DE102016219103A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Um ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches einfach aufgebaut und energieeffizient betreibbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeug Folgendes umfasst: eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie; eine Fahrgastzelle zur Aufnahme von mindestens einer Person; einen Primärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung angekoppelt ist und eine Kühlmittelpumpe sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager umfasst; und einen Sekundärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf und an die Fahrgastzelle angekoppelt ist und eine Wärmepumpe umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung und eine Temperiervorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen der Brennstoffzellenvorrichtung sowie einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs umfasst.
  • Die DE 10 2009 045 719 A1 und die EP 0 999 078 A1 offenbaren verschiedene Konzepte zur Heizung und/oder Kühlung von Brennstoffzellenvorrichtungen und/oder Kraftfahrzeugen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches einfach aufgebaut und energieeffizient betreibbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftfahrzeug gelöst, welches Folgendes umfasst:
    eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie;
    eine Fahrgastzelle zur Aufnahme von mindestens einer Person;
    einen Primärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung angekoppelt ist und eine Kühlmittelpumpe sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager umfasst; und
    einen Sekundärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf und an die Fahrgastzelle angekoppelt ist und eine Wärmepumpe umfasst.
  • Dadurch, dass das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einen Sekundärkühlmittelkreislauf zur thermischen Kopplung des Primärkühlmittelkreislaufs mit der Fahrgastzelle umfasst, und dadurch, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf eine Wärmepumpe umfasst, kann das Kraftfahrzeug vorzugsweise einfach aufgebaut sein und zudem energieeffizient betrieben werden.
  • Der Sekundärkühlmittelkreislauf umfasst beispielsweise eine separate Kühlmittelpumpe.
  • Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf keine Kühlmittelpumpe umfasst.
  • Das Sekundärkühlmittel im Sekundärkühlmittelkreislauf ist vorzugsweise ausschließlich durch die Wärmepumpe antreibbar oder angetrieben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf mittels eines Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf angekoppelt ist.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeabführung an eine Umgebung des Kraftfahrzeugs umfasst. Hierdurch kann insbesondere überschüssige Wärme effizient abgeführt werden.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn der Sekundärkühlmittelkreislauf einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager umfasst, welcher in einer Luftführung zur Versorgung der Fahrgastzelle mit Luft angeordnet ist. Mittels eines solchen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers kann insbesondere im Sekundärkühlmittel enthaltene Wärme auf die der Fahrgastzelle zuzuführende Luft übertragen werden. Alternativ oder ergänzend kann mittels eines solchen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers Wärme aus der Luft auf das Sekundärkühlmittel übertragen werden.
  • Die Fahrgastzelle, insbesondere ein Fahrgastzelleninnenraum der Fahrgastzelle, kann hierdurch einfach geheizt oder gekühlt werden.
  • Der Primärkühlmittelkreislauf und der Sekundärkühlmittelkreislauf sind vorzugsweise voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe. Ein Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs und ein Sekundärkühlmittel des Sekundärkühlmittelkreislaufs kommen vorzugsweise nicht in unmittelbaren stofflichen Kontakt miteinander.
  • Das Primärkühlmittel und das Sekundärkühlmittel können durch denselben Stoff gebildet sein.
  • Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Primärkühlmittel und das Sekundärkühlmittel durch voneinander verschiedene Stoffe gebildet sind und sich insbesondere chemisch und/oder physikalisch voneinander unterscheiden.
  • Eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzellenvorrichtung auf einen der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstrom erfolgt vorzugsweise ausschließlich mittelbar mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs.
  • Insbesondere ist vorzugsweise keine unmittelbare Wärmeübertragung von dem Primärkühlmittelkreislauf auf den der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstrom vorgesehen.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst vorzugsweise eine Steuervorrichtung, mittels welcher das Kraftfahrzeug wahlweise in einen oder mehrere oder sämtliche der folgenden Betriebsmodi versetzbar ist:
    einen Abwärmebetrieb, in welchem in der Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Wärme teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers des Primärkühlmittelkreislaufs an eine Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben wird;
    einen Primärheizbetrieb, in welchem in der Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Wärme teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs auf einen der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstrom übertragen wird;
    einen Zusatzkühlbetrieb, in welchem die Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs zur Kühlung des Primärkühlmittels des Primärkühlmittelkreislaufs genutzt wird;
    einen Zusatzheizbetrieb, in welchem die Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs zum Heizen eines der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstroms genutzt wird;
    einen Aufwärmbetrieb, in welchem die Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs zum Heizen des Primärkühlmittels des Primärkühlmittelkreislaufs genutzt wird;
    einen Kühlbetrieb, in welchem die Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs zur Kühlung eines der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstroms genutzt wird.
  • Im Zusatzkühlbetrieb erfolgt vorzugsweise eine Kühlung des Primärkühlmittelkreislaufs durch Wärmeabgabe von dem Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs auf das Sekundärkühlmittel des Sekundärkühlmittelkreislaufs sowie vorzugsweise zusätzlich durch Wärmeübertragung von dem Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs auf Umgebungsluft in der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Eine Wärmesenke, welcher Abwärme der Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs zugeführt wird, ist im Zusatzkühlbetrieb vorzugsweise Umgebungsluft in der Umgebung des Kraftfahrzeugs, auf welche die Wärme insbesondere mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers des Sekundärkühlmittelkreislaufs übertragen wird.
  • Im Zusatzheizbetrieb wird die zum Heizen eines der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstroms erforderliche Wärme vorzugsweise mittels der Wärmepumpe und/oder mittels der Brennstoffzellenvorrichtung erzeugt und über den Sekundärkühlmittelkreislauf und/oder den Primärkühlmittelkreislauf zu dem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung auf den der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstrom übertragen. Eine Wärmequelle zum Betrieb der Wärmepumpe im Zusatzheizbetrieb des Kraftfahrzeugs bildet vorzugsweise die Umgebungsluft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder das mittels der Brennstoffzellenvorrichtung erwärmte Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs.
  • Im Aufwärmbetrieb wird vorzugsweise mittels der Wärmepumpe das Sekundärkühlmittel erhitzt und dessen Wärme auf das Primärkühlmittel im Primärkühlmittelkreislauf übertragen, um letztlich die Brennstoffzellenvorrichtung aufzuwärmen. Die Wärmequelle der Wärmepumpe im Aufwärmbetrieb ist insbesondere Umgebungsluft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs.
  • Im Kühlbetrieb wird insbesondere mittels der Wärmepumpe Sekundärkühlmittel des Sekundärkühlmittelkreislaufs gekühlt. Eine Wärmesenke ist dabei insbesondere Umgebungsluft in der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Das gekühlte Sekundärkühlmittel wird insbesondere dem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager in einer Luftführung zur Zuführung von Luft zu der Fahrgastzelle zugeführt. Das gekühlte Sekundärkühlmittel kann dann insbesondere Wärme aus der der Fahrgastzelle zuzuführenden Luft aufnehmen und diese somit kühlen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
  • Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mittels welchem ein einfach aufgebautes Kraftfahrzeug energieeffizient betreibbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellung von elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzellenvorrichtung;
    wahlweises Übertragen von Wärme
    a) von und/oder zu der Brennstoffzellenvorrichtung,
    b) von und/oder zu einem Primärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung angekoppelt ist und eine Kühlmittelpumpe sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager umfasst,
    c) von und/oder zu einem Sekundärkühlmittelkreislauf, welcher thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf und an eine Fahrgastzelle angekoppelt ist und eine Wärmepumpe umfasst, und/oder
    d) von und/oder zu einem einer Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstrom.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Merkmale und oder Vorteile auf.
  • Günstig kann es sein, wenn das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweist.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn der Sekundärkühlmittelkreislauf eine Wärmepumpe umfasst, mittels welcher wahlweise
    • a) das Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs gekühlt wird;
    • b) das Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs geheizt wird;
    • c) ein einer Fahrgastzelle zuzuführender Luftstrom gekühlt wird; und/oder
    • d) ein einer Fahrgastzelle zuzuführender Luftstrom geheizt wird.
  • Das Kraftfahrzeug wird vorzugsweise mittels einer Steuervorrichtung wahlweise in einen oder mehrere oder sämtliche der folgenden Betriebsmodi versetzt, wobei vorzugsweise zeitgleich jeweils nur ein einziger Betriebsmodus vorgesehen ist:
    ein Abwärmebetrieb, ein Primärheizbetrieb, ein Zusatzkühlbetrieb, ein Zusatzheizbetrieb, ein Aufwärmbetrieb und/oder ein Kühlbetrieb.
  • Günstig kann es sein, wenn für mehrere Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs das Sekundärkühlmittel des Sekundärkühlmittelkreislaufs mittels der Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs temperiert, insbesondere erhitzt oder gekühlt, wird. Dies ermöglicht insbesondere eine effiziente Wärmebereitstellung oder Wärmeaufnahme (Heizung bzw. Kühlung) des der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstroms und/oder des der Brennstoffzellenvorrichtung zuzuführenden Primärkühlmittels.
  • Erfindungsgemäß können vorzugsweise ferner einzelne oder mehrere der folgenden Merkmale und/oder Vorteile vorgesehen sein:
    Vorzugsweise wird durch die Kopplung von Brennstoffzelle und Wärmepumpe eine bei kalten Umgebungsbedingungen denkbare Vereisung wirksam vermieden. Zudem kann vorzugsweise ein zur Kabinenheizung (Aufheizung des der Fahrgastzelle zuzuführenden Luftstroms) im Winterbetrieb erforderliche Energiebedarf reduziert werden.
  • Günstig kann es sein, wenn der Sekundärkühlmittelkreislauf ein Klimaanlagen-Kreislauf ist. Ein beispielsweise in einem Klimakasten integrierter Verdampfer der Klimaanlage ist im Winter beispielsweise als Kondensator betreibbar, um beispielsweise kalte Umgebungsluft zu erhitzen, beispielsweise auf mindestens ungefähr 50 °C bis 60 °C. Hierdurch kann vorzugsweise eine komfortable Lufteinblastemperatur zur Zuführung zur Fahrgastzelle realisiert werden.
  • Eine für diesen Zusatzheizbetrieb benötigte Verdampfungsenergie kann beispielsweise aus Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Das mittels der Brennstoffzellenvorrichtung erhitzte Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs dient dann insbesondere als Wärmequelle. Insbesondere kann Kathodenabluft und/oder Primärkühlmittel zur Wärmebereitstellung verwendet werden. Kathodenabluft führt beispielsweise ca. 10 % der Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung ab. Das Primärkühlmittel erreicht beispielsweise ein Temperaturniveau von ungefähr 50 °C. Insbesondere bei leistungsschwächeren Brennstoffzellen mit einer Ausgangsleistung von höchstens ungefähr 30 kW kann ein solcher Betrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
  • Der Verdampfungsdruck der an den Primärkühlmittelkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung angekoppelten Wärmepumpe (über den Sekundärkühlmittelkreislauf angekoppelt) kann beispielsweise mindestens ungefähr 8 bar, beispielsweise ungefähr 10 bar, betragen. Ein Energiebedarf zur Heizung des dem Fahrgastzelleninnenraum zuzuführenden Luftstroms kann hierdurch vorzugsweise reduziert werden.
  • Beispielsweise bei der Verwendung von R134a als Kühlmittel kann eine Energiebedarfsreduzierung des gekoppelten Wärmepumpensystems von beispielsweise ungefähr 66 % im Vergleich zur Umgebungswärmepumpe und/oder von ungefähr 80 % im Vergleich mit einer Pelletier-Heizvorrichtung von konventionellen Fahrzeugen, welche keine Wärmepumpe zur Nutzung der Brennstoffzellenabwärme aufweisen, erzielt werden.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst vorzugsweise eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Günstig kann es sein, wenn mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs samt der Wärmepumpe des Sekundärkühlmittelkreislaufs eine Pelletier-Heizvorrichtung entbehrlich ist oder zumindest mit geringerer Heizleistung ausgelegt werden kann.
  • Insbesondere dann, wenn eine herkömmliche Klimaanlage des Kraftfahrzeugs als Sekundärkühlmittelkreislauf genutzt wird, kann die Erfindung vorzugsweise auch ohne zusätzliche Komponenten umgesetzt werden. Insbesondere kann ein im Klimakasten befindlicher Verdampfer als Kondensator genutzt werden.
  • Die Vereisung an Verdampferflächen einer Wärmepumpe des Kraftfahrzeugs kann im Winterbetrieb vorzugsweise vermieden werden.
  • Zum Vergleich der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen Heizanlagen können folgende Systeme herangezogen werden:
    • System 1: 6 kW Heizleistung im Betrieb mit einer Wärmepumpe unter Nutzung von Wärme aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs; Kompressorleistung der Wärmepumpe: 2,9 kW bei einer Verdampfertemperatur von ungefähr –15 °C.
    • System 2: 6 kW Heizleistung bei Kopplung der Wärmepumpe mit der Brennstoffzellenvorrichtung; Kompressorleistung: ungefähr 1 kW.
  • Die Kondensationstemperatur liegt in beiden Fällen bei ungefähr 70 °C.
  • Ein numerisch ermittelter Vergleich der beiden Systeme hat ergeben, dass die Leistungszahl (coefficient of performance) bei System 1 bei ungefähr zwei liegt, während die Leistungszahl bei System 2 ungefähr sechs beträgt.
  • Das System 2, welches ein Beispielsystem für die vorliegende Erfindung ist, weist somit eine deutlich höhere Leistungszahl auf. Ein mit einem solchen System 2 ausgerüstetes Kraftfahrzeug ist folglich vorzugsweise besonders energieeffizient.
  • Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung, einen Primärkühlmittelkreislauf und einen Sekundärkühlmittelkreislauf umfasst.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Eine in 1 dargestellte Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Kraftfahrzeugs ist beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen.
  • Das Kraftfahrzeug 100 ist insbesondere ein straßengebundenes Kraftfahrzeug 100.
  • Das Kraftfahrzeug 100 umfasst vorzugsweise eine Fahrgastzelle 102, in welcher sich im Betrieb des Kraftfahrzeugs 100 eine oder mehrere Personen aufhalten können.
  • Über eine Luftführung 104 des Kraftfahrzeugs 100 kann der Fahrgastzelle 102 ein Luftstrom zugeführt werden.
  • Das Kraftfahrzeug 100 umfasst ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung 106 zur Bereitstellung von elektrischer Energie durch chemische Umsetzung von Brennstoff mit Oxidator.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 106 muss für einen zuverlässigen Betrieb in verschiedenen Betriebszuständen gekühlt oder geheizt werden.
  • Ferner muss für einen komfortablen Aufenthalt von Personen in der Fahrgastzelle 102 der über die Luftführung 104 der Fahrgastzelle 102 zuzuführende Luftstrom wahlweise gekühlt oder erhitzt werden.
  • Zur Ermöglichung der vorstehend genannten Temperieroptionen umfasst das Fahrzeug 100 einen Primärkühlmittelkreislauf 108 sowie einen Sekundärkühlmittelkreislauf 110.
  • Der Primärkühlmittelkreislauf 108 ist thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung 106 angekoppelt und umfasst eine Kühlmittelpumpe 112, einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 116.
  • Mittels des im Primärkühlmittelkreislauf 108 geführten Primärkühlmittels kann insbesondere Abwärme von der Brennstoffzellenvorrichtung 106 abgeführt werden.
  • Ferner kann mittels des Primärkühlmittels im Primärkühlmittelkreislauf 108 Wärme zu der Brennstoffzellenvorrichtung 106 zugeführt werden.
  • Über den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 ist der Primärkühlmittelkreislauf 108 mit dem Sekundärkühlmittelkreislauf 110 thermisch gekoppelt.
  • Der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 stellt vorzugsweise eine stoffliche Trennung zwischen dem Primärkühlmittel im Primärkühlmittelkreislauf 108 und dem Sekundärkühlmittel im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 dar, so dass die beiden Kühlmittel nicht in unmittelbaren Kontakt miteinander gelangen, sondern lediglich Wärme zwischen den beiden Kühlmitteln übertragen werden kann.
  • Der Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 116 des Primärkühlmittelkreislaufs 108 dient insbesondere der thermischen Kopplung des Primärkühlmittels mit Umgebungsluft aus einer Umgebung 118 des Kraftfahrzeugs 100.
  • Insbesondere kann mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers 116 Wärme von dem Primärkühlmittel auf die Umgebungsluft übertragen werden.
  • Ein Gebläse 120 des Kraftfahrzeugs 100 kann dabei eine optimierte Durchströmung des Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers 116 mit Umgebungsluft ermöglichen.
  • Der Sekundärkühlmittelkreislauf 110 umfasst neben dem auch zum Primärkühlmittelkreislauf 108 gehörigen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 einen thermisch mit der Luftführung 104 gekoppelten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122 sowie vorzugsweise auch einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 124, welcher thermisch mit der Umgebung 118 des Kraftfahrzeugs 100 gekoppelt ist.
  • Ferner umfasst der Sekundärkühlmittelkreislauf 110 ein oder mehrere Ventilelemente 126, welche insbesondere als Drosseln 128 ausgebildet sind. Schließlich umfasst der Sekundärkühlmittelkreislauf 110 noch eine Wärmepumpe 130, welche insbesondere als Verdichter 132 ausgebildet ist.
  • Eine Kühlmittelführung im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 kann mittels der Ventilelemente 126 variiert werden.
  • Insbesondere können mehrere als Verteilerelemente 131 ausgebildete Ventilelemente 126 vorgesehen sein, um wahlweise die Durchströmung der Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122, 124 sowie des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 114 und der Wärmepumpe 130 zu variieren.
  • Das Kraftfahrzeug 100 umfasst insbesondere eine Steuervorrichtung 133 mittels welcher die Ventilelemente 126 ansteuerbar sind, um unterschiedliche Betriebszustände des Kraftfahrzeugs 100 zu ermöglichen.
  • Insbesondere kann mittels der Steuervorrichtung 133 die Wärmepumpe 130 wahlweise dazu genutzt werden, das Sekundärkühlmittel im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 gezielt an einzelnen Stellen zu erhitzen oder abzukühlen.
  • Insbesondere kann mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs 110 somit wahlweise das Primärkühlmittel im Primärkühlmittelkreislauf 108 erhitzt oder gekühlt oder aber der in der Luftführung 104 geführte und der Fahrgastzelle 102 zuzuführende Luftstrom gekühlt oder erhitzt werden.
  • Der Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122, welcher den Sekundärkühlmittelkreislauf 110 thermisch mit der Luftführung 104 koppelt, kann vorzugsweise wahlweise als Kondensator 134 oder als Verdampfer 136 genutzt werden.
  • Ferner kann auch der Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 124, welcher den Sekundärkühlmittelkreislauf 110 mit der Umgebung 118 des Kraftfahrzeugs 100 koppelt, wahlweise als Kondensator 134 oder als Verdampfer 136 genutzt werden.
  • Zudem kann vorzugsweise auch der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 wahlweise als Kondensator 134 oder als Verdampfer 136 genutzt werden.
  • Mittels der Steuervorrichtung 133 sind die Ventilelemente 126 und die Wärmepumpe 130 vorzugsweise so steuerbar und/oder regelbar, dass das Kraftfahrzeug 100 wahlweise in einen oder mehrere oder sämtliche der folgenden Betriebsmodi versetzbar ist:
  • a) Abwärmebetrieb
  • In einem Abwärmebetrieb des Kraftfahrzeugs 100 wird in der Brennstoffzellenvorrichtung 106 erzeugte Wärme mittels des Primärkühlmittels im Primärkühlmittelkreislauf 108 aufgenommen und über den Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 116 an die Umgebung 118 des Kraftfahrzeugs 100 abgegeben.
  • Der Abwärmebetrieb kann insbesondere mit einem Primärheizbetrieb kombiniert werden.
  • b) Primärheizbetrieb
  • Im Primärheizbetrieb wird in der Brennstoffzellenvorrichtung 106 erzeugte Wärme teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig zunächst über das Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs 108 und den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 auf das Sekundärkühlmittel im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 übertragen.
  • Das hierdurch erhitzte Sekundärkühlmittel wird dann insbesondere dem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122, welcher mit der Luftführung 104 gekoppelt ist, zugeführt, um letztlich die im Sekundärkühlmittel enthaltene Wärme auf den der Fahrgastzelle 102 zuzuführenden Luftstrom zu übertragen.
  • Der Primärheizbetrieb dient somit insbesondere dem Aufheizen eines Fahrgastzelleninnenraums der Fahrgastzelle 102.
  • c) Zusatzkühlbetrieb
  • In einem Zusatzkühlbetrieb des Kraftfahrzeugs 100 wird die Wärmepumpe 130 vorzugsweise so betrieben, dass das Sekundärkühlmittel im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 als gekühltes Sekundärkühlmittel zu dem Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 zugeführt wird.
  • Das gekühlte Sekundärkühlmittel kann somit effizienter Wärme von dem Primärkühlmittel im Primärkühlmittelkreislauf 108 aufnehmen.
  • Der Zusatzkühlbetrieb dient somit insbesondere einer raschen und effizienten Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung 106.
  • d) Zusatzheizbetrieb
  • In einem Zusatzheizbetrieb des Kraftfahrzeugs 100 sind die Ventilelemente 126 und die Wärmepumpe 130 mittels der Steuervorrichtung 133 vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass dem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122, welcher mit der Luftführung 104 gekoppelt ist, ein erhitztes Sekundärkühlmittel zugeführt werden kann.
  • Der Zusatzheizbetrieb ermöglicht somit insbesondere eine stärkere Aufheizung des der Fahrgastzelle 102 zuzuführenden Luftstroms.
  • Der Zusatzheizbetrieb dient somit ebenso wie der Zusatzkühlbetrieb insbesondere dazu, eine Temperierfunktion des Sekundärkühlmittels im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 zu verstärken.
  • e) Aufwärmbetrieb
  • In einem Aufwärmbetrieb des Kraftfahrzeugs 100 wird mittels der Wärmepumpe 130 und durch geeignete Steuerung und/oder Regelung der Ventilelemente 126 insbesondere erhitztes Sekundärkühlmittel am Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 114 bereitgestellt, so dass das Primärkühlmittel im Primärkühlmittelkreislauf 108 erhitzt werden kann.
  • Das erhitzte Primärkühlmittel kann dann insbesondere zum Aufwärmen der Brennstoffzellenvorrichtung 106 verwendet werden.
  • f) Kühlbetrieb
  • In einem Kühlbetrieb des Kraftfahrzeugs 100 werden die Ventilelemente 126 und die Wärmepumpe 130 mittels der Steuervorrichtung 133 vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass gekühltes Sekundärkühlmittel am Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 122, welcher mit der Luftführung 104 thermisch gekoppelt ist, bereitstellbar ist.
  • Der der Fahrgastzelle 102 zuzuführende Luftstrom kann somit Wärme an das gekühlte Sekundärkühlmittel abgeben und dadurch als gekühlter Luftstrom zur Kühlung der Fahrgastzelle 102 dienen.
  • Durch die beschriebene Nutzung einer Wärmepumpe 130 im Sekundärkühlmittelkreislauf 110 kann vorzugsweise eine effiziente Temperierung von Räumen und/oder Bestandteilen des Kraftfahrzeugs 100 erzielt werden. Insbesondere kann dabei mit geringer elektrischer Leistung eine hohe Heizleistung oder Kühlleistung realisiert werden, wodurch sich letztlich eine maximal mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs 100 steigern lässt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kraftfahrzeug
    102
    Fahrgastzelle
    104
    Luftführung
    106
    Brennstoffzellenvorrichtung
    108
    Primärkühlmittelkreislauf
    110
    Sekundärkühlmittelkreislauf
    112
    Kühlmittelpumpe
    114
    Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    116
    Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    118
    Umgebung
    120
    Gebläse
    122
    Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    124
    Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    126
    Ventilelement
    128
    Drossel
    130
    Wärmepumpe
    131
    Verteilerelement
    132
    Verdichter
    133
    Steuervorrichtung
    134
    Kondensator
    136
    Verdampfer
  • 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 102009045719 A1 [0002]
    • EP 0999078 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Kraftfahrzeug (100), umfassend: – eine Brennstoffzellenvorrichtung (106) zur Bereitstellung von elektrischer Energie; – eine Fahrgastzelle (102) zur Aufnahme von mindestens einer Person; – einen Primärkühlmittelkreislauf (108), welcher thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung (106) angekoppelt ist und eine Kühlmittelpumpe (112) sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager (116) umfasst; – einen Sekundärkühlmittelkreislauf (110), welcher thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf (108) und an die Fahrgastzelle (102) angekoppelt ist und eine Wärmepumpe (130) umfasst.
  2. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf (110) mittels eines Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (114) thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf (108) angekoppelt ist.
  3. Kraftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf (110) einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager (124) zur Wärmeabführung an eine Umgebung (118) des Kraftfahrzeugs (100) umfasst.
  4. Kraftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf (110) einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager (122) umfasst, welcher in einer Luftführung (104) zur Versorgung der Fahrgastzelle (102) mit Luft angeordnet ist.
  5. Kraftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkühlmittelkreislauf (108) und der Sekundärkühlmittelkreislauf (110) voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe sind, wobei ein Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs (108) und ein Sekundärkühlmittel des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) nicht in unmittelbaren stofflichen Kontakt miteinander kommen.
  6. Kraftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzellenvorrichtung (106) auf einen der Fahrgastzelle (102) zuzuführenden Luftstrom ausschließlich mittelbar mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) erfolgt.
  7. Kraftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (100) eine Steuervorrichtung (133) umfasst, mittels welcher das Kraftfahrzeug (100) wahlweise in einen oder mehrere oder sämtliche der folgenden Betriebsmodi versetzbar ist: – einen Abwärmebetrieb, in welchem in der Brennstoffzellenvorrichtung (106) erzeugte Wärme teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragers (116) des Primärkühlmittelkreislaufs (108) an eine Umgebung (118) des Kraftfahrzeugs (100) abgegeben wird; – einen Primärheizbetrieb, in welchem in der Brennstoffzellenvorrichtung (106) erzeugte Wärme teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig mittels des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) auf einen der Fahrgastzelle (102) zuzuführenden Luftstrom übertragen wird; – einen Zusatzkühlbetrieb, in welchem die Wärmepumpe (130) des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) zur Kühlung des Primärkühlmittels des Primärkühlmittelkreislaufs (108) genutzt wird; – einen Zusatzheizbetrieb, in welchem die Wärmepumpe (130) des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) zum Heizen eines der Fahrgastzelle (102) zuzuführenden Luftstroms genutzt wird; – einen Aufwärmbetrieb, in welchem die Wärmepumpe (130) des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) zum Heizen des Primärkühlmittels des Primärkühlmittelkreislaufs (108) genutzt wird; – einen Kühlbetrieb, in welchem die Wärmepumpe (130) des Sekundärkühlmittelkreislaufs (110) zur Kühlung eines der Fahrgastzelle (102) zuzuführenden Luftstroms genutzt wird.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Bereitstellung von elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzellenvorrichtung (106); – Übertragen von Wärme a) von und/oder zu der Brennstoffzellenvorrichtung (106), b) von und/oder zu einem Primärkühlmittelkreislauf (108), welcher thermisch an die Brennstoffzellenvorrichtung (106) angekoppelt ist und eine Kühlmittelpumpe (112) sowie einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager (116) umfasst, c) von und/oder zu einem Sekundärkühlmittelkreislauf (110), welcher thermisch an den Primärkühlmittelkreislauf (108) und an eine Fahrgastzelle (102) angekoppelt ist und eine Wärmepumpe (130) umfasst, und/oder d) von und/oder zu einem einer Fahrgastzelle (102) zuzuführenden Luftstrom.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkühlmittelkreislauf (110) eine Wärmepumpe (130) umfasst, mittels welcher wahlweise: – das Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs (108) gekühlt wird; – das Primärkühlmittel des Primärkühlmittelkreislaufs (108) geheizt wird; – ein einer Fahrgastzelle (102) zuzuführender Luftstrom gekühlt wird; und/oder – ein einer Fahrgastzelle (102) zuzuführender Luftstrom geheizt wird.
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WO2022117376A1 (de) * 2020-12-02 2022-06-09 Audi Ag Temperierbehälter und temperierbehälter-kältemittelkreislauf für ein elektrisch angetriebenes kraftfahrzeug und kraftfahrzeug mit temperierbehälter

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