnommen werden.

Mit Fig. 3 ist ein beispielhafter Überblick für ein Gesamtkonzept des erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsmodus VOKO+ dargestellt.

Die Prognose der Länge der Fahrstrecke s _Fahrt und der Außentemperatur

T außen für die Länge der Fahrstrecke s _Fahrt kann sowohl mit („Bekannte Route“) als auch ohne („Ohne bekannte Route“) Eingabe eines Routenziels im Navigationssystem 14 bei Aktivierung des Vorkonditionierungsmodus VOKO+ durchführbar sein.

Variante 1 : Bekannte Route

- Bestimmung einer Zieltemperatur T _{zieI HVS} des HVS zur Vorkonditionierung auf Abfahrtszeit t2.

Variante 2: Unbekannte Route

- Nutzung von Nutzerdaten zur Bestimmung einer minimalen Fahrstrecke (und damit minimalen Zieltemperatur T _{zieI HVS} des HVS)

Optimierungsgrößen können Energieverbrauch und Reisezeit sein.

Ohne Eingabe des Routenziels in einem Navigationssystem kann also eine Analyse früherer definierter Fahrzeugnutzungsdaten bei Aktivierung des Vorkonditionierungsmodus VOKO+ durchführbar sein.

Beispielsweise sind frühere definierte und gespeicherte Fahrzeugnutzungsdaten zur Prognose einer minimal erwarteten Fahrstrecke analysierbar.