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Die
Erfindung betrifft einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Derartige
Kraftwagen sind dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Üblicherweise
wird zur Kühlung
von Aggregaten elektrisch betriebener Kraftwagen ein einzelner Kühlkreislauf
mit einer Kühlmittelpumpe
und wenigstens einem Wärmetauscher
verwendet. Da verschiedene Komponenten elektrischer Kraftwagen bei
unterschiedlichen Betriebstemperaturen betrieben werden müssen, wird
dieser Kühlkreislauf üblicherweise
in einen Hochtemperaturzweig und einen Niedertemperaturzweig aufgetrennt.
Der Hochtemperaturzweig dient dabei insbesondere der Kühlung einer
Brennstoffzelle des Kraftwagens, welche ein höheres Temperaturoptimum aufweist
als die weiteren Komponenten, wie beispielsweise Elektromotoren,
Klimakondensatoren und dergleichen. Üblicherweise durchströmt das Kühlmittel
des Hochtemperaturkreislaufes sowohl einen frontal angeordneten
Wärmetauscher
als auch separate Wärmetauscher
in den Radhausverkleidungen des Kraftwagens. Der Niedertemperaturzweig
wird dagegen nur durch die Wärmetauscher
in den Radhausverkleidungen geführt.
Durch das Zusammenströmen
des Kühlmittels aus
beiden Zweigen des Kühlkreislaufs
in den Wärmetauschern
im Radhaus erfolgt eine Wärmeübertragung
zwischen den beiden Zweigen. Eine optimale Kühlung aller Komponenten des
Kraftwagens kann daher nicht gewährleistet
werden. Dies führt
insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten in der Ebene und bei
Bergfahrten zu Problemen. Aufgrund des unzureichenden Kühlvermögens üblicher
Kühlkreisläufe muss
unter diesen Bedingungen die Leistungsabgabe von Brennstoffzelle
und Elektromotor des Kraftwagens gedrosselt werden, so dass die Höchstgeschwindigkeit
und die Steigfähigkeit
des Kraftwagens beschränkt
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kraftwagen
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln,
dass eine verbesserte Kühlung
des Kraftwagens und seiner Komponenten ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Eine
derartiger Kraftwagen umfasst eine Brennstoffzelle und wenigstens
einen Elektromotor, sowie einen ersten Kühlkreislauf mit wenigstens
einem ersten Wärmetauscher
und einer ersten Kühlmittelpumpe.
Erfindungsgemäß ist wenigstens
ein erster weiterer Kühlkreislauf
mit wenigstens einem weiteren Wärmetauscher
und einer weiteren Kühlmittelpumpe
vorgesehen. Mit anderen Worten werden die Zweige des Kühlkreislaufs
vollständig
voneinander getrennt. Der erste Kühlkreislauf dient als Hochtemperaturkreislauf,
welcher zur Kühlung
von Komponenten des Kraftwagens mit hohen optimalen Betriebstemperaturen,
insbesondere der Brennstoffzelle, verwendet wird, während der
erste weitere Kühlkreislauf
als Niedertemperaturkühlkreislauf
ausgelegt ist, welcher weitere Komponenten des Kraftwagens mit niedrigeren
optimalen Betriebstemperaturen kühlt.
Dabei handelt es sich insbesondere um Nebenaggregate der Brennstoffzelle
oder des Elektromotors.
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Aufgrund
der vollständigen
Trennung der beiden Kühlkreisläufe kommt
es zu keiner Wärmeübertragung
zwischen den beiden Kühlkreisläufen mehr,
so dass das Kühlvermögen des
erfindungsgemäßen Kraftwagens
gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich verbessert ist. Dies ermöglicht es, brennstoffzellenbetriebene
Kraftwagen zu konstruieren, welche für hohe Höchstgeschwindigkeiten und gute
Steigfähigkeit
bei Bergfahrten ausgelegt sind.
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Der
erste Kühlkreislauf
ist zur Kühlung
der Brennstoffzelle ausgebildet. Es handelt sich beim ersten Kühlkreislauf
vorzugsweise um den Hochtemperaturkreislauf, der gerade auf die
hohen Betriebstemperaturen üblicher
Brennstoffzellenstapel ausgelegt ist. Um die anfallende Wärme besonders
gut abführen
zu können,
ist der dem ersten Kühlkreislauf zugeordnete
wenigstens eine erste Wärmetauscher in
einem Frontmodul des Kraftwagens angeordnet und von Fahrtwind durchströmbar. Hierdurch
kann eine besonders große
Kühlernetzfläche bereitgestellt werden,
welche eine effiziente Wärmeabfuhr
erlaubt.
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Der
erste weitere Kühlkreislauf
ist bevorzugt zum Kühlen
eines Anodenmoduls und/oder Luftmoduls der Brennstoffzelle und/oder
eines Spannungswandlers des Kraftwagens ausgebildet. Es handelt sich
hierbei also um einen Niedertemperaturkühlkreislauf, welcher verglichen
mit dem ersten Kühlkreislauf
kleinere Wärmemengen
abführen
muss. Um die Wärmeabfuhr
aus den Nebenaggregaten der Brennstoffzelle zu verbessern, werden
bevorzugterweise Luftmodul und Anodenmodul der Brennstoffzelle parallel
von Kühlmittel
durchströmt.
Mit anderen Worten verzweigt sich der erste weitere Kühlkreislauf vor
den genannten Modulen, so dass eine Teilmenge des Kühlmittels
jeweils Luftmodul und Anodenmodul durchströmt, wobei die Kühlmittelströme stromabwärts der
Module wieder zusammengeführt
werden. Hierdurch weist das Kühlmittel
beim Einströmen
in Luftmodul bzw. Anodenmodul jeweils die gleiche Temperatur auf,
so dass es zu keinem Temperaturübergang
zwischen den beiden Modulen aufgrund der Kühlmitteldurchströmung kommt,
wie es bei einer Reihenschaltung der Fall wäre.
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Der
wenigstens eine Wärmetauscher
des ersten weiteren Kühlkreislaufs
ist bevorzugt in einem Radhaus des Kraftwagens angeordnet. Aufgrund
der geringeren abzuführenden
Wärmemenge
im ersten weiteren Kühlkreislauf
wird zur Wärmeabgabe
an die Umgebungsluft eine geringere Kühlernetzfläche benötigt, so dass der Bauraum im
Radhaus ausreicht, um den Wärmetauscher
aufzunehmen. Damit wird der Wärmetauscher
des ersten weiteren Kühlkreislaufs
gleichzeitig räumlich
vom Wärmetauscher
des ersten Kühlkreislaufs – also des
Hochtemperaturkühlkreislaufs – getrennt,
so dass ein Wärmeübergang
zwischen den beiden Kühlmittelkreisläufen verhindert
wird.
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Bevorzugt
ist an dem wenigstens einem Wärmetauscher
des ersten weiteren Kühlkreislaufs eine
aktive Kühlvorrichtung
vorgesehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Lüfter handeln. Damit
wird ermöglicht,
dass auch im Stand und bei Langsamfahrt des Kraftwagens eine hinreichende Durchströmung des
Wärmetauschers
mit Umgebungsluft gewährleistet
ist, so dass Überhitzungen und
Wärmestaus
vermieden werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter weiterer Kühlkreislauf
mit wenigstens einem Wärmetauscher
vorgesehen, welcher zum Kühlen
des wenigstens einen Elektromotors und/oder eines dem Elektromotor
zugeordneten Aggregats, insbesondere eines Umrichters, ausgebildet
ist. Auch bei dem zweiten weiteren Kühlkreislauf handelt es sich
also um einen Niedertemperaturkühlkreislauf,
da die Wärmeabgabe
von Elektromotoren verglichen mit derjenigen der Brennstoffzelle
klein ist. Durch die Trennung der beiden Niedertemperaturkreisläufe kann
die Länge
der Kühlmittelleitungen
im Kraftwagen eingeschränkt
werden und die Kühlmitteltemperatur
an die Anforderungen der jeweils zu kühlenden Komponenten angepasst
werden.
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Der
wenigstens eine Wärmetauscher
des zweiten weiteren Kühlkreislaufs
ist bevorzugt im Bereich des Fahrzeughecks angeordnet. Dies ist
insbesondere zweckmäßig, wenn
es sich bei dem Elektromotor des Kraftwagens um einen Hinterachsmotor oder
an einer Hinterachse angeordnete Nabenmotoren handelt. Damit werden
die Leitungswege zwischen Wärmetauscher
und Wärmequellen
im Kühlkreislauf
besonders kurz gehalten. Auch hier findet eine räumliche Trennung der Wärmetauscher
aller Kühlmittelkreisläufe statt,
so dass Wärmeübertragung
zwischen den Kreisläufen
vermieden wird. Bevorzugt ist der wenigstens eine Wärmetauscher
des zweiten weiteren Kühlkreislaufs
im Bereich des Unterbodens des Kraftwagens, insbesondere in einem Luftkanal
eines Diffusors des Kraftwagens angeordnet. So wird eine besonders
gute Durchströmung
des Wärmetauschers
mit Umgebungsluft sichergestellt, ohne das seitlich an der Karosserie
angeordnete Luftansaughutzen oder dergleichen zur Versorgung des
Wärmetauschers
mit Umgebungsluft notwendig werden.
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An
dem wenigstens einen Wärmetauscher des
zweiten weiteren Kühlkreislaufs
ist ebenfalls bevorzugt eine aktive Kühlvorrichtung vorgesehen, um so
auch bei Stillstand oder Langsamfahrt für eine hinreichende Wärmeabfuhr
zu sorgen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein dritter weiterer Kühlkreislauf mit wenigstens
einem Wärmetauscher
vorgesehen, welcher zum Kühlen
einer Batterie und/oder eines Klimakondensators ausgebildet ist.
Insbesondere die Abtrennung der Kühlung des Klimakondensators
von der Kühlung
von für
den Fahrbetrieb essentiellen Komponenten des Kraftwagens stellt
sicher, dass durch den Betrieb der Klimaanlage keine Beeinträchtigungen
des Fahrbetriebs verursacht werden. Bei aus dem Stand der Technik
bekannten Kraftwagen kann es gerade bei bereits hoher Belastung
des Kühlkreislaufs
durch Zuschalten der Klimatisierung zu einem Überschreiten der maximal abführbaren Wärmemenge
im Kühlkreislauf
kommen, so dass durch das Zuschalten der Klimatisierung eine Drosselung
der Leistungsabgabe von Motor oder Brennstoffzelle notwendig wird,
um eine Überhitzung
zu vermeiden. Dies wird durch die geschilderte Ausführungsform
der Erfindung vermieden.
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Auch
hier ist es vorteilhaft, Kühlmittelkanäle von Klimakondensator
und Batterie parallel mit Kühlmittel
zu durchströmen.
Beide Komponenten werden dadurch mit Kühlmittel mit der gleichen Ausgangstemperatur
beaufschlagt, so dass keine Wärme
zwischen Klimakondensator und Batterie übertragen wird.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung
näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
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1 Ein
schematisches Blockschaltbild eines Hochtemperaturkühlkreislaufes
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kraftwagens
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2 die
Anordnung eines Kühlkreislaufs gemäß 1 in
dem Kraftwagen
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3 den
Anbindungsbereich des Kühlkreislaufs
aus 1 an eine Brennstoffzelle des Kraftwagens
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4 ein
Blockschaltbild eines Niedertemperaturkühlkreislaufs eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kraftwagens
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5 die
Anbindung des Kühlkreislaufs
aus 3 an eine Brennstoffzelle
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6a, b die Strömungsverhältnisse im Frontbereich eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kraftwagens;
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7 ein
Blockschaltbild eines Motorkühlkreislaufs
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kraftwagens
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8 den
Bereich einer Hinterachse eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftwagens
mit einem des Kühlkreislaufs
gemäß 7
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9 die
Strömungsverhältnisse
im Heckbereich des Kraftwagens mit einem Kühlkreislauf gemäß 7
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10 einen
Batterie- und Klimakühlkreislauf
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kraftwagens
im Blockschaltbild
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11 eine
perspektivische Ansicht eines Kühlkreislaufs
gemäß. 10.
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1 zeigt
einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Hochtemperaturkühlkreislauf
für einen
brennstoffzellenbetriebenen Kraftwagen. Erhitztes Kühlmittel
strömt
aus einer Brennstoffzelle 16 über eine Leitung 14 zu
einer Kühlmittelpumpe 12.
Aus der Leitung 14 zweigen weitere Leitungen 17, 18 ab,
die gleichzeitig einen Ionentauscher 20 sowie ein Luftmodul 22 der
Brennstoffzelle 16 mit Kühlmittel versorgen. Das erhitzte
Kühlmittel
wird von der Kühlmittelpumpe 12 über einen
Thermostaten 24 und eine Leitung 26 in einen ersten
Wärmetauscher 28 und von
dort in einen zweiten Wärmetauscher 30 gefördert, wo
es Wärme
an die Umgebungsluft abgibt. Das in den Wärmetauschern 28, 30 abgekühlte Kühlmedium
strömt über eine
Leitung 32 zurück
zu dem Thermostaten 24 und wird über eine Leitung 34 wieder der
Brennstoffzelle 16 zugefügt. Über die Leitung 32 ist
noch ein Kühlmittelausgleichsbehälter 36 mit
dem Kühlkreislauf 10 verbunden.
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Die
Austrittstemperatur des Kühlmittels
aus dem Brennstoffzellenstapel 16 beträgt in etwa 90°C, nach Durchströmen der
beiden Wärmetauscher 28, 30 sinkt
die Temperatur auf 70°C
ab. Durch den Thermostaten 24 wird eine Eingangstemperatur
des Kühlmittels
am Brennstoffzellenstapel 16 auf 80°C eingestellt.
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Dem
zweiten Wärmetauscher 30 ist
in Durchströmungsrichtung
der Umgebungsluft ein weiterer Wärmetauscher 38,
der mit einem Klimakondensator 40 verbunden ist, vorgelagert.
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2 zeigt
die Anordnung des Kühlkreislaufs 10 in
einem Kraftwagen 42. Die beiden Wärmetauscher 28, 30 sind
an der Front des Kraftwagens angeordnet, die Brennstoffzelle 16 befindet
sich dagegen im Heck. Die Leitungsführung des Kühlkreislaufs 10 erfolgt
dabei durch den Mitteltunnel 44 der Karosserie. Kühlmittelpumpe 12 und
Thermostat 24 sind dabei an einem hinteren Ende des Kühlmitteltunnels
in unmittelbarer Nähe
der Brennstoffzelle 16 angeordnet. Die Leitungsführung um
den Thermostaten 24 und die Kühlmittelpumpe 12 ist
in 3 nochmals im perspektivischen Detail dargestellt.
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Neben
dem Hochtemperaturkühlkreislauf 10 weist
der Kraftwagen 42 einen zusätzlichen Niedertemperaturkühlkreislauf 46 auf,
der in 4 im schematischen Blockschaltbild gezeigt ist.
Der Niedertemperaturkühlkreislauf 46 kühlt Komponenten
des Kraftwagens, die bei geringerer Betriebstemperatur betrieben
werden, als der Brennstoffzellenstapel 16. Eine zusätzliche
Kühlmittelpumpe 48 fördert Kühlmittel,
welches vom Durchströmen
des DC/DC-Wandlers 50 erhitzt wurde, über eine Leitung 52 zu
einem ersten Wärmetauscher 54 des
Niedertemperaturkühlkreislaufs 46.
Aus dem Wärmetauscher 54 austretendes,
abgekühltes
Kühlmedium
strömt über die Leitung 56,
welche sich verzweigt und sowohl ein Anodenmodul 58 als
auch ein Luftmodul 60 der Brennstoffzelle mit Kühlmittel
versorgt. Nach Durchströmen von
Anodenmodul 58 und Luftmodul 60 wird das Kühlmittel
wieder in eine gemeinsame Leitung 62 geführt und
durch einen zweiten Wärmetauscher 64 geleitet. Über die
Leitung 66 strömt
das Kühlmittel
wieder zum DC/DC-Wandler 50 und von dort über die Leitung 68 zurück zur Kühlmittelpumpe 48.
In der Leitung 66 ist eine Verbindung zu einem Ausgleichsbehälter 70 vorgesehen.
Im Gegensatz zum Hochtemperaturkreislauf 10 beträgt die Kühlmitteltemperatur nach
Austritt aus den Wärmetauschern 54 bzw. 64 im Niedertemperaturkühlkreislauf 46 in
etwa 40°C.
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Eine
konkrete konstruktive Ausgestaltung des Niedertemperaturkühlkreislaufes 46 ist
in 5 dargestellt. An den Wärmetauschern 54, 64 sind
zusätzliche
Lüfter 72 vorgesehen,
welche auch bei Langsamfahrt und Stillstand des Kraftwagens einen hinreichenden
Luftstrom durch die Wärmetauscher 54, 64 sicherstellen.
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6a und b zeigt die konkreten Strömungsverhältnisse
im Vorderwagenbereich des Kraftwagens 42. Durch vordere
Lüftergitter 74 einströmende Luft
wird entlang des Pfeiles 76 durch die Wärmetauscher 28, 30 des
Hochtemperaturkreislaufes geleitet und strömt entlang der Pfeile 78, 80 in
Richtung der Radkästen
bzw. des Unterbodens hin aus. Die Einlässe für Kühlluft sind dabei größer dimensioniert
als die Auslässe,
wodurch eine Sogwirkung in den Kühlkanälen entsteht.
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Ein
weiterer Niedertemperaturkühlkreislauf 82 dient
der Kühlung
eines Elektromotors 84 des Kraftwagens. Aus einem Ausgleichsbehälter 86 wird durch
eine Kühlmittelpumpe 88 Kühlmittel
zu einem Umrichter 90 des Elektromotors 84 und
anschließend zum
Elektromotor 84 selbst gefördert. Aus dem Elektromotor 84 austretendes
Kühlmittel
durchströmt
einen Wärmetauscher 92,
wodurch es sich wieder abkühlt.
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Wie
in der perspektivischen Ansicht in 8 zu erkennen,
ist der Elektromotor 84 als Achsmotor ausgebildet und liegt
zentral auf der Hinterachse 94 des Kraftwagens. Der Wärmetauscher 92 des
Motorkühlkreislaufs 82 liegt
parallel zur Achse 94 und wird über Lüfter 96 auch im Stillstand
des Kraftwagens mit Kühlluft
versorgt. Die Temperatur im Kühlkreislauf 82 beträgt bei Fahrtbetrieb
60°C bis
70°C. Wie
in der angeschnittenen Darstellung in 9 zu erkennen, liegt
der Wärmetauscher 92 des
Motorkühlkreislaufs 82 im
Bereich eines Diffusors 98 des Kraftwagens, und wird durch
die in Richtung des Pfeils 100 einströmende Unterbodenströmung des
Kraftwagens mit Luft versorgt, die entlang der Pfeile 102 durch
den Wärmetauscher 92 tritt,
wobei ein Teilluftstrom zur Verbesserung der aerodynamischen Verhältnisse entlang
des Pfeiles 104 nach unten abgeführt wird.
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Der
Kraftwagen weist schließlich
einen weiteren Niedertemperaturkühlkreislauf 106 auf.
Dieser dient zur Kühlung
einer Batterie 108 und eines Klimakompressors 110.
Der Klimakompressor 110 bildet dabei zusammen mit dem Klimakondensator 112 einen
separaten Kreislauf aus. Aus dem Batteriekühlsystem austretendes Kühlmittel
strömt über die
Leitung 114 und wird mit aus dem Klimakompressor austretenden
Kühlmittel 116 in
einer gemeinsamen Leitung 118 zusammengeführt, von
der Kühlmittelpumpe 120 zu
einem Wärmetauscher 122 und über den
Ausgleichsbehälter 124 zurück in eine
gemeinsame Leitung 126 geführt. Diese verzweigt sich in zwei
Leitungen 128 zum Kühlsystem
der Batterie 108 und 130 zum Klimakompressor.
In den Leitungen 116 und 130 können zusätzlich Ventile vorgesehen sein, um
den Klimakompressor vom Kühlkreislauf 106 abzutrennen.
Die Betriebstemperatur des Kühlmittels im
Kreislauf 106 beträgt
dabei lediglich zwischen 20 und 25°C. In 11 ist
der Kühlkreislauf 106 nochmals
in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Leitungen 130 und 116 zum
Klimakompressor 110 sind hierbei jedoch nicht gezeigt, 11 zeigt
lediglich ein zwischen den Leitungen 114 und 118 angeordnete Ventil 132,
mit dem die Durchströmung
des Klimakompressors 110 freigegeben werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochtemperaturkühlkreislauf
- 12
- Kühlmittelpumpe
- 14
- Leitung
- 16
- Brennstoffzellenstapel
- 17,
18
- Leitung
- 20
- Ionentauscher
- 22
- Luftmodul
- 24
- Thermostaten
- 26
- Leitung
- 28
- Wärmetauscher
- 30
- Wärmetauscher
- 32
- Leitung
- 34
- Leitung
- 36
- Kühlmittelausgleichsbehälter
- 40
- Klimakondensator
- 42
- Kraftwagen
- 44
- Mitteltunnel
- 46
- Niedertemperaturkühlkreislauf
- 48
- Kühlmittelpumpe
- 50
- DC/DC-Wandlers
- 52
- Leitung
- 54
- Wärmetauscher
- 56
- Leitung
- 58
- Anodenmodul
- 60
- Luftmodul
- 62
- Leitung
- 64
- Wärmetauscher
- 66
- Leitung
- 68
- Leitung
- 70
- Ausgleichsbehälter
- 72
- Lüfter
- 74
- Lüftergitter
- 76
- Pfeile
- 78,80
- Pfeile
- 82
- Niedertemperaturkühlkreislauf
- 84
- Elektromotor
- 86
- Ausgleichsbehälter
- 88
- Kühlmittelpumpe
- 90
- Umrichter
- 92
- Wärmetauscher
- 94
- Hinterachse
- 96
- Lüfter
- 98
- Diffusor
- 100
- Pfeil
- 102
- Pfeil
- 104
- Pfeil
- 106
- Niedertemperaturkühlkreislauf
- 108
- Batterie
- 110
- Klimakompressor
- 112
- Klimakondensator
- 114
- Leitung
- 116
- Kühlmittel
- 118
- Leitung
- 120
- Kühlmittelpumpe
- 122
- Wärmetauscher
- 124
- Ausgleichsbehälter
- 126
- Leitung
- 128
- Leitungen
- 130
- Leitungen
- 132
- Ventil
