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Die Erfindung betrifft ein Antriebs- und Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Nutzfahrzeuge, beispielsweise Stadtbusse oder Kühltransporter, ein sehr leistungsfähiges Klimatisierungssystem aufweisen, welches dementsprechend eine hohe Leistungsanforderung hat. Diese Leistungsanforderung wird üblicherweise der Fahrzeugantriebsleistung entnommen, was bedeutet, dass die durchschnittliche Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs aufgrund der zum Betrieb des Klimatisierungssystems benötigen Leistung reduziert wird.
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Insbesondere bei Stadtbussen, deren Klimatisierungssystem an heißen Tagen permanent läuft und deren Türen in kurzen Zeitabständen oftmals geöffnet und geschlossen werden, liegt eine hohe Leistungsanforderung des Klimatisierungssystems vor. Dies trifft in analoger Weise auf Kühltransporter zu, deren Kühlsystem, was einem Klimatisierungssystem gleichkommt, permanent betrieben wird.
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Als nachteilig hat sich demnach herausgestellt, dass die durchschnittliche Antriebsleistung aufgrund des Betriebs des Klimatisierungssystems verringert ist, was insbesondere bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen die Effizienz des Antriebssystems verringert.
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Darüber hinaus muss aufgrund des permanenten Betriebs des Klimatisierungssystems die zum Betrieb des Klimatisierungssystems von der Antriebseinheit abgegriffene Leistung bei der Auslegung der Antriebseinheit berücksichtigt werden, sodass die Antriebseinheit eine Zusatz- bzw. Mehrleistung aufweist. Dies bedeutet, dass die Antriebseinheit entsprechend größer dimensioniert werden muss, was jedoch mit höheren Kosten verbunden ist.
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Beispielsweise kann die Leistungsaufnahme eines Klimatisierungssystems bei einem Stadtbus ca. 10 kW an heißen Sommertagen betragen, wobei die durchschnittliche Leistung im Fahrbetrieb bei einem effizient betriebenen Brennstoffzellen- bzw. Hybridantrieb etwa 60 kW beträgt. Dementsprechend muss die vorgesehene Antriebseinheit mindestens 70 kW zur Verfügung stellen können, sodass auch im Sommer das Klimatisierungssystem dauerhaft betrieben werden kann und die benötigte Antriebsleistung zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebs- und Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem die Klimatisierung und der Antrieb in effizienter Weise erfolgt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebs- und Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, mit einer Antriebseinheit und einem kryogenen Treibstoffsystem, das einen kryogenen Treibstofftank, in dem ein Treibstoff kryogen speicherbar ist, und eine Treibstoffvorbehandlungseinheit umfasst, die den Treibstoff vorkonditioniert, wobei eine Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung vorgesehen ist, die mit der Treibstoffvorbehandlungseinheit gekoppelt ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung nicht mit der Antriebseinheit gekoppelt ist, sondern zumindest zeitweise mit der Treibstoffvorbehandlungseinheit. Da es sich bei dem Treibstoff um einen kryogenen Treibstoff handelt, kann die bei der Vorbehandlung bzw. Vorkonditionierung des Treibstoffs freiwerdende Kälteleistung für die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung genutzt werden. Die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung ist somit unabhängig von der Leistung des Antriebssystems.
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Ein Aspekt sieht vor, dass die Treibstoffvorbehandlungseinheit zwischen dem kryogenen Treibstofftank und der Antriebseinheit angeordnet ist. Demensprechend wird der Treibstoff über die Treibstoffvorbehandlungseinheit so vorkonditioniert, dass er von der Antriebseinheit verwertet werden kann. Hierbei kann der Treibstoffvorbehandlungseinheit eine Kälteleistung entzogen werden, die der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird, um den Klimatisierungsbetrieb des Kraftfahrzeugs sicherzustellen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Antriebseinheit mit dem kryogenen Treibstoffsystem derart gekoppelt ist, dass die Antriebseinheit den vorkonditionierten Treibstoff erhält, insbesondere wobei der Treibstoff durch die Treibstoffvorbehandlungseinheit erwärmt ist. Der Treibstoff ist im kryogenen Treibstofftank üblicherweise bei einer Temperatur unterhalb von -200°C gespeichert. Zur Verarbeitung des Treibstoffs durch die Antriebseinheit muss dieser in der Treibstoffvorbehandlungseinheit vorbehandelt werden, insbesondere erwärmt werden. Die hierbei entstehende Kälteleistung wird der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung zugeführt, um die Klimatisierung des Kraftfahrzeugs sicherzustellen.
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Insbesondere ist die Klimatisierungseinrichtung derart mit der Treibstoffvorbehandlungseinheit gekoppelt, dass die Kälteleistung der Treibstoffvorbehandlungseinheit der Klimatisierungseinrichtung zur Verfügung steht. Hierdurch ist es unter anderem möglich, das Klimatisierungssystem auf eine geringere Leistung zu dimensionieren, wodurch entsprechend Kosten gespart werden können. Des Weiteren kann das Antriebssystem, insbesondere die Antriebseinheit, geringer dimensioniert werden, wodurch ebenfalls Kosten reduziert werden können.
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Gemäß einem Aspekt konditioniert die Treibstoffvorbehandlungseinheit den Treibstoff auf eine Temperatur zwischen -80° Celsius und +100° Celsius vor. Dieser Temperaturbereich stellt sicher, dass das Antriebssystem, insbesondere die Antriebseinheit, den Treibstoff verwerten kann. Das Antriebssystem gibt dabei die freiwerdende Kälteleistung an das Klimatisierungssystem ab, wodurch ein hocheffizientes Antriebs- und Klimatisierungssystem geschaffen ist.
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Bei dem Treibstoff kann es sich um einen flüssigen Wasserstoff (LH2), kryo-komprimierter Wasserstoff (CcH2) oder flüssiges natürliches Gas (LNG) handeln. Diese Treibstoffe eignen sich insbesondere bei einer als Brennstoffzelle ausgebildeten Antriebseinheit. Es ist somit ein effizientes kryogenes Antriebssystem für das Kraftfahrzeug geschaffen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung unabhängig von der Antriebseinheit betrieben ist. Dementsprechend wird die Leistung der Antriebseinheit nicht durch den Betrieb der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung beeinträchtigt, wodurch diese entsprechend niedriger dimensioniert werden kann. Die zur Verfügung stehende Antriebsleistung wird nicht von der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung gemindert bzw. muss die Antriebseinheit nicht die Leistung für die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung zur Verfügung stellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung und die Antriebseinheit energetisch voneinander getrennt. Daher hat weder die Leistungsaufnahme der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung noch die der Antriebseinheit einen Einfluss auf die andere Einheit bzw. Einrichtung. Das Antriebs- und Klimatisierungssystem ist demnach hinsichtlich der Effizienz sowie der Leistungsaufnahme weitestgehend unabhängig voneinander.
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Insbesondere umfasst die Antriebseinheit wenigstens eine galvanische Zelle. Bei der galvanischen Zelle kann es sich um eine Brennstoffzelle handeln, die den effizienten Betrieb der Antriebseinheit und somit den des Antriebs- und Klimatisierungssystems sicherstellt.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichen, auf die Bezug genommen wird.
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In der einzigen Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Antriebs- und Klimatisierungssystem 10 für ein Kraftfahrzeug gezeigt, das insbesondere bei einem Nutzfahrzeug wie einem Stadtbus oder einem Kühltransporter verwendet werden kann.
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Das Antriebs- und Klimatisierungssystem 10 umfasst eine Antriebseinheit 12, mit der dem Kraftfahrzeug die benötigte Antriebsleistung zur Verfügung gestellt wird. Die Antriebseinheit 12 kann eine galvanische Zelle 14 umfassen, die beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebildet ist, wodurch das Kraftfahrzeug elektrisch betrieben ist.
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Des Weiteren umfasst das Antriebs- und Klimatisierungssystem 10 ein kryogenes Treibstoffsystem 16, das mit der Antriebseinheit 12 gekoppelt ist.
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Das kryogene Treibstoffsystem 16 weist einen kryogenen Treibstofftank 18 auf, in dem ein Treibstoff kryogen gespeichert ist. Bei dem Treibstoff kann es sich unter anderem um einen flüssigen Wasserstoff (LH2), einen kryo-komprimierten Wasserstoff (CcH2) oder ein flüssiges natürliches Gas (LNG) handeln.
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Des Weiteren umfasst das kryogene Treibstoffsystem 16, das mit der Antriebseinheit 12 gekoppelt ist, eine Treibstoffvorbehandlungseinheit 20, die zwischen dem Treibstofftank 18 und der Antriebseinheit 12 angeordnet ist. Der im Treibstofftank 18 kryogen gespeicherte Treibstoff wird zunächst in der Treibstoffvorbehandlungseinheit 20 vorkonditioniert bzw. vorbehandelt, sodass der vorbehandelte bzw. vorkonditionierte Treibstoff der Antriebseinheit 12 zugeführt wird.
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In der Treibstoffvorbehandlungseinheit 20 kann der kryogen vorliegende Treibstoff erwärmt werden, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen -80°C und +100°C, sodass sichergestellt ist, dass die Antriebseinheit 12 den Treibstoff auch verwerten kann.
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Des Weiteren umfasst das Antriebs- und Klimatisierungssystem 10 eine separat ausgebildete Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22, die mit der Treibstoffvorbehandlungseinheit 20 gekoppelt ist. Hierbei entnimmt die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 der Treibstoffvorbehandlungseinheit 20 die beim Erwärmen des kryogenen Treibstoffs freiwerdende Kälteleistung, um die Klimatisierung des Kraftfahrzeugs in effizienter Weise zu ermöglichen.
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Dementsprechend ist die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 nicht mit der Antriebseinheit 12 gekoppelt, wodurch die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 und die Antriebseinheit 12 unabhängig voneinander betrieben sind.
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Dies bedeutet auch, dass die Antriebseinheit 12 und die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 energetisch getrennt voneinander sind, da die Leistung der Antriebseinheit 12 durch den Betrieb der Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 nicht gemindert wird, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Dementsprechend muss bei der Auslegung der Antriebseinheit 12 nicht berücksichtigt werden, welche Leistung für eine permanent betriebene Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 stets als Reserve zur Verfügung stehen muss.
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Da für den Antrieb des Kraftfahrzeugs ein kryogener Treibstoff verwendet wird, wird die in der Treibstoffvorbehandlungseinheit 20 erzeugte Kälteleistung an die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 abgegeben, wodurch der Wirkungsgrad der Antriebseinheit 12 bzw. des übergeordneten Antriebssystems, das die Antriebseinheit 12 sowie das Treibstoffsystem 16 umfasst, erhöht ist.
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Gleichzeitig kann die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 hinsichtlich ihrer Leistung geringer dimensioniert werden, wodurch Kosten eingespart werden.
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Darüber hinaus lässt sich die Antriebseinheit 12 ebenfalls geringer dimensionieren, da die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 nicht über die Antriebseinheit 12 betrieben wird, sodass die Antriebseinheit 12 keine Zusatzleistung für die Kraftfahrzeug-Klimatisierungseinrichtung 22 zur Verfügung stellen muss.
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Insgesamt ist somit eine Effizienzsteigerung des Antriebs- und Klimatisierungssystems 10 geschaffen, da die Durchschnittsleistung des Kraftfahrzeugs bzw. des Antriebs- und Klimatisierungssystems 10 geringer ausfällt. Insgesamt lässt sich so eine elektrische Leistung von bis zu 13% einsparen.
