DE102015014781A1

DE102015014781A1 - Elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015014781A1
Application number: DE102015014781.1A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Schmid
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-11-14
Filing date: 2015-11-14
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-11-15
Also published as: DE102015014781B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Antriebssystem, mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, mit einem Kühlsystem, welches einen Hochtemperaturkühlkreislauf (10) zur Kühlung einer Brennstoffzelle (5) aufweist, und welches wenigstens einen Niedertemperaturkühlkreislauf (11, 12) zur Kühlung von elektrischen und elektronischen Komponenten des Antriebs- und/oder Brennstoffzellensystems aufweist, und mit einem Klimasystem (9, 13) zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, wobei das Klimasystem (9, 13) und das Kühlsystem thermisch gekoppelt sind. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperaturkühlkreislauf in Form von zwei Niedertemperaturkühlkreisläufen (11, 12) aufgebaut ist, welche über Ventileinrichtungen (20, 21, 36, 37, 38) bei Bedarf fluidisch koppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebssystem, einem Brennstoffzellensystem, einem Kühlsystem und einem Klimasystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Elektrische Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem, einem Antriebssystem und einem Kühlsystem sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere das Kühlsystem ist bei der Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung mit einem Brennstoffzellensystem ein im praktischen Einsatz des Fahrzeuges entscheidender Punkt. Aufgrund der vergleichsweise geringen Betriebstemperatur eines Brennstoffzellensystems, im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, ist die Abwärme des Brennstoffzellensystems schlechter in die Umgebung abzuführen ist, als sie dies bei einem vergleichbar aufgebauten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wäre. Dies bedeutet in der Praxis, dass bei derselben eingesetzten Kühlerfläche, welche ohne eine Veränderung des Designs des Fahrzeugs genutzt werden kann, die Kühlleistung bei einem Brennstoffzellensystem im Vergleich niedriger ist. Insbesondere in Situationen, in denen die Fahrtgeschwindigkeit bei hoher Leistungsanforderung durch die Brennstoffzelle vergleichsweise klein ist, beispielsweise bei zügigen Bergauffahrten, stellt die Kühlleistung einen limitierenden Faktor für den Betrieb des Fahrzeugs dar. Wenn gleichzeitig ein Klimasystem in dem Fahrzeug betrieben wird, kann die verfügbare Leistung des Brennstoffzellensystems und damit die verfügbare Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die zur Verfügung stehende Kühlleistung signifikant limitiert werden. Dies ist höchst unerwünscht, sodass nach möglichst effizienten Möglichkeiten zur Kühlung des Brennstoffzellensystems gesucht wird.
Ein weiteres Problem hinsichtlich der Kühlleistung kann auch darin gesehen werden, dass im Zuge der Kosteneinsparung bei der Brennstoffzelle die zur Verfügung stehende aktive Fläche der Brennstoffzelle reduziert werden soll. Die zur Bereitstellung der aktiven Fläche notwendigen Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten verursachen nämlich die primären Kosten einer Brennstoffzelle, beispielsweise aufgrund des in der Fläche benötigten Katalysators. Wird die Fläche der Brennstoffzelle kleiner und daher mit einer höheren Leistung je Fläche betrieben, dann sinkt im Gegenzug die Spannung bei steigender Stromdichte ab, was letztlich zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und zu einer höheren Abwärme führt. Aufgrund der ohnehin schon limitierten Möglichkeiten, Abwärme in einem Fahrzeug mit herkömmlichem Fahrzeugdesign abzuführen, stellt dies einen weiteren Nachteil üblicher Kühlsysteme dar.
Aus dem Stand der Technik bei der Kühlung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystemen ist es nun bekannt, die Kühlsysteme so auszubilden, dass diese einerseits einen Hochtemperaturkühlkreislauf für die Brennstoffzelle und andererseits einen Niedertemperaturkühlkreislauf zur Kühlung elektrischer und elektronischer Komponenten aufweisen. Ferner ist typischerweise ein Klimamittelkondensator für die Klimaanlage des Fahrzeugs vorhanden. Die DE 10 2009 039 364 A1 schlägt ein Fahrzeug vor, bei welchem ein zweistufiger seriell von dem Kühlmittel durchströmter Hochtemperaturkühler zusammen mit einem Niedertemperaturkühler des kombinierten Hochtemperatur/Niedertemperaturkühlkreislaufs vom Fahrtwind als Kühlluft seriell nacheinander durchströmt werden. Der Klimamittelkondensator für die Klimaanlage ist unabhängig hiervon beispielsweise als Radlaufkühler ausgeführt. Der Aufbau verspricht eine ausreichende Kühlung für einen möglichst uneingeschränkten Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche.
Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der gattungsgemäßen US 6,370,903 B1 bekannt, wobei hier die Hochtemperatur- und Niedertemperaturkühler analog zur DE-Schrift angeordnet sind. Die Kühlkreisläufe sind eigenständig parallel ausgeführt und der Klimamittelkondensator wird über den Niedertemperaturkühlkreislauf gekühlt. Ferner kann über einen Verdampfer im Hochtemperaturkreislauf dieser über das Klimasystem bei Bedarf mitgekühlt werden.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit den Aktenzeichen 10 2015 006 387 ist eine Aufteilung des Niedertemperaturkühlkreislaufs in zwei getrennte Niedertemperaturkühlkreisläufe bekannt. Diese können dann auf unterschiedlichen Temperaturniveaus Komponenten kühlen, beispielsweise die Batterie sowie andere elektrische und elektronische Komponenten, wie beispielsweise den Niedervolt-DC/DC-Wandler auf einem niedrigeren Temperaturniveau als beispielsweise den Antriebsmotor und die Komponenten der Leistungselektronik des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem anzugeben, dessen Kühlung gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug der Niedertemperaturkühlkreislauf in Form eines ersten Niedertemperaturkühlkreislaufs mit und eines zweiten Niedertemperaturkühlkreislaufs ausgebildet ist. Eine solche Aufteilung des Niedertemperaturkühlkreislaufs in zwei Teilkreisläufe, welche über Ventileinrichtungen koppelbar sind und damit sowohl gekoppelt als auch getrennt voneinander betreiben werden können, ermöglicht durch die Verwendung zweier Niedertemperaturkühler unterschiedliche Temperaturniveaus der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe. Hierdurch wird es insbesondere möglich, die Leistungselektronik und den elektrischen Fahrmotor oder die elektrischen Fahrmotoren des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs über den ersten Niedertemperaturkühlkreislauf zu kühlen, und die Batterie sowie weitere elektrische und elektronische Komponenten, beispielsweise den Niedervolt-DC/DC-Wandler, über den zweiten, insbesondere kühleren, Niedertemperaturkühlkreislauf zu kühlen. Dies ermöglicht eine Differenzierung der Temperaturen der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe.
Dementsprechend kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch vorgesehen, dass der zweite Niedertemperaturkühlkreislauf ein geringeres Temperaturniveau aufweist, als der erste Niedertemperaturkühlkreislauf, wenn diese durch eine entsprechende Stellung der Ventileinrichtungen getrennt voneinander betrieben werden.
Zusätzlich ist es erfindungsgemäß so, dass die beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe durch die Ventileinrichtungen in dem erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeug koppelbar sind. Unter einer Kopplung ist dabei eine fluidische Kopplung zu verstehen, also die zumindest teilweise Nutzung desselben Kühlmediums in derselben Betriebssituation sowohl in dem einen als auch dem anderen der Niedertemperaturkühlkreisläufe. Dies ermöglicht in bestimmten Betriebssituationen wie beispielsweise einem Kaltstart des elektrisch angetrieben Fahrzeugs bzw. seines Brennstoffzellensystems oder auch bei hohen Umgebungstemperaturen und damit einhergehenden Schwierigkeiten, die benötigte Kühlleistung zuverlässig bereitzustellen, unterschiedliche Arten der Kopplung. Auf weitere Details hierzu wird weiter unten noch näher eingegangen.
Ein dritter erfindungsgemäßer Vorteil liegt darin, dass über das Klimasystem des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bei Bedarf eine zusätzliche Bereitstellung von Kühlleistung erfolgen kann.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist es dabei ferner vorgesehen, dass der Hochtemperaturkreislauf fluidisch unabhängig von den Niedertemperaturkühlkreisläufen ausgebildet ist. Auf eine Kopplung zwischen dem Hochtemperaturkühlkreislauf und den Niedertemperaturkühlkreisläufen, wie es im eingangs genannten Stand der Technik teilweise der Fall ist, wird hier also bewusst verzichtet. Dies ermöglicht eine unabhängige Kühlung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems über den Hochtemperaturkühlkreislauf einerseits und eine entsprechende Kühlung der elektronischen und elektrischen Komponenten beispielsweise des Antriebssystems und/oder der Energiespeicherung andererseits. Der Hochtemperaturkühlkreislauf und die beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe stehen dabei auch nicht über einen Wärmetauscher in direkter wärmeaustauschender Verbindung. Ungeachtet dessen können ein Hochtemperaturkühler des Hochtemperaturkühlkreislaufs und Niedertemperaturkühler der Niedertemperaturkühlkreisläufe von dem gleichem Kühlluftstrom zur Abkühlung parallel oder seriell durchströmt werden, wie es aus der eingangs genannten nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2015 006 387 bekannt ist.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann es nun vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtungen beispielsweise in der Art genutzt werden, dass die beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe über die Ventileinrichtungen zur parallelen Durchströmung ihrer Niedertemperaturkühler mit dem Kühlmedium koppelbar sind. Somit kann die Fläche beider Niedertemperaturkühler zur Abkühlung des Kühlmediums gemeinsam genutzt werden. Dies ist insbesondere dann zielführend, wenn gemäß einer zusätzlichen sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs die thermische Kopplung des Klimasystems und des Kühlsystems über einen vom Kühlmedium eines Niedertemperaturkühlkreislaufs durchströmten Verdampfer des Klimasystems realisiert ist. Das Klimasystem kann also zur weiteren Abkühlung des Kühlmediums in einen der Niedertemperaturkühlkreisläufe genutzt werden. So kann beispielsweise über eine geeignete Verschaltung, bei welcher die zu kühlenden Komponenten, wie es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein kann, von dem durch den Niedertemperaturkühler dieses Kühlkreislaufs strömenden Kühlmedium abgekoppelt werden, sodass eine Abkühlung dieser Komponenten ausschließlich über die thermische Kopplung mit dem Verdampfer, faktisch also durch das Klimasystem erfolgen kann.
Hierdurch kann, beispielsweise bei einer hohen erforderlichen Kühlleistung, die Abkühlung einer Batterie über das Klimasystem mit übernommen werden. Ist in dieser Situation der Niedertemperaturkühler dieses Kühlkreislaufs mit der Batterie von der Batterie und dem restlichen Kühlmedium sowie insbesondere der Kühlmedienfördereinrichtung abgekoppelt, dann steht dieser zur Verfügung, um als zusätzliche Kühlerfläche im anderen Niedertemperaturkühlkreislauf eingesetzt zu werden. Hierdurch kann die Abkühlung der weiteren elektronischen Komponenten, beispielsweise der Leistungselektronik und des Fahrmotors, verbessert werden, was insgesamt zu einer Steigerung der Kühlleistung führt. Hierdurch ist es möglich, bei hohen Umgebungstemperaturen die Fläche des Niedertemperaturkühlers durch eine Parallelschaltung der beiden vorhandenen Niedertemperaturkühler für einen der Niedertemperaturkühlkreisläufe zu nutzen. Die Kühlaufgabe im anderen Niedertemperaturkühlkreislauf wird dann durch das Klimasystem mit übernommen.
Durch diese Möglichkeit ist es dann ferner denkbar, die Niedertemperaturkühler und hier insbesondere den Niedertemperaturkühler des ersten die Leistungselektronik und den Fahrmotor kühlenden Kühlkreislaufs kleiner auszulegen, da bei Bedarf die Kühlfläche durch die Parallelschaltung vergrößert werden kann. Hierdurch sinkt der Strömungswiderstand, welcher der Kühlluft entgegensetzt wird. Damit steht auch nach dem Niedertemperaturkühler ein schnellerer und/oder größerer Kühlluftmassenstrom zur Verfügung. Wird dieser bei einem Aufbau der Kühler analog zur eingangs genannten nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2015 006 387 ausgelegt, dann bedeutet dies, dass der Hochtemperaturkühler, welcher seriell nach den Niedertemperaturkühlern von der Kühlluft angeströmt wird, damit eine größere Kühlleistung zur Verfügung stellt. Dies dient der verbesserten Abkühlung der Brennstoffzelle selbst und zögert eine kühlleistungsbedingte Limitierung der bereitstellbaren elektrischen Antriebsleistung hinaus, was letztlich der für den Nutzer des Fahrzeugs spürbaren Leistungsentfaltung des Fahrzeugs zugutekommt.
Eine entsprechende Verschaltung über die Ventileinrichtungen ermöglicht ferner bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine schnelle Erwärmung der Batterie, da eine zu niedrige Batterietemperatur die Leistungsfähigkeit der Batterie stark limitieren würde. In diesem Fall können die beiden Niedertemperaturkühlkreislaufe in der Art über ihre Ventileinrichtungen verbunden werden, dass unter Umgehung der Durchströmung der Kühler die Abwärme der Komponenten des einen Niedertemperaturkühlkreislaufs zur Erwärmung der Komponenten des anderen Niedertemperaturkühlkreislaufs eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht eine schnelle Erwärmung beispielweise der Batterie und sorgt dafür, dass die volle Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs schnellstmöglich zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ist es dabei ferner vorgesehen, dass das Klimasystem zwei parallele Expansionsventile und Verdampfer aufweist. Das Klimasystem des Fahrzeugs dient selbstverständlich nicht nur zur Unterstützung der Kühlung des einen Niedertemperaturkühlkreislaufs, sondern insbesondere auch zur Abkühlung des Innenraums des Fahrzeugs. Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung ist es deshalb vorgesehen, dass zwei Verdampfer mit ihren Expansionsventilen parallel zueinander vorhanden sind, sodass je nach Bedarf der Innenraum, der eine der Niedertemperaturkühlkreisläufe oder beide durch das Klimasystem gekühlt werden. Besteht kein Bedarf an einer derartigen Kühlung, kann das Klimasystem abgeschaltet werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Anordnung der Niedertemperatur- und Hochtemperaturkühler analog zu der eingangs erwähnten nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2015 006 387 ausgebildet sein. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass die Niedertemperaturkühler der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe bezüglich der Durchströmung mit Kühlluft zumindest bezüglich eines Teils ihrer Oberfläche parallel und der Hochtemperaturkühler des Hochtemperaturkühlkreislaufs hierzu seriell nach den Niedertemperaturkühlern angeordnet ist. Hierdurch wird eine Durchströmung entsprechend der Kühltemperaturen erreicht, um so mit minimalem Bedarf an Fläche eine bestmögliche Kühlung zu gewährleisten, wie es im genannten nicht vorveröffentlichen Stand der Technik beschrieben ist. Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen elektrischen Fahrzeugs kann es dementsprechend ferner vorgesehen sein, dass ein Kondensator des Klimasystems bezüglich der Durchströmung mit Kühlluft seriell vor den Niedertemperaturkühlkreisläufen angeordnet ist.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sieht es nun außerdem vor, dass der Hochtemperaturkühlkreislauf einen Zusatzheizer und einen Innenraumwärmetauscher, sowie insbesondere eine zusätzliche Kühlmittelfördereinrichtung zur reinen Innenraumbeheizung des Fahrzeugs mittels des Zusatzheizers, aufweist. Zur Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs wird also das Kühlmedium im Hochtemperaturkühlkreislauf des Fahrzeugs genutzt. Zur schnellen Erwärmung des Brennstoffzellensystems weist dieser typischerweise einen Zusatzheizer auf. Dieser kann beispielsweise als elektrischer Zusatzheizer oder auch als Zusatzheizer, in welchem ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verbrannt wird, ausgebildet sein. Dieser Zusatzheizer kann nun außerdem zur Innenraumbeheizung entweder ergänzend zur Aufheizung der Brennstoffzelle in einem Kaltstartszenario oder auch unabhängig hiervon durch das Vorsehen einer weiteren Kühlmittelfördereinrichtung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee genutzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
2 eine mögliche Ausführungsform eines Kühlsystems eines Klimasystems gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßiges und sehr stark schematisiert angedeutetes elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 zu erkennen. Es bewegt sich in Fahrtrichtung F fort. Zum Antrieb dient ein elektrischer Antriebsmotor 2, welcher rein beispielhaft zwei der Räder über eine gemeinsame Achse 3 antreibt. Außerdem gehört zum elektrischen Antriebssystem eine mit 4 bezeichnete Leistungselektronik, welche einerseits mit einer Brennstoffzelle 5 eines Brennstoffzellensystems und außerdem mit einer Batterie 6 bzw. Traktionsbatterie in Verbindung steht. Die Brennstoffzelle 5 ist Teil eines an sich bekannten Brennstoffzellensystems. Sie wird anodenseitig mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 und kathodenseitig mit Luft über eine Luftfördereinrichtung 8 versorgt und stellt in an sich bekannter Art und Weise elektrische Antriebsleistung zur Verfügung. Über den detaillierten Aufbau des Brennstoffzellensystems muss hier nichts weiter ausgeführt werden, da ein solches, insbesondere auch für den Einsatz in einem Fahrzeug 1, für den Fachmann allgemein bekannt ist. Das elektrisch angetriebene Fahrzeug 1 weist außerdem eine Klimaanlage 9 zur Klimatisierung des Innenraums auf. Auch diese ist an sich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
In dem hier dargestellten elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1 werden die Abwärme der Brennstoffzelle 5 sowie die Abwärme der Leistungselektronik 4, des Fahrmotors 2 sowie der Batterie 6 über drei Kühlkreisläufe 10, 11, 12 abgeführt. Der Kühlkreislauf zur Abfuhr der Abwärme aus der Brennstoffzelle 5 wird als Hochtemperaturkühlkreislauf 10 bezeichnet. Der Kühlkreislauf zur Abfuhr der Wärme beispielsweise des elektrischen Fahrmotors 2 und der Leistungselektronik 4 wird als erster Niedertemperaturkühlkreislauf 11 bezeichnet. Ein zweiter Niedertemperaturkühlkreislauf 12 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Batterie 6 verbunden und führt deren Abwärme ab. Außerdem ist ein Klimakreislauf 13 angedeutet, welcher zusammen mit der Klimaanlage 9 ein Klimasystem des Fahrzeugs 1 darstellen soll, und welcher zur Abkühlung des Klimamittels der Klimaanlage 9 in einem Klimamittelkondensator 14 ausgebildet ist. Der Klimamittelkondensator 14 ist dabei im Frontbereich des Fahrzeugs 1 angeordnet und wird von dem Fahrtwind als Kühlluftstrom K durchströmt. In Strömungsrichtung der Kühlluft K nach dem Klimamittelkondensator 14 sind hier außerdem ein Hochtemperaturkühler 15, ein erster Niedertemperaturkühler 16 sowie ein zweiter Niedertemperaturkühler 17 angeordnet, welche jeweils dem ersten bzw. zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf 11, 12 zugeordnet sind. Seriell dazu kann außerdem in an sich bekannter Art und Weise ein angedeutetes Gebläse 18 angeordnet sein.
Zwischen dem Klimasystem aus der Klimaanlage 9 und dem Klimamittelkreislauf 13 sowie dem zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf 12 besteht dabei eine thermische Kopplung, welche in der Darstellung der 1 als Verdampfer 19 angedeutet ist. Dieser kann insbesondere als Wärmetauscher in der Art ausgeführt sein, dass in ihm das Klimamittel verdampft und die Verdampfungskälte von dem Kühlmedium des zweiten Niedertemperaturkühlkreislaufs 12 aufgenommen wird. Außerdem sind der erste Niedertemperaturkühlkreislauf 11 und der zweite Niedertemperaturkühlkreislauf 12 in der Darstellung der 1 rein beispielhaft über zwei angedeutete Ventileinrichtungen 20, 21 miteinander koppelbar, sodass es zu einem fluidischen Austausch des Kühlmediums der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe 11, 12 je nach Stellung der Ventileinrichtungen 20, 21 kommen kann.
Um nun mit minimalem Platzaufwand eine ideale Kühlung zu gewährleisten, ist es so, dass in einer ersten Ebene der Kühlmittelkondensator 14 von der Kühlluft K durchströmt wird. In der zweiten Ebene werden dann die beiden Niedertemperaturkühler 16, 17.
Die Kühlluft K strömt dann zur dritten Ebene, in welcher der Hochtemperaturkühler 15 angeordnet ist. Dies ist so auch in der älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2015 006 387 beschrieben, wobei die dort beschriebenen Ausgestaltungen der Anordnungen, insbesondere auch die in 3 gezeigten Möglichkeiten der Anordnung zusammen mit den sie beschreibenden Textpassagen für die Ausgestaltung gemäß dieser Ausführung ebenso anwendbar sind.
In der Darstellung der 2 ist eine detaillierte Darstellung eines möglichen Kühlsystems und Klimasystems gezeigt. Auch hier sind der Klimamittelkondensator 14, die beiden Niedertemperaturkühler 16, 17 sowie der Hochtemperaturkühler 15 zur Durchströmung mit dem Kühlluftstrom K hintereinander angeordnet. Zur Verdeutlichung sind die einzelnen Kreisläufe soweit möglich mit allen ihren Komponenten jeweils mit einer Strichart dargestellt. Unabhängig von den beiden Niedertemperaturkühlkreislaufen 11 und 12 ist dabei der Hochtemperaturkühlkreislauf 10 abgebildet. Er ist samt seiner durchströmten Komponenten in strichpunktierter Linie ausgeführt. Ausgehend von dem Hochtemperaturkühler 15 strömt das Kühlmedium in dem Hochtemperaturkühlkreislauf 10 über eine Hochtemperaturkühlpumpe 22 durch die Brennstoffzelle 5 und parallel hierzu durch zu kühlende Hochtemperaturkomponenten 23. In an sich bekannter Weise ist über ein Bypassventil 24 ein Bypass 25 um den Hochtemperaturkühler 15 vorhanden, sodass im Kaltstartfall die Brennstoffzelle 5 schnell aufgewärmt werden kann. Als weitere Komponente ist im Gegenstrom parallel zur Hochtemperaturkühlpumpe 22 außerdem ein Ionentauscher 26 mit eingezeichnet. Ein weiterer Teil des Hochtemperaturkühlkreislaufs weist einen Zusatzheizer 27 sowie einen Innenraumwärmetauscher 28 auf. In diesem Teil ist außerdem eine zusätzliche Kühlmittelfördereinrichtung 29 angeordnet. Bei Bedarf kann über den Zusatzheizer 27, welcher beispielsweise als elektrischer Zusatzheizer 27 ausgebildet sein kann, so das Kühlmedium erwärmt werden. Wärme aus dem Hochtemperaturkühlkreislauf 10 kann so außerdem dem Innenraumwärmetauscher 28 zugeführt werden. Bei Bedarf kann durch einen Betrieb des Zusatzheizers 27 und der zusätzlichen Kühlmittelfördereinrichtung 29 auch bei einer Stellung einer Ventileinrichtung 30 eine ausschließliche Erwärmung des Innenraums über den Innenraumwärmetauscher 28 erfolgen, ohne dass der gesamte Hochtemperaturkühlkreislauf 10 betrieben werden müsste. Der Hochtemperaturkühlkreislauf 10 ist dabei fluidisch unabhängig von den beiden Niedertemperaturkühlkreisläufen 11, 12 ausgebildet und steht mit diesen lediglich über die Durchströmung des Hochtemperaturkühlers 15 durch dieselbe Kühlluft K in bedingter thermischer Verbindung.
Der Klimamittelkreislauf 13 ist hier in durchgezogener Linie dargestellt. Über ein Expansionsventil 31 kann Klimamittel in einem Innenraumverdampfer 32 verdampft werden, um so die zum Innenraum strömende Kabinenluft L bei Bedarf abzukühlen. Über einen Klimamittelverdichter 33 wird das Klimamittel dann zum Klimamittelkondensator 14 geführt und gelangt von dort zurück zum Expansionsventil 31. Ferner ist ein zweites Expansionsventil 34 parallel dazu in dem Klimakreislauf 13 vorhanden. Dieses führt zu dem Verdampfer 19, welcher als Wärmetauscher ausgebildet und von dem Kühlmedium des zweiten Niedertemperaturkühlkreislaufs 12 bei Bedarf durchströmbar ist. Hierdurch ist es möglich durch ein Öffnen des Expansionsventils 34 das Kühlmittel in dem zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf 12 entsprechend abzukühlen.
Der erste Niedertemperaturkühlkreislauf 11 und der zweite Niedertemperaturkühlkreislauf 12 sind jeweils in gestrichelter Linie dargestellt, wobei soweit wie möglich die Komponenten des ersten Niedertemperaturkühlkreislaufs 11 mit längeren Strichen ausgebildet sind als die des zweiten Niedertemperaturkühlkreislaufs 12. Da die beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe 11, 12 über mehrere Ventileinrichtungen 20, 21, 36, 37, 38, 40 koppelbar sind, sind in diesen Bereichen die gestrichelten Darstellungen teilweise sowohl dem einen als auch dem anderen der Niedertemperaturkühlkreisläufe 11, 12 zuzuordnen. In der Darstellung konnte dies nicht immer berücksichtigt werden. Es ergibt sich jedoch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Im nicht gekoppelten Zustand der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe 11, 12 ist es so, dass der erste Niedertemperaturkühlkreislauf 11 zur Kühlung von ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 dient, welche insbesondere den elektrischen Antriebsmotor 2 sowie die Komponenten der Leistungselektronik 4 umfassen können. Über eine Bypassleitung 42 und ein entsprechendes Bypassventil 35 kann bei Bedarf eine Kühlung im Kurzschluss über die erste Niedertemperaturkühlmedienpumpe 43 erfolgen. Im regulären Betrieb wird das Kühlmedium nach den Niedertemperaturkühlkomponenten 41 zum Niedertemperaturkühler 16 strömen und von hier zurück zur ersten Niedertemperaturkühlmedienpumpe 43.
Der zweite Niedertemperaturkühlkreislauf 12 dient zur Kühlung weiterer elektrischer und elektronischer Bauteile sowie insbesondere der Batterie 6. Diese Bauteile sind als zweite Niedertemperaturkühlkomponenten 44 in dem Niedertemperaturkühlkreislauf 12 angedeutet. Im regulären Betrieb wird das Kühlmedium nach den zweiten Niedertemperaturkühlkomponenten 44 zu dem zweiten Niedertemperaturkühler 17 strömen und gelangt von dort über eine zweite Niedertemperaturkühlmedienpumpe 45 zurück zu den zweiten Niedertemperaturkühlkomponenten 44.
In diesem regulären Betrieb ist das Temperaturniveau des zweiten Niedertemperaturkühlkreislaufs 12 niedriger als das des ersten Niedertemperaturkühlkreislaufs 11. Die zweiten zu kühlenden Niedertemperaturkomponenten 44 werden also auf eine niedrigere Temperatur gekühlt als die ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41.
In der Praxis kann es nun sein, dass mit dem elektrisch angetrieben Fahrzeug 1 beispielsweise bei schneller Bergauffahrt und hohen Umgebungstemperaturen die gewünschte Leistung nicht abgerufen werden kann, weil insbesondere die für die Brennstoffzelle 5 zur Verfügung stehende Kühlleistung nicht ausreicht. In diesem Fall ist es nun möglich, den zweiten Niedertemperaturkühler 17 über eine geeignete Ansteuerung der Ventileinrichtungen 20 und 36 parallel zu dem ersten Niedertemperaturkühler 16 in den ersten Niedertemperaturkühlkreislauf 11 zu schalten. Hierfür muss lediglich eine geeignete Schaltstellung der Ventileinrichtungen 20 und 36 gewählt werden. In diesem Fall kommt es nun dazu, dass durch die Vergrößerung der Kühlfläche für den ersten Niedertemperaturkühlkreislauf die Abkühlung der ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 verbessert wird. Gleichzeitig verteilt sich deren Abwärme auf eine größere Fläche der Kühler, da nun die gesamte Fläche des ersten und des zweiten Niedertemperaturkühlers 16, 17 in dem ersten Niedertemperaturkühlkreislauf 11 zur Verfügung steht. Dadurch ist es ferner möglich, dass kühlere Kühlluft K bis zum Hochtemperaturkühler 15 gelangt und somit auch die Kühlung der Brennstoffzelle 5 verbessert wird. Da selbstverständlich auch die zweiten Niedertemperaturkühlkomponenten 44, und darunter insbesondere die Batterie 6, gekühlt werden müssen, werden die Ventileinrichtungen 37 und 40 nun so eingestellt, dass der Verdampfer 35 von dem Kühlmedium in dem zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf 12 durchströmt wird. Durch ein Öffnen des Expansionsventils 34 kommt es zu einer Abkühlung des Kühlmediums über den Klimakühlkreislauf 13, sodass auch hier eine ausreichende Kühlung gewährleistet bleibt.
Ein dritter Anwendungsfall kann insbesondere ein Start bei niedrigen Umgebungstemperaturen und insbesondere einer niedrigen Betriebstemperatur der Batterie 6 sein. Insbesondere bei der Ausgestaltung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 als sogenanntes Plug-In-Fahrzeug ist es wünschenswert, dass schnellstmöglich die volle Leistungsfähigkeit der Batterie 6 vorhanden ist, um die gewünschte elektrische Antriebsleistung uneingeschränkt zur Verfügung zu haben. Für diesen Fall kann es nun vorgesehen sein, dass die Abwärme der ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 unter Umgehung des ersten Niedertemperaturkühlers 16 durch eine entsprechende Schaltstellung der Ventileinrichtung 21 und der Ventileinrichtung 38 zu den zweiten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 gefördert wird. Anschließend strömt das Kühlmedium dann über die Ventileinrichtung 37 und die Ventileinrichtung 20 durch den gegenüber dem ersten Niedertemperaturkühler 16 typischerweise in der Kühlfläche kleineren zweiten Niedertemperaturkühler 17 und über die Ventileinrichtung 36 zurück in den ersten Niedertemperaturkühlkreislauf 11. Somit wird eine ausreichende Abkühlung der ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 einerseits und eine Aufwärmung der zweiten Niedertemperaturkühlkomponenten 44 durch die Abwärme der ersten Niedertemperaturkühlkomponenten 41 andererseits erreicht.
All dies führt zu einem deutlich verbesserten hocheffizienten System zur Temperierung sowohl des Innenraums des Fahrzeugs 1 als auch zur Kühlung der Brennstoffzelle 5 sowie elektrischer und elektronischer Komponenten.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: elektrischer Antriebsmotor
3: gemeinsame Achse
4: Leistungselektronik
5: Brennstoffzelle 5
6: (Traktions-)batterie
7: Druckgasspeicher
8: Luftfördereinrichtung
9: Klimaanlage
10: Hochtemperaturkühlkreislauf
11: erster Niedertemperaturkühlkreislauf
12: zweiter Niedertemperaturkühlkreislauf
13: Klimakreislauf
14: Klimamittelkondensator
15: Hochtemperaturkühler
16: erster Niedertemperaturkühler
17: zweiter Niedertemperaturkühler
18: Gebläse
19: Verdampfer
20: Ventileinrichtung
21: Ventileinrichtung
22: Hochtemperaturkühlpumpe
23: Hochtemperaturkühlkomponenten
24: Bypassventil
25: Bypass
26: Ionentauscher
27: Zusatzheizer
28: Innenraumwärmetauscher
29: Kühlmittelfördereinrichtung
30: Ventileinrichtung
31: Expansionsventil
32: Verdampfer
34: Expansionsventil
35: Bypassventil
36: Ventileinrichtung
37: Ventileinrichtung
38: Ventileinrichtung
40: Ventileinrichtung
41: Niedertemperaturkühlkomponente
42: Bypassleitung
43: Niedertemperaturkühlmedienpumpe
44: Niedertemperaturkühlkomponente
45: Kühlmittelfördereinrichtung
K: Kühlluft
F: Fahrtrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009039364 A1 [0004]
US 6370903 B1 [0005]
DE 102015006387 [0006, 0013, 0016, 0019, 0029]

Claims

Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Antriebssystem, mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, mit einem Kühlsystem, welches einen Hochtemperaturkühlkreislauf (10) zur Kühlung einer Brennstoffzelle (5) aufweist, und welches wenigstens einen Niedertemperaturkühlkreislauf (11, 12) zur Kühlung von elektrischen und elektronischen Komponenten des Antriebs- und/oder Brennstoffzellensystems aufweist, und mit einem Klimasystem (9, 13) zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, wobei das Klimasystem (9, 13) und das Kühlsystem thermisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperaturkühlkreislauf in Form von zwei Niedertemperaturkühlkreisläufen (11, 12) aufgebaut ist, welche über Ventileinrichtungen (20, 21, 36, 37, 38) bei Bedarf fluidisch koppelbar sind.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühlkreislauf (10) fluidisch unabhängig von den Niedertemperaturkühlkreisläufen (11, 12) ausgebildet ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe (11, 12) über die Ventileinrichtungen (20, 21, 36, 37, 38) zur parallelen Durchströmung ihrer Niedertemperaturkühler (16, 17) mit dem Kühlmedium fluidisch koppelbar sind.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu kühlende Komponenten (44) und/oder eine Kühlmittelfördereinrichtung (45) des einen Niedertemperaturkühlkreislaufs (12) über die Ventileinrichtungen (36, 37) von dem durch dessen Niedertemperaturkühler (17) strömenden Kühlmedium fluidisch abkoppelbar sind.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung des Klimasystems (9, 13) und des Kühlsystems über einen vom Kühlmedium des einen Niedertemperaturkühlkreislaufs (12) durchströmten Verdampfer (35) des Klimasystems (9, 13) realisiert ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimasystem (9, 13) zwei parallele Expansionsventile (31, 34) und Verdampfer (32, 19) aufweist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturkühlkreislaufe (11, 12) im nicht fluidisch gekoppelten Zustand unterschiedliche Vorlauftemperaturen für die zu kühlenden Komponenten (41, 44) aufweisen.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturkühler (16, 17) der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe (11, 12) bezüglich der Durchströmung mit Kühlluft (K) zumindest bezüglich eines Teils ihrer Oberfläche parallel und der Hochtemperaturkühler (15) des Hochtemperaturkühlkreislaufs (10) zumindest bezüglich eines Teils seiner Oberfläche hierzu seriell nach den Niedertemperaturkühlern (16, 17) angeordnet ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klimakondensator (14) bezüglich der Durchströmung mit Kühlluft (K) seriell zumindest bezüglich eines Teils seiner Oberfläche vor den Niedertemperaturkühlern (16, 17) angeordnet ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühlkreislauf (10) einen Zusatzheizer (27) und einen Innenraumwärmetauscher (28), sowie insbesondere eine zusätzliche Kühlmittelfördereinrichtung (29) zur reinen Innenraumbeheizung des Fahrzeugs (1) mittels des Zusatzheizers (27), aufweist.