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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, bevorzugt ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers und mindestens einer Leistungselektronik der mobilen Arbeitsmaschine, wobei das Kühlsystem aus einem ersten Kühlkreis für eine Kühlflüssigkeit mit einem Elektronikwärmetauscher der Leistungselektronik, einem Energiespeicherwärmetauscher des elektrischen Energiespeichers und einem ersten Kühler besteht.
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Bei elektrischen mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeugen, die zur Energieversorgung elektrische Leistungsbatterien verwenden, ist es erforderlich, die Leistungsbatterie möglichst in einem optimalen Bereich einer Betriebstemperatur zu halten. Dabei ist bei der Leistungsbatterie nicht nur eine Kühlung zur Abführung von Verlustleistung nötig, sondern umgekehrt auch im Falle von niedrigen Temperaturen, zum Beispiel bei einem abgestellten Fahrzeug in einer Kühlhalle oder im Winter, nach der Inbetriebnahme des Fahrzeugs ein Erwärmen erforderlich, um Betriebstemperaturen zu erreichen, in denen die Leistungsbatterie erst in der Lage ist, die angeforderten Ströme zur Verfügung zu stellen. Leistungsbatterien können bei tiefen Temperaturen wesentlich weniger Strom aufnehmen und abgeben, als im Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur. Dies gilt insbesondere für mobile Arbeitsmaschinen bzw. Flurförderzeuge, die eine Rückspeisung von elektrischem Strom in die Leistungsbatterie durchführen und Hybridfahrzeugen, die durch den Kombinationsantrieb kurzfristig hohe Stromleistungen aus der Leistungsbatterie abrufen. Bekannt ist, für die Leistungsbatterie für diesen Fall gesonderte Heizelemente vorzusehen, die z. B. mit elektrischem Strom aus der Leistungsbatterie selbst beheizt werden. Nachteilig ist, dass dadurch zusätzliche Bauteile erforderlich sind und höhere Kosten entstehen.
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Als Leistungsbatterien kommen aufgrund der Ansprüche an die Energiedichte und die möglichen hohen Stromstärken zumeist Hochleistungsbatterien, wie Lithiumionenbatterien oder Nickel-Wasserstoffbatterien oder Nickel-Metallhydrid Batterien, zum Einsatz, die große Strommengen rasch abgeben, aber auch aufnehmen können und eine hohe Energiespeicherdichte aufweisen.
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Eine Kühlung ist auch für Bauelemente der Leistungselektronik erforderlich, insbesondere für Steuerungen, die die hohen Ströme für Antriebe schalten, um die dort auftretenden Verlustleistungen abzuführen und die Halbleiterbauelemente auf einem zulässigen Temperaturniveau zu halten. Bei einem elektrischen Flurförderzeug ist die Leistungselektronik mit dem größten Anfall an Abwärme zumeist der oder die Umrichter für Drehstrommotoren des Fahrantriebs des Flurförderzeugs. Bekannt ist, für die beiden Bauteile Umrichter und Leistungsbatterie getrennte Kühlwasserkreisläufe zur Verfügung zu stellen, da unterschiedliche Kühlwassertemperaturen für die Bauteile und auch eventuelle weitere Bauteile der mobilen Arbeitsmaschine bzw. des Flurförderzeugs benötigt werden.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass viele Teile der Kühlkreisläufe dann doppelt vorhanden sein müssen. Insbesondere sind dies die Pumpe, der Wärmetauscher, der Ausgleichsbehälter, Ventile, Sensoren und gegebenenfalls Heizelemente bzw. Wärmetauscher für die Heizung. Dies ist nachteilig, da durch doppelte Teile der Kühlkreisläufe zusätzlicher Bauraum in der mobilen Arbeitsmaschine bzw. dem Flurförderzeug eingenommen wird und der verbleibende Bauraum für andere Fahrzeugaggregate verringert wird, die Kosten steigen und auch die Komplexität des Fahrzeugs und somit die Anfälligkeit für Ausfälle wächst. Die Verfügbarkeit des Fahrzeugs kann sich durch die große Komplexität verringern, zum Beispiel, da mehr Schnittstellen, wie etwa Schlauchanschlüsse, des Gesamtkühlsystems vorhanden sind und daher eine größere Gefahr für Leckagen besteht.
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Viele mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere Flurförderzeuge, weisen eine Fahrerkabine auf, um den die mobile Arbeitsmaschine bedienenden Fahrer vor Witterungseinflüssen, insbesondere Hitze und Kälte, zu schützen. Bei Flurförderzeugen wird oft die Fahrerkabine klimatisiert, indem diese sowohl beheizt, wie auch gekühlt werden kann. Dadurch können die Arbeitsbedingungen des Fahrers verbessert werden, wenn das Flurförderzeug z. B. in einem Freigelände ganzjährig eingesetzt wird.
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Bekannt ist dabei, bei mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeugen eine Klimaanlage zur Kühlung vorzusehen, die mit einem weiteren Wärmetauscher, der in der Fahrerkabine bzw. in einem Belüftungssystem für die Fahrerkabine angeordnet ist, die Luft kühlen kann. Dabei kommen Klimaanlagen zum Einsatz, in denen ein gasförmiges Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet wird und das heiße verdichtete Gas in einem Kondensator gekühlt wird, bis es kondensiert. Das unter Druck stehende flüssige Kältemittel wird dem Wärmetauscher über ein Expansionsventil zugeleitet. In dem Expansionsventil fällt der Druck des Kältemittels rasch ab und das Kältemittel verdampft, wobei die Temperatur stark abfällt und der Wärmetauscher eine Kühlleistung erbringt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, mit einer Leistungsbatterie und einer Leistungselektronik zur Verfügung zu stellen, mit dem auf möglichst einfache und kostengünstige Art und Weise beide Baugruppen in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch eine mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers und mindestens einer Leistungselektronik der mobilen Arbeitsmaschine gelöst. Das Kühlsystem besteht aus einem ersten Kühlkreis für eine Kühlflüssigkeit mit einem Elektronikwärmetauscher der Leistungselektronik, einem Energiespeicherwärmetauscher des elektrischen Energiespeichers und einem ersten Kühler, wobei in dem ersten Kühlkreis nach dem Kühler in der Umlaufrichtung der. Kühlflüssigkeit zunächst der Energiespeicherwärmetauscher des elektrischen Energiespeichers und dann der Elektronikwärmetauscher der Leistungselektronik angeordnet ist oder der Energiespeicherwärmetauscher des elektrischen Energiespeichers und der Elektronikwärmetauscher parallel angeordnet sind.
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Durch eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung des Energiespeicherwärmetauschers des elektrischen Energiespeichers und des Elektronikwärmetauschers der Leistungselektronik kann eine Kühlung bzw. eine Heizung des elektrischen Energiespeichers und der Leistungselektronik in einem gemeinsamen Kühlkreis erfolgen. Elektrische Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte und hohen Lade- sowie Entladeströmen, die z. B. Hochleistungsbatterien wie Lithiumionenbatterien sein können, benötigen eine niedrigere Betriebstemperatur als die Leistungselektronik, z. B. einer Motoransteuerung eines Elektromotors. Daher ist in dem Umlauf der Kühlflüssigkeit, bevorzugt eines Wasser/Frostschutzmittelgemisches, nach dem Kühler als erstes der Energiespeicherwärmetauscher des elektrischen Energiespeichers angeordnet. Nachfolgend wird von der bereits durch die Abwärme des elektrischen Energiespeichers erwärmten Kühlflüssigkeit der Elektronikwärmetauscher durchströmt und dadurch die Leistungselektronik gekühlt. Vorteilhaft werden durch die erfindungsgemäße Lösung mit einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung des Energiespeichers und der Leistungselektronik in einem gemeinsamen Kühlkreis zwei Kühlkreisläufe vermieden. Es müssen dadurch die Schlauchleitungen, Kühler und Pumpen nicht doppelt vorhanden sein, wie bei getrennten Kühlkreisläufen. Durch die geringere Anzahl an Schlauchverbindungen und insbesondere Anschlüssen für diese Schlauchverbindungen wie auch die insgesamt geringere Anzahl an Bauteilen wird die Zuverlässigkeit des Kühlsystems erhöht und sinkt die Gefahr von Ausfällen. Das Kühlsystem beansprucht auch erheblich weniger Bauraum durch den erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem die Bauteile nur einmal vorhanden sein müssen. Auch ist das erfindungsgemäße Kühlsystem kostengünstiger durch die verringerte Anzahl von Bauteilen.
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Vorteilhaft ist die Leistungselektronik ein Umrichter für einen Elektromotor, der Teil des Fahrantriebs, Fahrantriebsmotors oder integrierten Starter-Generators der mobilen Arbeitsmaschine ist.
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Vor allem der oder die Umrichter der Fahrantriebe einer elektrisch angetriebenen mobilen Arbeitsmaschine weisen eine hohe Leistung auf und erzeugen somit auch bei guten Wirkungsgraden Verlustleistungen in Form von Abwärme. Wenn diese durch Luft und Kühlkörper abgeführt werden soll, wird eine aufwendige Luftführung erforderlich oder der Umrichter muss mit langen und somit ungünstigen Kabelführungen allein in Hinblick auf die Kühlung optimiert im Fahrzeug angeordnet werden. Die Kühlung durch eine Kühlflüssigkeit ermöglicht bereits mit einem relativ geringen Flüssigkeitsvolumen eine zuverlässige und ausreichende Kühlung der Umrichter. Dabei kann der Elektromotor Teil eines Fahrantriebes oder Hubantriebs einer als Flurförderzeug ausgebildeten mobilen Arbeitsmaschine sein, beispielsweise, wenn die mobile Arbeitsmaschine ein Hybridfahrzeug ist. Bei einem solchen Hybridfahrzeug kann der Elektromotor allein die Antriebsräder antreiben und ein Verbrennungsmotor erzeugt durch einen Generator elektrische Energie für den Elektromotor, die zusätzlich auch dem elektrischen Energiespeicher entnommen wird. Im Gegensatz zu diesem seriellen Hybrid wirkt bei einem parallelen Hybrid der Elektromotor zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor und gleichzeitig mit diesem auf den Antriebsstrang. In einer alternativen Ausführungsform weist das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor mit einem Starter-Generator auf und der Verbrennungsmotor bzw. der als Elektromotor betriebene Starter-Generator treiben einen hydrostatischen Fahrantrieb an, der bevorzugt eine hydraulische Verstellpumpe und mindestens einen im geschlossenen Kreislauf an die Pumpe angeschlossenen hydraulischen Fahrmotor umfasst. Der Verbrennungsmotor und der Starter-Generator können jeweils einzeln oder gemeinsam die Verstellpumpe sowie weitere Hydraulikpumpen, insbesondere für eine Arbeitshydraulik, antreiben. In einem Rekuperationsbetrieb kann der Starter-Generator über die als hydraulischen Motor betriebene Verstellpumpe angetrieben werden und als Generator wirken. Der dabei erzeugte Strom wird in den elektrischen Energiespeicher gespeist.
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In günstiger Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher eine Leistungsbatterie, insbesondere eine Lithiumionenbatterie, eine Nickel-Wasserstoffbatterie oder eine Nickel-Metallhydridbatterie.
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Vor allem Lithiumionenbatterien und Nickel-Metallhydridbatterien sind in ihrem Leistungsverhalten sehr temperaturabhängig und die erfindungsgemäße Lösung wirkt sich bei diesen Akkumulatoren besonders vorteilhaft aus.
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In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Steuerung die Leistungselektronik so ansteuern, dass die Leistungselektronik eine erhöhte Verlustleistung erzeugt.
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Indem z. B. der dreiphasige Umrichter eines Drehstromantriebs so geschaltet wird, dass bewusst eine erhöhte Verlustleistung und somit Abwärme entsteht, kann ein separates Heizelement zur Aufheizung des elektrischen Energiespeichers vermieden werden und es können Kosten eingespart werden. Über den ersten Kühlkreislauf erwärmt die zusätzlich erzeugte Abwärme dann den elektrischen Energiespeicher.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Kühler über eine Bypassventileinrichtung, insbesondere über ein Mehrwegeventil oder zwei Sitzventile, und eine Bypassleitung im ersten Kühlkreis umgangen werden.
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Beim gezielten Erwärmen des elektrischen Energiespeichers durch Erzeugen einer erhöhten Verlustleistung in der Leistungselektronik wird dadurch die erwärmte Kühlflüssigkeit an dem Kühler vorbeigeleitet und ohne Wärmeverluste dem Energiespeicherwärmetauscher zugeführt, der den elektrischen Energiespeicher erwärmt. Dies verbessert mit geringem Aufwand die Wirksamkeit der Beheizung des elektrischen Energiespeichers und ermöglicht ein Beheizen nach dem Start des Fahrzeugs, ohne dass das Kühlfüssigkeitsvolumen in dem ersten Kühler sich nachteilig auswirkt oder eine unvermeidbare Kühlwirkung des ersten Kühlers durch Fahrtwind auftritt, auch wenn ein Kühllüfter ausgeschaltet ist.
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Zwischen dem Kühler und dem Energiespeicherwärmetauscher können eine Pumpe und ein Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter angeordnet sein, wobei der Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter in dem ersten Kühlkreis angeordnet oder mit diesem über eine Stichleitung verbunden sein kann.
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Der Kühlflüssigkeitsausgleichsbehälter kann folglich von der Kühlflüssigkeit stets durchströmt werden, oder über eine Stichleitung nur mit dem Kühlkreislauf verbunden sein, so dass der Hauptvolumenstrom der Kühlflüssigkeit in dem ersten Kühlkreislauf an dem Kühlflüssigkeitsausgleichsbehälter vorbeiströmt. Die Pumpe kann so angeordnet sein, dass diese nach dem Kühlflüssigkeitsausgleichsbehälter sitzt und aus dem Kühlflüssigkeitsausgleichsbehälter ansaugt. Alternativ ist es auch denkbar, dass Schläuche des Kühlkreises so dimensioniert bzw. so elastisch ausgelegt werden, dass ein Kühlflüssigkeitsspeicher gebildet wird und ein separater Kühlflüssigkeitsausgleichsbehälter nicht erforderlich ist.
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Es kann ein Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter in dem ersten Kühlkreis angeordnet oder mit diesem über eine Stichleitung verbunden sein sowie zwischen dem Energiespeicherwärmetauscher und dem Elektronikwärmetauscher eine Pumpe angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist nach dem Kühler ein Zusatzkühler angeordnet, der ein Wärmetauscher mit einem Verdampfer eines zweiten Kühlkreises ist, wobei der zweite Kühlkreis weiterhin einen Kompressor, einen Kondensator und ein Expansionsventil umfasst und in dem zweiten Kühlkreis ein Kältemittel umläuft.
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Durch einen zweiten Kühlkreislauf mit einem Kältemittel, wie bekannt nach dem Stand der Technik für Fahrzeugklimaanlagen, der mit seinem Verdampfer in einem Zusatzkühler als Wärmetauscher des ersten Kühlkreises wirkt, kann die Kühlflüssigkeit weiter herabgekühlt werden auch bis auf, oder unter das Temperaturniveau der Umgebungstemperatur. Dadurch lässt sich für viele Arten von elektrischen Energiespeichern eine besonders günstige Betriebstemperatur erreichen. Soweit eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, in einer ausreichend kalten Umgebung, etwa immer in einem Kühlhaus, betrieben wird, kann eine Abkühlung auf gewünschte niedrige Temperaturen auch ohne Zusatzkühler und zweiten Kühlkreislauf allein durch einen ausreichend dimensionierten ersten Kühler, erreicht werden. Mögliche Kältemittel sind dabei „Rxx” Kohlenwasserstoffe mit einem C-Atom, „R1xx”–„R3xx” Kohlenwasserstoffe mit einem bis mehreren C-Atomen, „R4xx” zeotrope Gemische, „R5xx” azeotrope Gemische, „R6xx” Kältemittel und anorganische Verbindungen. Es ist auch denkbar, die Reihenfolge von Zusatzkühler und Kühler zu vertauschen.
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Vorteilhaft kann der Zusatzkühler über eine zweite Bypassventileinrichtung, insbesondere über ein Mehrwegeventil oder zwei Sitzventile, und eine Bypassleitung im ersten Kühlkreis umgangen werden.
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Dadurch können beim gezielten Erwärmen des elektrischen Energiespeichers Temperatur und Strömungsverluste verringert werden.
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Der Kompressor kann mechanisch, insbesondere von dem Verbrennungsmotor, oder elektrisch angetrieben sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist parallel zu dem Expansionsventil und Verdampfer in dem zweiten Kühlkreis ein zweites Expansionsventil und ein zweiter Verdampfer zur Kühlung einer Fahrerkabine angeordnet.
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Dadurch kann eine Klimatisierung einer Fahrerkabine verwirklicht werden, ohne dass großer Mehraufwand entsteht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Kühlsystems gelöst, bei dem zum Erwärmen des elektrischen Energiespeichers die Steuerung die Leistungselektronik so ansteuert, dass die Leistungselektronik eine erhöhte Verlustleistung erzeugt und die Bypassventileinrichtung so geschaltet ist, dass der Kühler im ersten Kühlkreis umgangen wird.
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Dadurch kann nach einer Inbetriebnahme der mobilen Arbeitsmaschine, wenn der elektrische Energiespeicher sehr kalt ist, innerhalb kurzer Zeit der elektrische Energiespeicher angewärmt werden. Die zusätzliche Bypassleitung und Ventileinrichtung stellen nur verhältnismäßig wenig Aufwand dar und sind sehr kostengünstig, während die Ansteuerung der Leistungselektronik mittels Software in bereits vorgesehenen Steuerungen verwirklicht werden kann.
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Wenn eine Bypassleitung für einen gegebenenfalls in dem ersten Kühlkreis vorhandenen Zusatzkühler vorgesehen ist, kann weiterhin der Zusatzkühler beim Erwärmen des elektrischen Energiespeichers umgangen werden.
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Es ist auch möglich, den Kühler zum Anwärmen des Energiespeichers zu nutzen, wenn sehr warme Umgebungsluft vorhanden ist, etwa wenn ein Stapler abgekühlt in eine heiße Gießereihalle fährt, oder wenn der Kühler mit noch warmer Kühlmittel gefüllt ist.
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Vorteilhaft ist bei dem Verfahren während des Erwärmens des elektrischen Energiespeichers der zweite Kühlkreis inaktiv.
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Die Aufgabe wird auch durch eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, mit einem zuvor beschriebenen Kühlsystem gelöst.
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Eine solche mobile Arbeitsmaschine weist die bereist genannten Vorteile auf. Zusätzlich ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Lösung erheblich weniger Bauraum beansprucht, der insbesondere bei Flurförderzeugen nur in beschränktem Umfang vorhanden ist.
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Die mobile Arbeitsmaschine kann eine Steuerung aufweisen, die eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchführt und umsetzt.
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Die Aufheizung des elektrischen Energiespeichers nach der Inbetriebnahme lässt sich bei einer mobilen Arbeitsmaschine durch Software in den bereits vorgesehenen Steuerungen umsetzen.
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Die mobile Arbeitsmaschine kann ein Hybridfahrzeug sein. Vorteilhaft ist die mobile Arbeitsmaschine ein Flurförderzeug, insbesondere ein Gegengewichtsgabelstapler.
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Vor allem bei Hybridfahrzeugen ist für deren Effizienz eine hohe Stromaufnahme und im Bedarfsfall hohe Stromabgabe des elektrischen Energiespeichers erforderlich.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 ein Flurförderzeug als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine,
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2 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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3 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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4 ein Schema eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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5 ein Schema eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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6 ein Schema eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems und
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7 ein Schema eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.
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Die 1 zeigt eine mobile Arbeitsmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, die als Flurförderzeug, hier als Gegengewichtsgabelstapler 2, ausgebildet ist, mit einer Fahrerkabine 3, in dem sich ein Fahrerarbeitsplatz 4 mit einem Fahrersitz 5 befindet. Der Gegengewichtsgabelstapler 2 weist als elektrisch angetriebenes Fahrzeug, das über nicht dargestellte Elektromotoren angetrieben wird, zur Energieversorgung einen elektrischen Energiespeicher 6 auf, der beispielsweise als Lithiumionenbatterie 7 ausgebildet ist. Ebenso kann das Fahrzeug alternativ als Parallelhybrid ausgeführt sein, bei dem beispielsweise ein hydrostatischer Fahrantrieb zum Einsatz kommt und ein Verbrennungsmotor mit einem gekoppelten Starter-Generator eine hydrostatische Pumpe des hydrostatischen Fahrantriebs antreibt, wobei der elektrische Energiespeicher 6 mit dem Starter-Generator in Wirkverbindung steht. An einem Hubmast 8 ist eine Lastgabel 9 zur Aufnahme einer Last angeordnet, wobei das Gewicht dieser Last durch ein Gegengewicht 10 ausgeglichen wird. Der Fahrerarbeitsplatz 4 weist ein Lenkrad 11 auf. Ein Kühler 12, der an der Dachrückseite der Fahrerkabine 3 oder in dem Gegengewicht 10 angeordnet ist, wird von Umgebungsluft, beispielsweise mittels eines weiteren nicht dargestellten Lüfters, durchströmt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Der Kühler 12 dienst als. Rückkühler des ersten Kühlkreises, dessen weitere Bauteile hier nicht dargestellt sind, und der über einen ebenfalls nicht dargestellten Energiespeicherwärmetauscher die Lithiumionenbatterie 7 kühlt.
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Die 2 zeigt ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gabelstaplers 2 der 1 mit einem ersten Kühlkreis 16. Eine Pumpe 13 saugt aus einem von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14 die Kühlflüssigkeit an und fördert diese zu einem Energiespeicherwärmetauscher 15, der einen als Lithiumionenbatterie 7 ausgebildeten elektrischen Energiespeicher 6 kühlen bzw. anwärmen kann. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich bevorzugt um ein Wasser/Frostschutzmittel-Gemisch. Innerhalb des ersten Kühlkreises 16 folgt dem Energiespeicherwärmetauscher 15 ein Elektronikwärmetauscher 17, der eine als Umrichter 18 ausgebildete Leistungselektronik 19 kühlt. Über eine als Zweiwegeventil 20 ausgebildete Bypassventileinrichtung 21 kann die Kühlflüssigkeit entweder durch den Kühler 12 geleitet werden oder durch eine den Kühler 12 umgehende Bypassleitung 22. Durch einen Lüfter 23 kann Luft durch den Kühler 12 gesaugt werden, so dass eine größere Wärmemenge Q an die Umgebung abgeführt werden kann, wie durch den Pfeil angedeutet.
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Nach einer Inbetriebnahme des Gabelstaplers 2, wenn die Lithiumionenbatterie 7 noch kalt ist, wird der Umrichter 18 so angesteuert, dass eine gegenüber dem normalen Betrieb vergrößerte Verlustleistung entsteht. Die dadurch entstehende Wärmemenge wird von der Kühlflüssigkeit aufgenommen und die Kühlflüssigkeit über das Zweiwegeventil 20 und die Bypassleitung 22 an dem Kühler 12 vorbei und über den Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14 sowie die Pumpe 13 zu dem Energiespeicherwärmetauscher 15 geleitet. Dort gibt die Kühlflüssigkeit die Verlustwärme des Umrichters 18 an die Lithiumionenbatterie 7 ab, um diese möglichst rasch auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Sobald die Betriebstemperatur der Lithiumionenbatterie 7 erreicht ist, wird das Zweiwegeventil 20 umgeschaltet und die Kühlflüssigkeit gibt Wärme in dem Kühler 12 an einen durch den Lüfter 23 erzeugten Luftstrom ab. Die kalte Kühlflüssigkeit wird in dem ersten Kühlkreis 16 über den Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14 und die Pumpe 13 dem Energiespeicherwärmetauscher 15 der Lithiumionenbatterie 7 zugeführt und kühlt die Lithiumionenbatterie 7 auf die für diese erforderliche, relativ niedrige Betriebstemperatur ab. Erst anschließend wird in dem Elektronikwärmetauscher 17 der Umrichter 18 durch die bereits erwärmte Kühlflüssigkeit gekühlt. Dadurch können getrennte Kühlkreise für die Lithiumionenbatterie 7 und den Umrichter 18 vermieden werden.
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Die 3 zeigt ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gabelstaplers 2 der 1, das einen zweiten Kühlkreis 24 umfasst. Mit den Bauteilen des ersten Ausführungsbeispiels identische Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Pumpe 13 saugt in dem ersten Kühlkreis 16 aus dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14 das Wasser/Frostschutzmittel-Gemisch der Kühlflüssigkeit an und fördert dieses durch den Energiespeicherwärmetauscher 15 der Lithiumionenbatterie 7 und den Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18. Über die als Zweiwegeventil 20 ausgebildete Bypassventileinrichtung 21 kann die Kühlflüssigkeit entweder durch den Kühler 12 geleitet werden oder durch die den Kühler 12 umgehende Bypassleitung 22. Durch den Lüfter 23 kann Luft durch den Kühler 12 gedrückt werden, so dass die Wärmemenge Q an die Umgebung abgeführt werden kann, wie durch den Pfeil angedeutet. In den ersten Kühlkreis 16 ist nach dem Kühler 12 ein Zusatzkühler 25 eingefügt, der als Wärmetauscher zwischen erstem Kühlkreis 16 und zweitem Kühlkreis 24 dient und einen Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 umfasst, der mit einem Kältemittel betrieben wird. Auf der Druckseite eines Kompressors 27 des zweiten Kühlkreises 24, der mechanisch z. B. von dem Verbrennungsmotor oder elektrisch angetrieben werden kann, ist ein Kondensator 28 angeordnet, der Wärme Q an die Umgebung abgibt, wie durch den Pfeil verdeutlicht. Von dem Kondensator 28 strömt das verdichtete und flüssige Kältemittel über ein Expansionsventil 29 in den Verdampfer 26 des Zusatzkühlers 25.
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Nach einer Inbetriebnahme des Gabelstaplers 2, wenn die Lithiumionenbatterie 7 noch kalt ist, erfolgt ein Erwärmen der Lithiumionenbatterie 7 ebenso wie zuvor für das Ausführungsbeispiel der 2 beschrieben. Während dieses Erwärmens bleibt der zweite Kühlkreis 24 inaktiv und die Kühlflüssigkeit durchströmt den Zusatzkühler 25 ohne Wärmeenergie abzugeben. Eine Bypassleitung für den Zusatzkühler 25 ist im Regelfall nicht notwendig, da z. B. durch Ausschaltendes Kompressors 27 eine Wärmeabgabe der Kühlflüssigkeit in dem Zusatzkühler 25 verhindert werden kann. Es ist natürlich möglich eine solche Bypassleitung vorzusehen, um z. B. das Zuströmen des kalten Kühlflüssigkeitsvolumens in dem Zusatzkühler 25 während des Erwärmens der Lithiumbatterie 7 zu vermeiden. Im normalen Betrieb wird die Kühlflüssigkeit durch den zweiten Kühlkreis 24, der als Kältekreis arbeitet, weiter herabgekühlt und kann dadurch auch unterhalb der Umgebungstemperatur herabgesenkt werden. Dies ermöglicht auch in Umgebungen außerhalb von z. B. Kühlhäusern, eine Herabkühlen der Lithiumionenbatterie 7 oder allgemein eines elektrischen Energiespeichers 6 auf eine gewünschte Betriebstemperatur auch unterhalb oder nahe an der Umgebungstemperatur. Es ist auch möglich, das Kühlsystem so zu gestalten, dass nur ein Kühler mit Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 in dem ersten Kühlkreis 16 angeordnet ist. Der Kühler 12 mit der Bypassleitung 22 entfällt dann in dem ersten Kühlkreis 16 oder der Zusatzkühler 25 nimmt in diesem Fall die Stelle des Kühlers 12 ein.
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Die 4 zeigt ein Schema eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gabelstaplers 2 der 1. Dieses entspricht in einem großen Teil dem Ausführungsbeispiel der 3. Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem weist den ersten Kühlkreis 16 mit der Pumpe 13, dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14, dem Energiespeicherwärmetauscher 15 der Lithiumionenbatterie 7, dem Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18 sowie dem Zweiwegeventil 20 als Bypassventileinrichtung 21, dem Kühler 12, dem Lüfter 23 und der Bypassleitung 22 auf. Der erste Kühlkreis 16 ist durch den Zusatzkühler 25 mit dem zweiten Kühlkreis 24 verbunden, wobei der Zusatzkühler 25 den Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 umfasst. Der zweite Kühlkreis 24 weist weiter den Kompressors 27, den Kondensator 28 und das Expansionsventil 29 auf.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 3 ist vor dem Expansionsventil 29 ein erstes Absperrventil 30 eingefügt. Ein zweiter Verdampfer 31, der zur Kühlung der Fahrerkabine 3 dient, ist parallel zu dem Verdampfer 26 angeordnet und weist ein eigenes zweites Expansionsventil 32 sowie zweites Absperrventil 33 auf.
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Mit dem Ausführungsbeispiel der 4 kann genauso wie mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Inbetriebnahme des Gabelstaplers 2, wenn die Lithiumionenbatterie 7 noch kalt ist, die Lithiumbatterie 7 erwärmt werden und im normalen Betrieb die Lithiumionenbatterie 7 oder allgemein der elektrische Energiespeicher 6 auf eine gewünschte Betriebstemperatur auch unterhalb oder nahe an der Umgebungstemperatur herabgekühlt werden. Durch den parallelen zweiten Verdampfer 31 kann die Fahrerkabine 3 klimatisiert werden. Dabei ist es möglich, durch das erste Absperrventil 30 den Verdampfer 26 des Zusatzkühlers 25 von dem Kältemittelkreislauf abzutrennen und ebenso durch das zweite Absperrventil 33 den zweiten Verdampfer 31. Dadurch kann zur Leistungssteigerung der Klimaleistung für die Fahrerkabine der Verdampfer 26 des Zwischenkühlers 25 abgeschaltet werden, oder umgekehrt die Klimatisierung der Fahrerkabine 3, wenn die Kälteleistung für den ersten Kühlkreis 16 gesteigert werden soll.
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Die 5 zeigt ein Schema eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gegengewichtsgabelstaplers 2 der 1. Dieses entspricht in einem großen Teil dem Ausführungsbeispiel der 4. Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem weist den ersten Kühlkreis 16 mit der Pumpe 13, dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14, dem Energiespeicherwärmetauscher 15 des beispielsweise als Lithiumionenbatterie 7 ausgebildeten elektrischen Energiespeichers 6, dem Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18 sowie dem Zweiwegeventil 20 als Bypassventileinrichtung 21, dem Kühler 12, dem Lüfter 23 und der Bypassleitung 22 auf. Der erste Kühlkreis 16 durch den Zusatzkühler 25 mit dem zweiten Kühlkreis 24 verbunden, wobei der Zusatzkühler 25 den Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 umfasst. Der zweite Kühlkreis 24 weist weiter den Kompressors 27, den Kondensator 28 und das Expansionsventil 29 auf. Vor dem Expansionsventil 29 ist das erste Absperrventil 30 eingefügt und der zweite Verdampfer 31, der zur Kühlung der Fahrerkabine 3 dient, ist parallel zu dem Verdampfer 26 angeordnet und weist das eigene zweite Expansionsventil 32 sowie das zweite Absperrventil 33 auf.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 4 sind der Energiespeicherwärmetauscher 15 der Lithiumionenbatterie 7 und der Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18 nicht aufeinanderfolgend in Reihe geschaltet, sondern parallel zueinander in dem Kühlkreis 16 angeordnet. Diese Parallelschaltung des Energiespeicherwärmetauschers 15 der Lithiumionenbatterie 7 und des Elektronikwärmetauschers 17 des Umrichters 18 gemäß der 5 kann ebenfalls bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 eingesetzt werden.
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Die 6 ein Schema eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gegengewichtsgabelstaplers 2 der 1. Dieses entspricht in einem großen Teil dem Ausführungsbeispiel der 4. Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem weist den ersten Kühlkreis 16 mit der Pumpe 13, dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14, dem Energiespeicherwärmetauscher 15 des als Lithiumionenbatterie 7 ausgebildeten elektrischen Energiespeichers 6, dem Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18 sowie dem Zweiwegeventil 20 als Bypassventileinrichtung 21, dem Kühler 12, dem Lüfter 23 und der Bypassleitung 22 auf. Der erste Kühlkreis 16 ist durch den Zusatzkühler 25 mit dem zweiten Kühlkreis 24 verbunden, wobei der Zusatzkühler 25 den Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 umfasst. Der zweite Kühlkreis 24 weist weiter den Kompressors 27, den Kondensator 28 und das Expansionsventil 29 auf. Vor dem Expansionsventil 29 ist das erste Absperrventil 30 eingefügt und der zweite Verdampfer 31, der zur Kühlung der Fahrerkabine 3 dient, ist parallel zu dem Verdampfer 26 angeordnet und weist das eigene zweite Expansionsventil 32 sowie das zweite Absperrventil 33 auf.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 4 weist das Ausführungsbeispiel der 6 eine zweite Bypassleitung 34 für den Zusatzkühler 25 auf. Über eine als zweites Zweiwegeventil 35 ausgebildete zweite Bypassventileinrichtung 36 kann die Kühlflüssigkeit entweder durch den Zusatzkühler 25 geleitet werden oder durch die den Zusatzkühler 25 umgehende zweite Bypassleitung 34.
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Nach einer Inbetriebnahme des Gabelstaplers 2, wenn die Lithiumionenbatterie 7 noch kalt ist, erfolgt ein Erwärmen der Lithiumionenbatterie 7 ebenso wie zuvor für das Ausführungsbeispiel der 2 beschrieben. Während dieses Erwärmens wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Kühlflüssigkeit nicht nur über die Bypassleitung 22 an dem Kühler vorbeigeleitet, sondern auch durch die zweite Bypassleitung 34 für den Zusatzkühler 25 geleitet. Dadurch kann eine Wärmeabgabe der Kühlflüssigkeit in dem Zusatzkühler 25 verhindert werden und das Zuströmen des kalten Kühlflüssigkeitsvolumens in dem Zusatzkühler 25 während des Erwärmens der Lithiumbatterie 7 verhindert werden. Durch die zweite Bypassventileinrichtung 36 und die zweite Bypassleitung 34 werden weiterhin die Strömungsverluste verringert.
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Die Anordnung eines zweiten Bypassventileinrichtung 36 und einer zweiten Bypassleitung 34 gemäß der 7 ist ebenfalls bei den Ausführungsbeispielen der 3 und 5 einsetzbar.
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Die 7 zeigt ein Schema eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gegengewichtsgabelstaplers 2 der 1. Dieses entspricht in einem großen Teil dem Ausführungsbeispiel der 4. Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem weist den ersten Kühlkreis 16 mit der Pumpe 13, dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14, dem Energiespeicherwärmetauscher 15 des als Lithiumionenbatterie 7 ausgbildeten elektrischen Energiespeichers 6, dem Elektronikwärmetauscher 17 des Umrichters 18 sowie dem Zweiwegeventil 20 als Bypassventileinrichtung 21, dem Kühler 12, dem Lüfter 23 und der Bypassleitung 22 auf. Der erste Kühlkreis 16 ist durch den Zusatzkühler 25 mit dem zweiten Kühlkreis 24 verbunden, wobei der Zusatzkühler 25 den Verdampfer 26 des zweiten Kühlkreises 24 umfasst. Der zweite Kühlkreis 24 weist weiter den Kompressors 27, den Kondensator 28 und das Expansionsventil 29 auf. Vor dem Expansionsventil 29 ist das erste Absperrventil 30 eingefügt und der zweite Verdampfer 31, der zur Kühlung der Fahrerkabine 3 dient, ist parallel zu dem Verdampfer 26 angeordnet und weist das eigene zweite Expansionsventil 32 sowie das zweite Absperrventil 33 auf.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 4 ist die Pumpe 13 zwischen dem Kühler 12 und dem Zusatzkühler 25 angeordnet sowie vor dem Kühlflüssigkeitsausgleichbehälter 14. Die Pumpe 13 kann aber auch an weiteren abweichenden Positionen in dem Kühlkreis 16 angeordnet werden, etwa zwischen dem Energiespeicherwärmetauscher 15 und dem Elektronikwärmetauscher 17, oder zwischen dem Elektronikwärmetauscher 17 und dem Kühler 12. Die Anordnung der Pumpe 13 gemäß der 7 ist ebenfalls bei den Ausführungsbeispielen der 2, 3, 5 und 6 möglich.
