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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die Erfindung ebenfalls ein Energiesystem mit mindestens einem Batteriemodul und mindestens einem Brennstoffzellenmodul gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Stand der Technik
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Derartige Verfahren werden oftmals für Fahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge eingesetzt, welche mit Brennstoffzellenmodulen betrieben werden. Kernkomponenten sind dabei so genannte Brennstoffzellenstacks, die aus mehreren Einzelzellen bestehen, die in Bipolaranordnung aufeinander gestapelt und miteinander verspannt sind. Kernkomponente einer Einzelzelle ist eine so genannte Membranelektrodeneinheit, welche eine protonenleitende Membran umfasst, auf welcher beidseitig Katalysatorschichten aufgebracht sind. Um eine optimale Befeuchtung und Leitfähigkeit der Membran zu gewährleisten, werden auf derartigen Membranen basierte Brennstoffzellen typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 90° betrieben. Ein entsprechendes Kühlsystem ist dementsprechend auf das obere Ende dieses Temperaturbereichs ausgelegt. Ferner verfügt eine Brennstoffzelle üblicherweise über eine Hypotisierung mittels eines Akkumulators. Die aktuell verwendeten Akkumulatoren werden auf Lithium-Ionen-Basis bei Temperaturen von < 40°C betrieben. In den Zellen werden karbonatbasierte flüssige oder gelartige Elektrolyte verwendet, die bei höheren Temperaturen in Kontakt mit dem verwendeten Aktivmaterial eine stark beschleunigte Alterung zeigen und außerdem in sicherheitskritische Zustände gelangen können. Um dies zu verhindern, benötigt der Hybridakkumulator ein eigenes Kühlsystem, welches typischerweise mit der Klimaanlage des Fahrzeugs verbunden ist. Eine überdurchschnittlich leistungsfähige Klimaanlage kommt dabei zum Einsatz. Ferner ist es üblich, dass das Kühlsystem über eine eigene Klimaanlage verfügt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Ferner betrifft die Erfindung ebenfalls ein Energiesystem mit mindestens einem Batteriemodul und mindestens einem Brennstoffzellenmodul mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems umfasst zumindest ein Batteriemodul und zumindest ein Brennstoffzellenmodul. Ferner umfasst das Verfahren einen ersten Temperierkreislauf für zumindest das Batteriemodul sowie einen zweiten Temperierkreislauf für zumindest das Brennstoffzellenmodul. Dabei ist der Kern der Erfindung, dass ein direkter energietechnischer Austausch zwischen dem ersten Temperierkreislauf und dem zweiten Temperierkreislauf durchgeführt wird, wodurch sich u. a. deutliche Vorteile beim Kaltstart sowie im Betrieb des Energiesystems ergeben, da zusätzliche Energie beim Kaltstart zum Aufwärmen und beim Betrieb des Energiesystems zur Temperierung vermieden werden kann. Außerdem läßt sich die Aufheizphase beim Kaltstart verkürzen. Bei einem Batteriemodul kann es sich vorzugsweise um eine elektrische Batterie handeln, die eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen umfasst. Ferner kann es sich ebenfalls um wieder aufladbare Akkumulatoren handeln. Weiterhin können bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Diese funktionieren auf der Basis von Lithium-Verbindungen, wobei diese reaktiven Materialien in den Elektroden sowie im Elektrolyt Lithium-Ionen enthalten. Vorteilhafterweise können Lithium-Ionen-Batterien thermisch stabil sein. Insbesondere durch die Verwendung eines Mitteltemperaturbatteriekonzepts können die Batterien bei Temperaturen zwischen 20 und 120°C, bevorzugt bei Temperaturen zwischen 35 und 100°C und besonders bevorzugt bei Temperaturen zwischen 50 und 80°C betrieben werden. Bei dem Brennstoffzellenmodul kann es sich insbesondere um PEM-Brennstoffzellen handeln, wobei das Brennstoffzellenmodul aus einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks bestehen kann, wobei die einzelnen Stacks aus bis zu mehreren hundert Einzelzellen bestehen können. Das Brennstoffzellenmodul kann vorzugsweise im selben Temperaturbereich betrieben werden wie das Batteriemodul. Zur Temperierung des Brennstoffzellenmoduls sowie des Batteriemoduls können Temperierkreisläufe vorgesehen sein. Dabei kann ein erster Temperierkreislauf für das Batteriemodul vorgesehen und ein zweiter Temperierkreislauf für das Brennstoffzellenmodul vorgesehen sein. Erfindungswesentlich kann sowohl das Batteriemodul als auch das Brennstoffzellenmodul zu einem einzigen gemeinsamen Temperierkreislauf aus verbundenen Temperierkreisläufen temperiert werden. Mehrere separate Temperierkreisläufe bzw. Temperiermittel sind damit überflüssig. Bei dem Temperierkreislauf kann es sich insbesondere um mindestens einen Kühlkreislauf handeln, der einen Temperaturbereich von insbesondere 50 bis 80°C im Energiesystem konstant hält. Die Temperierung erfolgt dabei insbesondere gegen die Außentemperatur. Ferner ist ein Verbund mit einer Klimaanlage, insbesondere der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, ebenfalls denkbar. Der erste Temperierkreislauf des Batteriemoduls und der zweite Temperierkreislauf für das Brennstoffzellenmodul können miteinander verbunden sein, insbesondere ineinander integriert sein. Die Verbindung bzw. die Integration kann vorzugsweise energietechnisch erfolgen, wobei ein Austausch von Energie zwischen dem ersten Temperierkreislauf und dem zweiten Temperierkreislauf ermöglicht wird. Vorteilhafterweise kann damit ein separates Temperiersystem, insbesondere ein Kühlsystem, eingespart werden und ein gemeinsamer Temperierkreislauf kann sowohl für das Brennstoffzellenmodul als auch für das Batteriemodul ausreichend sein. Ein Temperierkreislauf mit einem Klimakompressor wird im Gegensatz zu konventionellen Li-Ionen-Batteriemodulen nicht benötigt. Vorteilhafterweise kann es durch ein derartiges Verfahren ermöglicht werden die Temperierung in dem Energiesystem auf einfache und kostengünstige Weise zu gewährleisten.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass die Temperierkreisläufe des Energiesystems thermisch miteinander verbunden werden. Insbesondere kann diese Verbindung durch zumindest einen Wärmetauscher erfolgen. Ein Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die thermische Energie übertragen kann. Die Wärmeübertragung kann dabei direkt oder indirekt erfolgen. Ein Wärmetauscher kann die Temperatur bevorzugt dadurch austauschen, dass Fluide aneinander vorbei geleitet werden und beim Passieren sich die verschiedenen Temperaturen angleichen können. Die thermische Verbindung kann dazu führen, dass in dem ersten und in dem zweiten Temperierkreislauf jeweils die gleiche Temperatur vorherrscht. Die bevorzugte Temperatur ist dabei insbesondere zwischen 50°C und 80°C.
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Ferner ist es ebenfalls denkbar, dass die Temperierkreisläufe fluidtechnisch miteinander verbunden werden. Insbesondere kann dies der Fall sein, wenn die Temperierkreisläufe durchlässig für spezifische Fluide sind. Bei den Fluiden kann es sich dabei vorteilhafterweise um gasförmige oder flüssige Fluide handeln, insbesondere um Luft, Wasser, Öl und/oder Glykol sowie ein Gemisch daraus. Bei dem Fluid kann es sich dabei insbesondere um ein Temperierfluid handeln. Das Fluid kann dabei vorteilhafterweise zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Batteriemoduls und/oder des Brennstoffzellenmoduls sorgen. Ein Temperierfluid ist dabei ein Medium, welches insbesondere in einem Heiz- und/oder einem Kühlkreislauf ein bestimmtes Fluid von einem Ort zu einem anderen Ort transportiert. Insbesondere weisen die beiden Orte dabei ein Temperaturgefälle auf. Bei Temperierfluiden kann es sich sowohl um Heizfluide als auch um Kühlfluide handeln. Vorliegend können insbesondere Kühlfluide eingesetzt werden. Ein Temperierfluid kann dabei insbesondere eine spezifische Wärmekapazität und einen großen Wärmeübertragungskoeffizienten auf sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein niedriger Gefrierpunkt bei insbesondere < 30°C und ein ausreichend hoher Siedepunkt bei insbesondere > als 130°C ist können dabei sinnvoll sein. Ferner ist ebenfalls eine geringe Viskosität des Temperierfluids von Vorteil, um besonders leicht transportiert werden zu können. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Wärmeträgerfluid weder brennbar noch explosiv oder giftig ist, um die Sicherheit des gesamten Energiesystems zu gewährleisten. Luft als Temperierfluid kann zur Kühlung oder zur Erwärmung eingesetzt werden. Weiterhin hat Luft den Vorteil, dass diese umweltschonend eingesetzt werden kann. Wasser kann ferner aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität (ca. 4,2 kJ pro kg) und seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie (ca. 2000 kJ pro kg) und seiner Schmelztemperatur von ca. 330 kJ pro kg, ein guter Wärme- bzw. Kälteträger sein. Wasser kann dabei insbesondere als Kühlfluid ein Kühlmittel darstellen. Wasser kann nicht nur im flüssigen, sondern auch im gas- bzw. dampfförmigen Zustand als Wärmeträger und im festen Zustand als Kälteträger eingesetzt werden. Neben Wasser können auch weitere Wasserzusammensetzungen eingesetzt werden, insbesondere Wasser/Glykol-Zusammensetzungen können den Vorteil haben, dass diese kaum korrosiv sind. Ferner können diese insbesondere als Gefrierschutz eingesetzt werden, da der Gefrierpunkt bei sehr niedrigen Temperaturen liegt. Öle, insbesondere Thermalöle, können zur Ölkühlung oder Ölbeheizung eingesetzt werden. Insbesondere können Materialöle, Synthetiköle und/oder biologische Öle verwendet werden. Besonders Mineralöle können dabei zur Wärmeübertragung eingesetzt werden.
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Die Fluide des ersten Temperierkreislaufs können dabei ebenfalls den zweiten Temperierkreislauf und umgekehrt durchfließen. Durch eine fluidtechnische Verbindung kann insbesondere ein effizientes Angleichen der Temperatur im gesamten gemeinsamen Temperierkreislauf erreicht werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Fluide über Leitungen zu den verschiedenen Komponenten (wie bspw. Batteriemodul, Pumpe, Ventile, Wärmetauscher, Brennstoffzellenmodul) der Temperierkreisläufe geführt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Leitungen aus Kunststoff oder Kunststoffverbänden oder anderen Materialien hergestellt sind, sodass diese ein geringes Gewicht aufweisen und gleichzeitig sehr strapazierfähig ausgestaltet sein können. Die Ventile können dabei insbesondere von Vorteil sein, da sie die Fluide aus der Vorrichtung entlassen bzw. durch diese in die Vorrichtung hineinleitbar sind oder durch diese austauschbar sind. Daher kann die Anordnung von Ventilen insbesondere in oder um den Pumpbereich von Vorteil sein, kann jedoch je nach Verbauung der Vorrichtung gemäß einer optimalen Zugänglichkeit variiert werden.
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Es ist ebenfalls denkbar, dass das Batteriemodul und das Brennstoffzellenmodul auf im Wesentlichen demselben Temperaturniveau betrieben werden. Bei einem ähnlichen Temperaturniveau des Batteriemoduls bzw. des Brennstoffzellenmoduls kann vorteilhafterweise auf zwei verschiedene Systeme zum Temperieren verzichtet werden. Das im Wesentlichen selbe Temperaturniveau kann vorteilhafterweise durch einen gemeinsamen Temperierkreislauf aus zumindest einem ersten und zumindest einem zweiten Temperierkreislauf entstehen. Hierdurch kann ein energietechnischer Austausch, insbesondere ein Wärmetausch stattfinden, sodass sowohl das Batteriemodul als auch das Brennstoffzellenmodul auf demselben Temperaturniveau betrieben werden können.
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Ferner ist es möglich, dass das Batteriemodul bei einer Temperatur von 20 bis 120°C, bevorzugt bei einer Temperatur von 35 bis 100°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 50 bis 80°C betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, dass das Brennstoffzellenmodul bei einer Temperatur von 20 bis 120°C bevorzugt bei einer Temperatur von 35 bis 100°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 50 bis 80°C betrieben wird. Bei diesem Temperaturbereich kann vorzugsweise von einer Mitteltemperatur ausgegangen werden. Dabei kann es sich vorteilhafterweise um Mitteltemperatur-Batteriemodule sowie Mitteltemperatur-Brennstoffzellenmodule handeln. Diese können im selben Temperaturbereich, insbesondere bei 50 bis 80°C betrieben werden. Wenn beide Module sich in demselben Temperaturbereich befinden, gibt es keine Notwendigkeit für ein eigenes System zur Temperierung beider Module. Beide Module können mit demselben System zur Temperierung, insbesondere demselben Temperierkreislauf temperiert werden. Dadurch kann erreicht werden, dass derartige Brennstoffzellenmodule kaltstartfähig sind und somit auch bei Temperaturen von –25°C oder darunter starten können. Kühlt bspw. das Batteriemodul nach längerem Stillstand des Batteriemoduls auf eine Temperatur ab, die unterhalb ihres Betriebstemperaturbereichs liegt, so kann im erfindungsgemäßen System der Kaltstart durch ein Brennstoffzellenmodul vorgenommen werden und mit dem Modul im gemeinsamen Temperierkreislauf das Batteriemodul auf Betriebstemperatur gebracht werden. Ebenfalls ist es denkbar, dass auch das Batteriemodul in der Lage sein kann das Brennstoffzellenmodul auf den gewünschten Betriebstemperaturbereich zu bringen. Die Temperierung kann dabei wechselseitig erfolgen, wodurch Energie sowie auch Zeit eingespart werden kann.
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Ferner kann ein Kontrollgerät vorgesehen sein, welches mit den Temperierkreisläufen in Verbindung steht. Diese Verbindung kann insbesondere mit dem Batteriemodul und/oder mit dem Brennstoffzellenmodul bestehen. Die Verbindung erfolgt vorteilhafterweise über eine Signalverbindung zum Datenaustausch und/oder zur Kontrolle. Das Kontrollgerät kann dabei die verschiedenen Parameter überwachen. Vorteilhafterweise kann das Kontrollgerät die Temperatur des Batteriemoduls bzw. des Brennstoffzellenmoduls überwachen. Darüber hinaus kann ebenfalls eine Überwachung des Fluidflusses von Vorteil sein. Das Kontrollgerät kann dabei ferner den Fluidfluss steuern, insbesondere durch eine Regelung der Pumpe und/oder des Ventils und/oder des Wärmetauschers. Für die Pumpe kann insbesondere die Dauer der Pumpleistung sowie die Intensität oder der Druck der Pumpleistung eingestellt werden. Die Ventile, wobei es sich vorteilhafterweise um Drei- bzw. Vierwegeventile handelt, können derart gesteuert werden, dass die Durchflussmenge des Fluids durch die Leitung zwischen den verschiedenen Modulen variierbar ist. Ferner kann ebenfalls der Wärmetauscher kontrolliert werden, wobei eine Intensität der Luftkühlung gesteuert werden kann und damit eine Verringerung bzw. Erhöhung der Temperatur einhergehen kann. Über das Kontrollgerät kann somit festgelegt werden, ob die Vorrichtung erwärmt oder gekühlt werden soll. Eine Steuerung der einzelnen Komponenten kann dabei insbesondere zentral erfolgen. Ferner können in dem Kontrollgerät Referenzwerte gespeichert werden, sodass das Kontrollgerät ermitteln kann, ob bspw. die Temperatur des Batteriemoduls und/oder des Brennstoffzellenmoduls sich in einem vordefinierten Normbereich befindet. Ferner ist es möglich, dass Sensoren, insbesondere zur Ermittlung der Temperatur, vorgesehen sein können. Die Sensoren können dabei insbesondere mit dem Kontrollgerät in Signalverbindung stehen. Das Kontrollgerät kann die Parameter wie Temperaturdruck, Fließgeschwindigkeit etc. insbesondere über Sensoren detektieren. Die Sensoren können dabei vorteilhafterweise in dem Batteriemodul und/oder im Brennstoffzellenmodul und/oder im Wärmetauscher und/oder in den verschiedenen Ventilen und/oder in der Pumpe eingebaut sein. Darüber hinaus können ebenfalls Sensoren in den Leitungen zwischen den verschiedenen Elementen integriert sein, um zu einer noch genaueren Überwachung des Energiesystems zu gelangen.
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Es ist ebenfalls denkbar, dass die Temperierkreisläufe zumindest eine Pumpe und/oder ein Ventil und/oder einen Wärmetauscher umfassen. Bei der Pumpe kann es sich vorteilhafterweise um eine Fluidpumpe handeln, welche Fluide, insbesondere Fluide zum Temperieren, durch die Temperierkreisläufe bzw. durch den gemeinsamen Temperierkreislauf pumpen kann. Die Ventile können zum Blockieren vom Ein- und/oder Auslassen von Fluiden ausgestaltet sein. Dabei kann es sich vorteilhafterweise um regelbare Drei- und/oder Vierwegeventile handeln, die den Fluss des Fluids in mehreren Teilen der Kreisläufe sowie in einem eventuellen Bypass des Energiesystems ermöglichen. Die Ventile können dabei vorzugsweise zwischen einem möglichen Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenmodul sowie zwischen dem Brennstoffzellenmodul und dem Batteriemodul angeordnet sein. Die Pumpe kann ferner insbesondere zwischen dem Batteriemodul und dem Brennstoffzellenmodul angeordnet sein. Dabei kann es sich vorteilhafterweise auch um mehrere verschiedene Pumpen handeln. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise derart angeordnet, dass er mit der Umgebungsluft gekühlt werden kann. Insbesondere in einem Fahrzeug kann der Luftkühler bei ausreichender Geschwindigkeit von selbst und/oder zusätzlich mit einem Lüfter ausgestaltet sein, welcher Umgebungsluft zum Kühlen in diesen hineinleiten kann. Der Wärmetauscher kann dabei das Energiesystem auf eine Temperatur von insbesondere 50 bis 80°C temperieren. Der Wärmetauscher kann dabei ferner insbesondere in räumlicher Nähe zum Brennstoffzellenmodul angeordnet sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Ventile und/oder die Pumpe aus Kunststoff oder Kunststoffverbänden oder anderen Materialien hergestellt sind, sodass diese ein geringes Gewicht aufweisen und gleichzeitig sehr strapazierfähig ausgestaltet sind.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Schritte umfassen. Einer der Schritte ist das Leiten des Fluids von einem Wärmetauscher, zu dem Batteriemodul. Dieses Leiten kann insbesondere über eine Pumpe erfolgen. Ein weiterer Schritt ist das Leiten des Fluids von dem Batteriemodul zu dem Brennstoffzellenmodul. Dieses Leiten kann insbesondere über zumindest ein Ventil erfolgen. Ein weiterer Schritt ist das Leiten des Fluids von dem Brennstoffzellenmodul zum Wärmetauscher. Dieses Leiten kann insbesondere über ein Ventil erfolgen. Vorteilhafterweise kann es ausreichend sein, lediglich einen der Schritte durchzuführen. Ferner können die Schritte ebenfalls in jeglicher Reihenfolge durchgeführt werden. Der Temperierkreislauf kann damit insbesondere im Wesentlichen die Komponenten Wärmetauscher, Brennstoffzellenmodul, Pumpe, Ventile, Batteriemodul umfassen. Es kann ferner ebenfalls vorgesehen sein, das Brennstoffzellenmodul zu umgehen und dabei lediglich das Batteriemodul mit dem Temperierkreislauf zu verbinden. Ferner ist es möglich lediglich das Brennstoffzellenmodul mit dem Temperierkreislauf zu verbinden.
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Weiterhin ist es denkbar, dass das Fluid von dem Batteriemodul zum Wärmetauscher geleitet wird. Dieses Leiten erfolgt insbesondere über einen Bypass. Ein Bypass kann dabei insbesondere vorgesehen sein, um zwischen Wärmetauscher und Batteriemodul das Brennstoffzellenmodul zu umgehen. Ebenfalls kann ein Bypass vom Batteriemodul zum Wärmetauscher das Brennstoffzellenmodul umgehen. Ferner ist es ebenfalls denkbar, dass in der Leitung vom Batteriemodul zum Wärmetauscher nicht nur lediglich ein Bypass am Brennstoffzellenmodul vorbeiführen kann, sondern die gesamte Leitung am Brennstoffzellenmodul vorbeigeleitet werden kann. Durch einen Bypass ist es möglich, dass das Brennstoffzellenmodul aus dem Kreislauf quasi entkoppelt werden kann und dadurch der Kreislauf aus Pumpen, Ventilen und Wärmetauschern lediglich mit dem Batteriemodul integriert sein können. Ein Temperaturaustausch lediglich mit dem Batteriemodul ohne das Brennstoffzellenmodul kann dadurch ermöglicht werden. Ebenfalls ist ein Bypass zur Umgehung des Batteriemoduls denkbar.
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Ein weiterer Kern der Erfindung ist ein Energiesystem mit mindestens einem Batteriemodul und mindestens einem Brennstoffzellenmodul. Ferner ist ein erster Temperierkreislauf für zumindest das Batteriemodul und ein zweiter Temperierkreislauf für zumindest das Brennstoffzellenmodul umfasst. Es ist insbesondere erfindungswesentlich, dass die Temperierkreisläufe zumindest energietechnisch miteinander zu einem Temperierkreislauf verbunden sind. Dieser direkte energietechnische Austausch kann insbesondere durch einen gemeinsamen Temperierkreislauf des ersten und des zweiten Temperierkreislaufs gewährleistet sein. Der energietechnische Austausch kann sich dabei insbesondere auf einen Austausch von Temperatur, insbesondere Kälte beziehen. Ferner kann dieser energietechnische Austausch ebenfalls fluidtechnisch sein. Vorteilhafterweise wird es durch ein derartiges Energiesystem ermöglicht, die Temperierung in dem Energiesystem auf einfache und kostengünstige Weise zu gewährleisten.
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Ein weiterer Kern der Erfindung ist ein Fahrzeug in welchem ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems betrieben werden kann. Das Verfahren umfasst dabei erfindungsgemäß mindestens ein Batteriemodul und mindestens ein Brennstoffzellenmodul. Ferner ist ein erster Temperierkreislauf für das Batteriemodul und ein zweiter Temperierkreislauf für das Brennstoffzellenmodul umfasst. Es ist insbesondere erfindungswesentlich, dass die Temperierkreisläufe zumindest energietechnisch miteinander zu einem Temperierkreislauf verbunden sind. Vorteilhafterweise wird es durch ein derartiges Fahrzeug mit einem Verfahren ermöglicht, die Temperierung in dem Energiesystem auf einfache und kostengünstige Weise zu gewährleisten.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Erfindungsgemäß können die Merkmale der Beschreibung und der Ansprüche des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Systems sowohl einzeln für sich als auch in verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf ein Energiesystem gerichtet. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Energiesystem,
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2 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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4 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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5 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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6 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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7 eine schematische Darstellung eines Energiesystems aus 1,
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In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch für die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele identische Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem erfindungsgemäßen Energiesystem 10 dargestellt. Das Energiesystem 10 kann selbstverständlich nicht nur bei Fahrzeugen, sondern auch im Zusammenhang mit der Temperierung von jeglichen anderen Batteriemodulen 2 und/oder Brennstoffzellenmodulen 3 eingesetzt werden. Das Energiesystem dient dabei zur Temperierung von zumindest einem Batteriemodul 2 oder einem Brennstoffzellenmodul 3.
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2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems 10. Das Batteriemodul 2 und das Brennstoffzellenmodul 3 können gleichzeitig über den Wärmetauscher 4 temperiert werden. Das erfindungsgemäße Energiesystem 10 umfasst dabei zumindest die Komponenten Wärmetauscher 4, Ventil 6, 7, 8, Brennstoffzellenmodul 3, Batteriemodul 2, Pumpe 5, Leitungen 9. Dabei ist es möglich, dass die jeweiligen Komponenten mehrfach vorgesehen sein können. In 2 kann ein Fluid durch die Leitungen 9 vom Batteriemodul 2 über Ventile 7, 8 zum Brennstoffzellenmodul 3 geleitet werden. Bei den Ventilen 7, 8 kann es sich vorteilhafterweise um Drei- bzw. Vierwegeventile handeln, die den Fluidfluss manipulieren können. Die Ventile 7, 8 können dabei den Durchstrom des Fluids verringern, vergrößern oder unterbinden. Ferner kann eine weitere Leitung 9 das Fluid vom Brennstoffzellenmodul zum Wärmetauscher 4 führen. Diese Leitung 9 kann wiederum ein weiteres Ventil 6 umfassen. Ferner ist es denkbar, dass ein Bypass das Fluid an dem Brennstoffzellenmodul 3 vorbei leiten kann und das Fluid damit direkt vom Batteriemodul 2 zum Wärmetauscher 4 geleitet werden kann. Im Wärmetauscher 4 kann das Fluid gekühlt werden. Diese Kühlung erfolgt insbesondere durch die Umgebungsluft. Zusätzlich kann im Wärmetauscher 4 ein Lüfter eingebaut sein, der weitere Umgebungsluft in den Wärmetauscher 4 leitet und dadurch das Fluid effizienter kühlt. Vom Wärmetauscher 4 kann das Fluid ferner zurück zum Batteriemodul 2 geleitet werden. Dabei kann eine Pumpe 5 in der Leitung 9 passiert werden, wobei die Pumpe 5 das Fluid durch die Leitung 9 pumpen bzw. leiten kann. Durch die Pumpe 5 kann der Fluidfluss manipuliert werden. Die Pumpe 5 kann den Durchstrom des Fluids dabei verringern, vergrößern oder unterbinden. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um ein Temperierfluid, bevorzugt um ein Kältefluid handeln, das insbesondere zumindest eine der Substanzen Luft, Wasser, Wasser-Glykol oder Öl aufweist. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Ventile 6, 7, 8, die Pumpe 5 und die Leitung 9 aus Kunststoff oder anderen Materialien hergestellt sind, sodass diese ein geringes Gewicht aufweisen können und dabei strapazierfähig ausgestaltet sein können. Ferner kann das Energiesystem 10 ein Kontrollgerät 20 aufweisen, das über je mindestens eine Signalleitung mit zumindest einem der Komponenten Wärmetauscher 4, Ventil 6, Brennstoffzellenmodul 3, Ventil 7, Ventil 8, Pumpe 5 oder Batteriemodul 2 verbunden ist. Über Sensoren 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 kann der jeweilige Temperaturzustand gemessen werden. Über Sensoren 22 kann die Temperatur des Batteriemoduls 2, insbesondere an mehreren Stellen innerhalb des Batteriemoduls 2, gemessen und überwacht werden. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass ebenfalls Sensoren 23 die Temperatur in dem Brennstoffzellenmodul 3, insbesondere an mehreren Orten des Brennstoffzellenmoduls 3 messen. Ferner können ebenfalls Sensoren 24 im Wärmetauscher 4 sowie Sensoren 26 im Ventil 6, Sensoren 27 im Ventil 7, Sensoren 28 im Ventil 8 und/oder Sensoren 25 in der Pumpe 5 vorhanden sein sowie verschiedene Sensoren 29 in der Leitung 9. Beim Unterschreiten bzw. Überschreiten der optimalen Temperatur, insbesondere im Bereich von 50 bis 80°C kann ein Alarm ausgelöst werden. Ferner kann das Kontrollgerät die weiteren Komponenten, insbesondere Wärmetauscher 4 sowie die Ventile 6, 7, 8 oder Pumpe 5 ansteuern und darüber eine Temperaturanpassung einleiten, bspw. kann die Intensität des Wärmetauschers 4 herauf oder herabgesetzt werden. Eine optimale Betriebstemperatur kann somit konstant aufrecht erhalten bleiben. Ebenfalls ist es möglich, dass der Sensor den Fluidfluss regelt indem die Ventile 6, 7, 8 und/oder die Pumpe 5 reguliert werden.
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3 zeigt ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems 10 gemäß 1, wobei das Batteriemoduls 2 im Temperierkreislauf vom Fluid getrennt werden kann. Lediglich das Brennstoffzellenmodul 3 kann temperiert werden. Das Fluid kann dabei vom Wärmetauscher 4 durch eine Leitung 9 bis zur Pumpe 5 und anschließend weiter zu den Ventilen 7, 8 geleitet werden. Weiterhin kann das Fluid in das Brennstoffzellenmodul 3 geleitet werden. Nach Passieren des Brennstoffzellenmoduls 3 kann das Fluid weiter durch ein Ventil 6 zurück zum Wärmetauscher 4 geleitet werden.
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4 zeigt ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems 10 gemäß 1, wobei sowohl der Wärmetauscher als auch das Batteriemodul 2 vom Temperierkreislauf getrennt sein können. Das Fluid kann lediglich in dem Brennstoffzellenmodul 3 umgewälzt werden. Das Fluid kann dabei über eine Leitung 9 vom Ventil 6 zur Pumpe 5 geleitet werden. Von der Pumpe 5 kann das Fluid durch eine Leitung 9 zu den Ventilen 7, 8 und weiterhin in das Brennstoffzellenmodul 3 geleitet werden. Nach Passieren des Brennstoffzellenmoduls 3 kann das Fluid zurück zum Ventil 6 geleitet werden. Sowohl der Wärmetauscher 4 als auch das Batteriemodul 2 können im folgenden Ausführungsbeispiel vom Temperierkreislauf getrennt sein. Der Temperierkreislauf kann dadurch relativ wenige Komponenten umfassen, wodurch dieser effizient gesteuert werden kann. Eine Kühlung kann hierbei bspw. gegen die Umgebungsluft und nicht aktiv durch einen Wärmetauscher 4 erfolgen.
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5 zeigt ein Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems 10 gemäß 1, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 4 vom Temperierkreislauf getrennt sein kann. Ein Temperaturausgleich kann somit zwischen dem Brennstoffzellenmodul 3 und dem Batteriemodul 2 erfolgen. Das Brennstoffzellenmodul 3 kann das Batteriemodul 2 oder das Batteriemodul 2 das Brennstoffzellenmodul 3 temperieren. Vom Batteriemodul 2 kann das Fluid über die Leitung 9 mit den Ventilen 7, 8 zum Brennstoffzellenmodul 3 geleitet werden. Nach Passieren des Brennstoffzellenmoduls 3 kann das Fluid durch die Leitung 9 am Ventil 6 vorbei zurück zur Pumpe 5 geleitet werden. Nach Passieren der Pumpe 5 kann das Fluid zurück zum Batteriemodul 2 geleitet werden. Damit kann ein Temperierkreislauf zwischen Batteriemodul 2 und Brennstoffzellenmodul 3 entstehen, der jedoch keinen Wärmetauscher 4 umfasst. Die Kühlung kann hierbei vorteilhafterweise gegen die Umgebungsluft erfolgen.
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6 zeigt ein Verfahren zur Temperierung eines Energiesystems 10 gemäß 1, wobei der Temperierkreislauf lediglich das Batteriemodul 2 sowie die Ventile 7, 8 und die Pumpe 5 umfassen kann. Das Fluid kann lediglich im Batteriemodul 2 umgewälzt werden. Damit kann ein selbsttemperiertes Batteriemodul 2 resultieren. Weder das Brennstoffzellenmodul 3 noch der Wärmetauscher 4 können im vorliegenden Temperierkreislauf mit integriert sein. Ein effizienter Temperierkreislauf kann damit geschaffen werden. Die Temperierung kann vorteilhafterweise gegen die Umgebungsluft erfolgen.
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7 zeigt ein Verfahren zur Temperierung eines Energiesystems 10 gemäß 1. Lediglich das Batteriemodul 2 kann über den Wärmetauscher 4 temperiert werden. Das Fluid kann hierbei von der Pumpe 5 über die Leitung 9 in das Batteriemodul 2 geleitet werden. Nach Passieren des Batteriemoduls 2 kann das Fluid weiter über die Leitung 9 zu den Ventilen 7, 8 geleitet werden. Anschließend kann das Fluid, insbesondere über einen Bypass, zum Ventil 6 geleitet werden. Woraufhin das Fluid zum Wärmetauscher 4 gelangen kann, wo dieses gekühlt werden kann. Nach Passieren des Wärmetauschers 4 kann das Fluid über die Leitung 9 zurück zum Batteriemodul 2 geleitet werden. Dadurch kann ein reiner Batteriebetrieb mit Rückkühlung des Batteriemoduls 2 über den Wärmetauscher 4 entstehen.
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Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellenmoduls 3 können mehrere Betriebsmodi gemäß der 2 bis 7 erfindungsgemäß sein. Die Wahl des Betriebsmodus kann in Abhängigkeit des Zustands des Batteriemoduls 2 zum Zeitpunkt des Kaltstarts des Brennstoffzellenmoduls 3 erfolgen. Es ist bspw. denkbar, dass sich das Batteriemodul 2 noch im oberen Bereich der Temperierung, insbesondere im Bereich von ca. 60°C bis 90°C befindet. Bei einem Kaltstart kann über das Batteriemodul 2 das Brennstoffzellenmodul 3 temperiert werden. Dabei können die Ventile 6, 7, 8 derart geschaltet sein, dass der Temperierkreislauf wie in 5 dargestellt erfolgt. Ferner ist es denkbar, dass das Batteriemodul 2 zu kalt ist um das Brennstoffzellenmodul 3 zu temperieren. Dabei kann ein Kaltstart derart erfolgen, dass das Brennstoffzellenmodul 3 durch einen kurzgeschlossenen Temperierkreislauf erwärmt wird (s. 4). Solange das Brennstoffzellenmodul 3 noch eine Temperatur < 0°C aufweist, kann das Brennstoffzellenmodul 3 bei ausreichender Zufuhr von Luft und/oder Wasserstoff zusätzlich elektrisch kurzgeschlossen werden, wodurch die gesamte Stackleistung im Stack dissipiert werden kann und dieses sich selbst temperiert. Sobald das Brennstoffzellenmodul 3 eine Temperatur erreicht, die über der Temperatur des Batteriemoduls 2 liegt, kann auf den in 5 dargestellten Temperierkreislauf umgestellt werden, wobei das Brennstoffzellenmodul 3 das Batteriemodul 2 temperieren kann. Sind das Batteriemodul 2 und das Brennstoffzellenmodul 3 temperiert, kann der Wärmetauscher 4 in den Temperierkreislauf integriert werden (s. 2). Bei einem temperierten Brennstoffzellenmodul 3 kann der Temperierkreislauf gemäß 3 betrieben werden. Ist das Batteriemodul 2 ausreichend temperiert um bspw. ein rein batterieelektrisches Fahren zu ermöglichen, und ist das Batteriemodul 2 ausreichend temperiert, sodass ein direkter Kaltstart möglich ist, so kann das Fluid im Temperierkreislauf lediglich der Vergleichmäßigung der Temperatur innerhalb des Batteriemoduls 2 (s. 6) dienen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) kann das Batteriemodul 2 über eine eigene integrierte Pumpe 5 verfügen, wobei das Ventil 8 und der zugehörige Temperierkreislauf innerhalb des Batteriemoduls 2 liegen können. Nach dem Temperieren des Batteriemoduls 2 auf die bevorzugte Temperatur kann das Batteriemodul 2 im reinen Batteriebetrieb eines Fahrzeugs 1 temperiert werden (s. 7).
