DE102023202083A1 - Method for a hybrid or electric vehicle with heat pump arrangement for preconditioning - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Vorkonditionierung eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs durch Heizen über eine Thermalmanagementsystem mit einer Steuerung und einer Wärmepumpenanordnung (1), wobei ein elektrischer Antriebsstrang (17) zur Erzeugung von Abwärme im Stand ineffizient betrieben wird, indem eine elektrische Maschine mit zum Betrieb ungeeigneten Stromvektoren und ein Inverter mit erhöhter Schaltfrequenz der Schalter des Inverters betrieben wird und die Abwärme über Kühlmittel zu einer Hochdruckseite (14) der Wärmepumpenanordnung (1) gelangt.Method for preconditioning an electrically operated motor vehicle by heating via a thermal management system with a controller and a heat pump arrangement (1), wherein an electric drive train (17) is operated inefficiently to generate waste heat when stationary by operating an electric machine with current vectors that are unsuitable for operation and an inverter with an increased switching frequency of the switches of the inverter and the waste heat reaches a high-pressure side (14) of the heat pump arrangement (1) via coolant.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs durch Heizen über eine Thermalmanagementsystem mit einer Steuerung und einer Wärmepumpenanordnung, wobei ein elektrischer Antriebsstrang zur Erzeugung von Abwärme im Stand ineffizient betrieben wird, indem eine elektrische Maschine mit zum Betrieb ungeeigneten Stromvektoren und ein Inverter mit erhöhter Schaltfrequenz der Schalter des Inverters betrieben wird.The invention relates to a method for preconditioning an electrically operated motor vehicle by heating via a thermal management system with a controller and a heat pump arrangement, wherein an electric drive train for generating waste heat is operated inefficiently when stationary by operating an electric machine with current vectors that are unsuitable for operation and an inverter with an increased switching frequency of the switches of the inverter.
Stand der TechnikState of the art
Das Thermalsystem von elektrisch betriebenen Fahrzeugen bestehen häufig aus einem Wärmepumpensystem. Bei zu kalten Temperaturen unter null Grad Celsius reicht die Umgebungstemperatur jedoch nicht mehr aus, um das Kältemittel im Klimakreislauf zu verdampfen. Deshalb sind externe Wärmequellen wie ein elektrischer Heizer notwendig, um das System im Stillstand sowie während der Fahrt aufzuheizen.The thermal system of electrically powered vehicles often consists of a heat pump system. However, at temperatures below zero degrees Celsius, the ambient temperature is no longer sufficient to evaporate the coolant in the air conditioning circuit. Therefore, external heat sources such as an electric heater are necessary to heat the system when stationary and while driving.
Aus der
Verfahren zum gezielten Erwärmen eines Elektrofahrzeugs sind ebenfalls bekannt. So sind üblicherweise im Elektrofahrzeug einer oder mehrere dedizierte PTC-Heizer (PTC, positive temperature coefficient) im Elektrofahrzeug verbaut. Der PTC-Heizer wird üblicherweise direkt in der HVAC Box (Heating, Ventilation und Air Conditioning) zur Klimatisierung des Innenraums des Elektrofahrzeugs nach einem Wärmewassertauscher des Elektrofahrzeugs, beispielsweise nahe einem Luftausströmer montiert. Der PTC-Heizer erwärmt sofort die beim Kaltstart ins Wageninnere einströmende Kaltluft und regelt sich nach Erreichen eines Soll-Temperaturwerts oftmals selbstständig zurück. PTC-Heizer werden üblicherweise verwendet, um die Temperatur in der Fahrgastzelle zu erhöhen, einen Traktionsakkumulator zu erwärmen, einen Wasser-Glykol-Kühlkreislauf zu erwärmen oder um Leistungsstellglieder des Elektrofahrzeugs zu erwärmen.Methods for the targeted heating of an electric vehicle are also known. For example, one or more dedicated PTC heaters (PTC, positive temperature coefficient) are usually installed in the electric vehicle. The PTC heater is usually installed directly in the HVAC box (heating, ventilation and air conditioning) for air conditioning the interior of the electric vehicle after a heat water exchanger in the electric vehicle, for example near an air vent. The PTC heater immediately heats the cold air flowing into the interior of the vehicle during a cold start and often regulates itself back automatically once a target temperature is reached. PTC heaters are usually used to increase the temperature in the passenger compartment, to heat a traction accumulator, to heat a water-glycol cooling circuit or to heat the power actuators of the electric vehicle.
Diese haben jedoch den Nachteil, dass man ein zusätzliches leistungsstarkes (ca. 7 - 9 kW) Bauteil nur für diesen Fall im Fahrzeug benötigt wird. Das erhöht die Kosten und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs.However, these have the disadvantage that an additional high-performance (approx. 7 - 9 kW) component is required in the vehicle just for this case. This increases the costs and the overall weight of the vehicle.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Heizvorrichtung zu schaffen, bei welchem bzw. mit welchem Bauraum oder Gewicht eingespart werden kann. It is an object of the invention to provide a method and a heating device with which installation space or weight can be saved.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Vorkonditionierung eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs durch Heizen über eine Thermalmanagementsystem mit einer Steuerung und einer Wärmepumpenanordnung, wobei ein elektrischer Antriebsstrang zur Erzeugung von Abwärme im Stand ineffizient betrieben wird, indem eine elektrische Maschine mit zum Betrieb ungeeigneten Stromvektoren und ein Inverter mit erhöhter Schaltfrequenz der Schalter des Inverters betrieben wird und die Abwärme über Kühlmittel zu einer Hochdruckseite der Wärmepumpenanordnung gelangt.The object is achieved with a method for preconditioning an electrically operated motor vehicle by heating via a thermal management system with a controller and a heat pump arrangement, wherein an electric drive train is operated inefficiently to generate waste heat when stationary by operating an electric machine with current vectors that are unsuitable for operation and an inverter with an increased switching frequency of the switches of the inverter and the waste heat reaches a high-pressure side of the heat pump arrangement via coolant.
Die Systemkonditionierung über einen möglichst ineffizienten Betrieb von elektrischer Maschine und Inverter beseitigt die Notwendigkeit eines externen Heizelements. Damit kann im Sinne einer Standheizung genug Wärme vom Fahrzeug ohne weitere Zusatzkomponenten erzeugt werden. Durch das Verfahren können die Abwärmen vor allem mit der elektrischen Maschine und dessen Inverter im Wärmetauscher verwendet werden.System conditioning by operating the electric machine and inverter as inefficiently as possible eliminates the need for an external heating element. This means that enough heat can be generated by the vehicle as an auxiliary heater without any additional components. This process allows the waste heat to be used primarily with the electric machine and its inverter in the heat exchanger.
Die Vorkonditionierung erlaubt einen erhöhte Nettoreichweite im Winter, vor allem aber einen erhöhten Komfort.Preconditioning allows for increased net range in winter, but above all increased comfort.
Das vorgewärmte Fahrzeug ist aber nicht nur für die menschlichen Nutzer angenehm, auch Batteriealterung wird durch Vorkonditionierung minimiert.The preheated vehicle is not only comfortable for the human users, battery aging is also minimized through preconditioning.
Der elektrische Antriebsstrang umfasst gegebenenfalls eine Trenneinheit zwischen elektrischer Permanentmagnetmaschine und einer Antriebswelle des Antriebsstrangs. Dadurch lässt sich auch einen Permanentmagnetmaschine einfach ineffizient betreiben.The electric drive train may include a separation unit between electrical Permanent magnet machine and a drive shaft of the drive train. This also makes it easy to operate a permanent magnet machine inefficiently.
Dabei ist von Vorteil, wenn die zum Betrieb dienenden Stromvektoren langsam mit einer Frequenz unter 1Hz drehen, wenn eine Asynchronmaschine oder eine getrennt betriebene Permanentmagnetmaschine verwendet wird, weil dann eine gleichmäßige Verteilung der Abwärme im gesamten Stator erreicht wird.It is advantageous if the current vectors used for operation rotate slowly at a frequency below 1 Hz when an asynchronous machine or a separately operated permanent magnet machine is used, because then an even distribution of the waste heat throughout the stator is achieved.
Der langsame Betrieb bei geringer Frequenz verhindert, dass Geräusche und Vibrationen auftreten und minimiert den Verschleiß.Slow operation at low frequency prevents noise and vibration and minimizes wear.
Die Vorkonditionierung wird durch Annäherung des Fahrers mit einem Schlüssel an einer vordefinierten Distanz zum Fahrzeug von der Steuerung aktiviert.The preconditioning is activated by the driver approaching the control unit with a key at a predefined distance from the vehicle.
Bevor die Vorkonditionierung aktiviert wird, fragt die Steuerung den Ladezustand des Fahrzeugs zuerst ab.Before preconditioning is activated, the control system first queries the vehicle’s charge level.
Verfahren zur Vorkonditionierung nach Anspruch 1, wobei die Vorkonditionierung bei stehendem Fahrzeug erfolgt.A preconditioning method according to claim 1, wherein the preconditioning is carried out while the vehicle is stationary.
Beschreibung der FigurDescription of the figure
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanordnung gekoppelt mit einem Heiz- und einem Kühlkreislauf eines Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs,1 shows a schematic representation of a heat pump arrangement coupled with a heating and a cooling circuit of a thermal management system of a vehicle,
Folgende Komponenten und Baugruppen sind fahrzeugseitig thermisch zu konditionieren:
- Ein elektrischer Antriebstrang 17 (Motor, Leistungselektronik, Lader und je nach Anwendung auch Getriebe) erzeugt im Betrieb Abwärme, die durch das Thermomanagementsystem abgeführt werden muss oder für einen Vorkonditionierung genutzt werden kann.
- Eine Batterie 18 erzeugt im Betrieb und während Ladevorgängen einerseits Abwärme, welche ebenfalls durch geeignete Kühlung kompensiert werden muss. Zum Beispiel bei Kaltstartbedingungen im Winter kann die Batterie aber auch durch das Thermomanagementsystem beheizt werden.
- Ein Fahrgastraum 23 wird über die sogenannte „HVAC-Box“ mit warmer oder kalter Luft versorgt, die über Ausströmdüsen in das Innere des Fahrgastraums geblasen wird. Die dafür nötige Kühl- oder Heizleistung wird über einen Wärmetauscher 20 erzielt, welcher je nach Anforderung mit heißem oder kaltem Kühlmittel durchströmt werden kann.
- Ein Radiator 21 im Vorderbau des Fahrzeugs wird mit Luft durchströmt und führt überschüssige Wärme aus dem Thermomanagementsystem an die Umgebung ab.
- Zwei Pumpen 22a, 22b sorgen für den zum Betrieb erforderlichen Kühlmittel-Massenstrom.
- Ein zusätzlicher luftseitiger elektrischer Zuheizer 19 in der „HVAC-Box“ kann verbaut sein und wird im Entfeuchtungsbetrieb der Klimaanlage dazu verwendet, die erst im Wärmeübertrager 20 abgekühlte Luft (um Kondensation der Luftfeuchte zu erzielen) wieder auf die gewünschte Einströmtemperatur in den Fahrgastraum 23 zu erwärmen. Zusätzlich liefert der elektrische Zuheizer 19 eine „Backup“-Lösung für Situationen, in denen im Winter nicht genügend Heizleistung durch die Wärmepumpenanordnung 1 zur Verfügung stehen sollte oder ein besonders schnelles Aufwärmen des Fahrgastraums 23 erwünscht ist.
- Prinzipiell fungiert der elektrische Antriebstrang 17 als Standheizung, bei der durch die Abwärme der im Fahrzeug verbauten Inverter und elektrischen Motoren das umliegende Kühlmittel erwärmt wird. Die so erzeugte Wärme wird zum Verdampfen von Kältemittel in einem Wärmepumpensystem 1 genutzt. Die Vorkonditionierung kann dabei sowohl im Stillstand als auch während der Fahrt, also während des Rekuperierens, Segelns, Ausrollens, Vorwärts- und Rückwärtsfahrens aktiv sein. Das Erzeugen zusätzlicher Abwärme während der Fahrt ist dabei Stand der Technik durch die Wahl eines möglichst ineffizienten Betriebspunktes sowohl an dem Inverter als auch an der elektrischen Maschine.
- An electric drive train 17 (engine, power electronics, charger and, depending on the application, also transmission) generates waste heat during operation, which must be dissipated by the thermal management system or can be used for preconditioning.
- A battery 18 generates waste heat during operation and during charging processes, which must also be compensated for by suitable cooling. For example, in cold start conditions in winter, the battery can also be heated by the thermal management system.
- A passenger compartment 23 is supplied with warm or cold air via the so-called "HVAC box", which is blown into the interior of the passenger compartment via outlet nozzles. The cooling or heating output required for this is achieved via a heat exchanger 20, through which hot or cold coolant can flow depending on requirements.
- A radiator 21 in the front of the vehicle is supplied with air and dissipates excess heat from the thermal management system to the environment.
- Two pumps 22a, 22b provide the coolant mass flow required for operation.
- An additional air-side electric auxiliary heater 19 can be installed in the "HVAC box" and is used in the dehumidification mode of the air conditioning system to heat the air that has only been cooled in the heat exchanger 20 (in order to achieve condensation of the air humidity) back to the desired inflow temperature in the passenger compartment 23. In addition, the electric auxiliary heater 19 provides a "backup" solution for situations in which insufficient heating power is available from the heat pump arrangement 1 in winter or a particularly rapid warming up of the passenger compartment 23 is desired.
- In principle, the electric drive train 17 functions as an auxiliary heater, in which the surrounding coolant is heated by the waste heat from the inverters and electric motors installed in the vehicle. The heat generated in this way is used to evaporate coolant in a heat pump system 1. The preconditioning can be active both when the vehicle is stationary and while driving, i.e. during recuperation, sailing, coasting, driving forwards and reversing. The generation of additional waste heat while driving is state of the art by selecting the most inefficient operating point possible on both the inverter and the electric machine.
Für die Vorkonditionierung im Stillstand werden folgende Ansätze je nach Typ der elektrischen Maschine vorgeschlagen.For preconditioning at standstill, the following approaches are proposed depending on the type of electrical machine.
Verwendet man eine Asynchronmaschine, einen fremderregte Synchronmaschinesind keine Permanentmagneten verbaut.If you use an asynchronous machine or a separately excited synchronous machine, no permanent magnets are installed.
Durch das Fehlen eines Permanentmagnetflusses in der elektrischen Asynchronmaschine , kann ein sich langsam drehender Stromvektor -bezogen auf a-β-Koordinatensystem des Stators gestellt werden. Die langsame Drehung erfolgt dabei mit ungefähr 0,5 Hz.Due to the lack of a permanent magnet flux in the electrical asynchronous machine, a slowly rotating current vector can be set in relation to the a-β coordinate system of the stator. The slow rotation occurs at approximately 0.5 Hz.
Durch die sehr niedrige Frequenz des Statorstroms wird kaum Drehmoment erzeugt, die Last jedoch trotzdem gleichmäßig auf alle Phasen der elektrischen Maschine verteilt.Due to the very low frequency of the stator current, hardly any torque is generated, but the load is still evenly distributed across all phases of the electrical machine.
Zusätzlich kann eine Maximierung der Inverterverluste durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz erreicht werden.In addition, inverter losses can be maximized by increasing the switching frequency.
Handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine Maschine mit Permanentmagneten, so kann ein sich drehender Stromvektor nur verwendet werden, wenn der elektrischer Antriebstrang 17 eine Trenneinheit zwischen elektrischer Maschinen und Antriebsstrang beinhaltet. Wendet man wiederum einen langsam drehenden Stromvektor an dreht sich der Rotor der elektrischen Permanentmaschine unabhängig vom Getriebe mit dem Stromvektor langsam im Leerlauf.If the electrical machine is a machine with permanent magnets, a rotating current vector can only be used if the electrical drive train 17 includes a separating unit between the electrical machine and the drive train. If a slowly rotating current vector is used, the rotor of the permanent electrical machine rotates slowly at idle with the current vector, independently of the gear.
Ist keine Trenneinheit vorhanden, wird mit einem stationären Stromvektor geheizt, welcher im Idealfall kein Drehmoment, im schlechtesten Fall ein verschwindend kleines Drehmoment erzeugt. Da bei einem stationären Stromvektor die Last in den Phasen ungleich verteilt ist, verringert sich die maximale Heizleistung dementsprechend. Eine Maximierung der Inverterverluste kann wieder durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz der Schalter im Inverter erreicht werden.If there is no separation unit, heating is carried out using a stationary current vector, which ideally generates no torque, and in the worst case, a negligible torque. Since the load in the phases is unevenly distributed with a stationary current vector, the maximum heating power is reduced accordingly. The inverter losses can again be maximized by increasing the switching frequency of the switches in the inverter.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung besteht darin, den Sternpunkt der elektrischen Permanentmaschine über ein Schaltelement mit der HVDC Leitung zu Verbinden. Dadurch könnte man die elektrische Last unabhängig von der mechanischen Konstruktion des Antriebsstrangs auf alle Phasen gleichmäßig verteilen.An alternative embodiment of the invention consists in connecting the star point of the permanent electric machine to the HVDC line via a switching element. This would allow the electrical load to be evenly distributed across all phases, regardless of the mechanical design of the drive train.
Die über den elektrischer Antriebstrang 17 erzeugte Abwärme wird in die Hochdruckseite der Wärmepumpenanordnung eingespeist und dient zum Erwärmen des Fahrzeugs.The waste heat generated via the electric drive train 17 is fed into the high-pressure side of the heat pump arrangement and is used to heat the vehicle.
In heutigen Fahrzeugen kann man über eine Funkverbindung und ein mobiles Telefon die Klimatisierung ansteuern. Dabei gibt es die Möglichkeit die Klimatisierung ad hoc einzuschalten oder eine festgelegte Abfahrtzeit zur Klimatisierung zu definieren.In today's vehicles, the air conditioning can be controlled via a radio connection and a mobile phone. It is possible to switch on the air conditioning ad hoc or to define a set departure time for the air conditioning.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorkonditionierung der Innentemperatur eines Fahrzeugs wird zusätzlich oder alternativ gestartet, sobald man sich seinem Fahrzeug nähert. Gerade bei Schlüsseln auf dem mobilen Telefon mit eingeschalteter Ortsbestimmung über GPS, oder mit aktiver Funkverbindung über Bluetooth, oder einen Nahfelderkennung ist eine Annäherung des Fahrers mit seinem Schlüssel an das Fahrzeug messbar.The method according to the invention for preconditioning the interior temperature of a vehicle is additionally or alternatively started as soon as one approaches one's vehicle. Especially with keys on the mobile phone with location determination switched on via GPS, or with an active radio connection via Bluetooth, or with near-field detection, the driver's approach to the vehicle with his key can be measured.
In einer definierten Distanz zum Fahrzeug erkennt die Steuerung des Thermomanagementsystems die Aufforderung nach einer Vorkonditionierung durch den Fahrer und startet die elektrische Maschine und den Inverter mit den Vorkonditionierungsbedingungen. Die Pumpen des Thermomanagementsystems werden ebenfalls durch die Steuerung aktiviert, sowie die Gebläsemotoren.At a defined distance from the vehicle, the thermal management system control recognizes the driver's request for preconditioning and starts the electric machine and the inverter with the preconditioning conditions. The thermal management system pumps are also activated by the control, as are the fan motors.
In gebräuchlicher Funkschlüssel und eine entsprechende Sensorik erlaubt die Vorkonditionierung in entsprechender Weise. Ein manuelles Einstellen über der App wäre dann nicht mehr notwendig. Individualisiert könnte man eine Entfernung, ab der die Vorkonditionierung gestartet wird, über ein Programm oder im Fahrzeug selbst einmalig einstellen.A standard radio key and corresponding sensors allow preconditioning in the appropriate way. Manual setting via the app would then no longer be necessary. The distance at which preconditioning is started could be individually set once via a program or in the vehicle itself.
Dem Vorkonditionieren vorgelagert ist eine Abfrage der Steuerung, ob der Ladezustand des Fahrzeugs geeignet ist, das Vorkonditionieren zu erlauben.Before preconditioning, the control system is asked whether the vehicle's charge level is sufficient to allow preconditioning.
Das Verfahren der Vorkonditionierung während des Stillstands wird in einer Ausführungsform kombiniert mit einem ineffizienten Betrieb der elektrischen Maschine und deren Inverter während der Fahrt.In one embodiment, the method of preconditioning during standstill is combined with inefficient operation of the electric machine and its inverter during driving.
Dies kann vor allem der Fall sein, wenn der Vorkonditionierungsmodus vor Fahrantritt noch nicht abgeschlossen war. Dann kann auch, z.B. während des Segelbetriebs des Fahrzeugs, Abwärme in der elektrischen Maschine durch eine ineffiziente Ansteuerung (verlängerter Stromvektor und/oder erhöhte PWM Schaltfrequenz) erzeugt werden.This can be the case especially if the preconditioning mode was not completed before starting the journey. In this case, waste heat can also be generated in the electric machine due to inefficient control (extended current vector and/or increased PWM switching frequency), e.g. during the vehicle's coasting operation.
Prinzipiell ist Vorkonditionierung auch während der Fahrt, also während des Rekuperierens, Segelns, Ausrollens, Vorwärts- und Rückwärtsfahrens einsetzbar.In principle, preconditioning can also be used while driving, i.e. during recuperation, sailing, coasting, forward and reverse driving.
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- 2023-03-08 DE DE102023202083.1A patent/DE102023202083A1/en active Pending
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2024
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