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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kühlungsreserve beim Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenaggregat, dem ein erster Kühlmittelkreislauf zugeordnet ist, mit einem dem Innenraum des Fahrzeugs zugeordneten zweiten Kühlmittelkreislauf.
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Brennstoffzellenaggregate produzieren während ihres Betriebs Wärme, die kontrolliert abgeführt werden muss, wenn die Wärmeproduktion zu einer Temperaturerhöhung des Brennstoffzellenaggregates über das optimale Temperaturintervall für dessen Betrieb führen könnte. Dazu ist der erste Kühlmittelkreislauf vorgesehen. Wird das Brennstoffzellenaggregat in einem Fahrzeug betrieben, kann die von dem Brennstoffzellenaggregat produzierte Wärme auch genutzt werden, um den Innenraum zu temperieren. In der
DE 43 27 261 C1 ist dazu offenbart, dass über einen Wärmetauscher die Wärme des ersten Kühlmittelkreislaufes an den zweiten Kühlmittelkreislauf abgegeben werden kann.
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In der
DE 10 2012 209 209 A1 ist ein Hybrid-Fahrzeug offenbart, dass neben einem Brennstoffzellenaggregat auch einen Verbrennungsmotor aufweist, zu dessen Betrieb ein Kraftstofftank erforderlich ist. In dieser Druckschrift ist vorgesehen, die Betriebsflüssigkeit, nämlich den Kraftstoff als thermisches Speicherreservoir zu nutzen.
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Die
DE 10 2011 075 284 A1 betrifft gleichfalls ein Hybridfahrzeug mit einem Wärme/ Kältespeicher, der zum Erwärmen bzw. Kühlen einer Fahrzeugkomponente oder eines Fahrgastraums des Fahrzeugs vorgesehen ist. Für den Fall der Nutzung als Kältespeicher ist vorgeschlagen, dass diesem Wärme entzogen wird, so dass er bei Bedarf, wenn eine Fahrzeugkomponente, insbesondere der Fahrgastraum gekühlt werden soll, Wärme aufnehmen kann.
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In der
DE 10 2006 058 968 A1 ist ein Wärmemanagementsystem für ein Brennstoffzellenaggregat erläutert, das einen thermischen Speicherbehälter, einen Kühler und ein Mischventil aufweist. Wärme von dem Brennstoffzellenaggregat wird an den thermischen Speicherbehälter abgegeben und durch den Kühler kann die Wärme von dem Speicherbehälter an die Umgebung abgegeben werden, so dass die Temperatur des Kühlmittels in dem Speicherbehälter bis auf die Umgebungstemperatur abgesenkt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs Art so weiter zu entwickeln, dass die Nutzungsmöglichkeit der Kühlungsreserve verbessert ist.
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Diese Aufgabe wir bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf zum Aufbau einer Kühlungsreserve aktiv gekühlt wird, dass bei höherem Kühlleistungsbedarf, insbesondere also bei großer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellenaggregat, im ersten Kühlmittelkreislauf durch ein Steuergerät ein Ventil geöffnet wird zur Freigabe einer ersten Verbindungsleitung zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf und so unter Nutzung einer zweiten Verbindungsleitung eine gemeinsame Ringleitung für den ersten Kühlmittelkreislauf und den zweiten Kühlmittelkreislauf mit dem akkumulierten Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf gebildet wird.
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Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass bei einer großen Erhöhung der Leistungsanforderung, beispielsweise aufgrund einer starken Beschleunigung mittels eines Kickdowns, oder bei einer lang andauernden hohen Leistungsanforderung, beispielsweise bei einer Passfahrt, die damit verbundene Kühlleistungsanforderung erbracht werden kann, ohne den ersten Kühlmittelkreislauf entsprechend größer dimensionieren zu müssen, weil die Möglichkeit genutzt ist, zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf durch Öffnung des Ventils eine Strömungsverbindung herzustellen und das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislauf auch dann mit Wärme zu beaufschlagen, wenn keine Heizungsanforderung für den Innenraum besteht. Durch das Öffnen des Ventils wird schlagartig die Menge des dem ersten Kühlmittelkreislaufes zur Verfügung stehenden Kühlmittels erhöht. Die von dem zweiten Kühlmittelkreislauf aufzunehmende Wärmemenge, also dessen absolut nutzbare Wärmekapazität ist abhängig von der gegebenen Temperaturdifferenz in dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf entsprechend der Formel
wobei m die Masse des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf angibt, cp dessen Wärmekapazität und dT die Temperaturdifferenz.
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Im Rahmen der Erfindung ist es daher gleichfalls bevorzugt, wenn die Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf vor dem Öffnen des Ventils mindestens auf eine Temperatur erfolgt, die unterhalb der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf und insbesondere unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Gemäß diesem Verfahrensschritt wird die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf optimiert und nicht nur die zusätzliche Wärmekapazität im zweiten Kühlmittelkreislauf bereit gestellt, die sich durch die Erhöhung des insgesamt vorliegenden akkumulierten Kühlmittels ergibt.
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Als besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es, wenn die aktive Kühlung im zweiten Kühlmittelkreislauf auch nach Bildung der gemeinsamen Ringleitung zur Kühlung des akkumulierten Kühlmittels aufrechterhalten wird. Gemäß diesem Verfahrensschritt wird die dem akkumulierten Kühlmittel zugeführte zusätzliche Wärme zumindest teilweise kompensiert, so dass die zur Verfügung stehende Kühlungsreserve zusätzlich erhöht ist.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass durch ein dem zweiten Kühlmittelkreislauf zugeordnetes Klimagerät für die Temperierung des Innenraums Luft am Verdampfer abgekühlt wird, dass eine im zweiten Kühlmittelkreislauf angeordnete Kühlmittelpumpe durch das Steuergerät aktiviert wird, und dass die abgekühlte Luft durch den Heizungswärmetauscher des Klimagerätes zur Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf genutzt wird. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass dieses bereits dann ausgeführt werden kann, wenn, wie heutzutage mittlerweile üblich, dem Fahrzeug ein Klimagerät zugeordnet ist, da zur Durchführung dieses Verfahrens keine weiteren Änderungen am Aufbau der Vorrichtung, also der Hardware, erforderlich sind.
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Dabei ist dann weiterhin bevorzugt, dass der Klimatisierung des Innenraums Vorrang gegenüber dem Aufbau oder Kühlungsreserve eingeräumt wird, um für die Nutzer des Kraftfahrzeuges keine Komforteinbußen zu generieren, wobei es selbstverständlich möglich ist, bei einer starken Erhöhung der Leistungsanforderung zwischen der Klimatisierung des Innenraums und der Bereitstellung der Kühlungsreserve abzuwägen, also eine geringfügige Temperaturerhöhung des Innenraums um beispielsweise 1 °C zu dulden, wenn dadurch, z. B. bei einer Passfahrt mit Hängerbetrieb, die höhere Leistungsanforderung länger aufrechterhalten werden kann. Die Wärmekapazität des Innenraums wird dadurch mitbenutzt, um eine erhöhte Kühlungsreserve bereit zu stellen.
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Alternativ besteht gleichfalls die Möglichkeit, dass die Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf durch einen mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf verknüpften Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager erfolgt. Die aktive Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf durch einen sogenannten Chiller sieht autark eine aktive Kühlung des zweiten Kühlmittelkreislaufes vor, die unabhängig von dem dem Innenraum zugeordneten Klimagerät erfolgen kann, wobei bei der Kombination mit dem Klimagerät eine erneute erhöhte Kapazität für die Bereitstellung der Kühlungsreserve vorliegt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmetransport zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf unter Verzicht auf einen Wärmetauscher erfolgt durch Wärmeströmung mit dem akkumulierten Kühlmittel als Wärmeträger. Es wird also der Wärmetransportmechanismus der Wärmeströmung von dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf ausgenutzt, so dass eine deutlich geringere thermische Trägheit als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauscher vorliegt.
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Wiederum zur Wahrung des Komforts für den Nutzer des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass die mit dem akkumulierten Kühlmittel mitgeführte Wärme bei fehlendem Heizungsbedarf nicht an den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben wird.
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Vorgesehen ist weiterhin, dass bei Reduzierung des Kühlleistungsbedarf im ersten Kühlmittelkreislauf zum Aufbau der Kühlungsreserve durch das Steuergerät das Ventil geschlossen wird bei Beibehaltung der aktiven Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf. Günstig ist es weiterhin, wenn eine benutzergeführte Aktivierung der aktiven Kühlung zeitlich vor einer erhöhten Leistungsanforderung, insbesondere vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellaggregats vorgesehen ist. Bei Kenntnis von einer demnächst steigenden Leistungsanforderung, also beispielsweise bei Annäherung an einen Pass, kann durch den Fahrzeugführer die aktive Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf initiiert werden. Dies optimiert wiederum den Energieverbrauch, da bei Kenntnis von einer fehlenden hohen Leistungsanforderung die Energie zur aktiven Kühlung eingespart werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine Anordnung eines einem Brennstoffzellenaggregat zugeordneten Kühlungssystems, und
- 2 eine der 1 entsprechende Anordnung mit einem dem zweiten Kühlmittelkreislauf zugeordneten Chiller.
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In der 1 ist ein Brennstoffzellenaggregat 1 abgebildet, dem ein erster Kühlmittelkreislauf 2 zugeordnet ist, in dem Kühlmittel zirkuliert, das einem Kühler 9 zugeführt werden kann, um während des Betriebs des Brennstoffzellenaggregats 1 entstehende Wärme an die Umgebung abzugeben. Dieser Kühler 9 kann anhand eines alternativen Pfades 10 im ersten Kühlmittelkreislauf 2 umgangen werden, wenn beispielsweise zu Beginn des Betriebs des Brennstoffzellenaggregats 1 dessen Temperaturerhöhung bis zum Erreichen des optimalen Temperaturintervalls gewünscht ist.
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Das gezeigte Brennstoffzellenaggregat 1 ist zum Betreiben eins Fahrzeugs vorgesehen, das über einen Innenraum verfügt, der bedarfsweise beheizbar sein muss. Daher ist der erste Kühlmittelkreislauf 2 mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 verbunden, in dem ein Wärmetauscher 11 zur Abgabe von in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 mitgeführter Wärme an den Innenraum vorgesehen ist. Die Verbindung des ersten Kühlmittelkreislaufes 2 mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 erfolgt über eine erste Verbindungsleitung 6, in der ein Ventil 5 positioniert ist, das im geschlossenem Zustand eine Trennung der beiden Kreisläufe bewirkt und im geöffneten Zustand durch Nutzung einer zweiten Verbindungsleitung 7 einen gemeinsamen Kreislauf für das akkumulierte Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelkreislauf 2 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 bereitstellt. Dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 ist eine Kühlmittelpumpe 8 zugeordnet. Vorhanden ist auch ein Steuergerät 4, das zum Schalten des Ventils 5 und/ oder der Kühlmittelpumpe 8 genutzt werden kann.
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Mit einem derartigen konstruktiven Aufbau des Kühlungs- und Klimatisierungssystems in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenaggregat 1 ist es möglich, dass insbesondere bei großer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellenaggregat 1 und damit höherem Kühlleistungsbedarf im ersten Kühlmittelkreislauf 2 durch das Steuergerät 4 das Ventil 5 geöffnet wird zur Freigabe der ersten Verbindungsleitung 6 zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf 2 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 und so unter Nutzung der zweiten Verbindungsleitung 7 eine gemeinsame Ringleitung mit dem akkumulierten Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelkreislauf 2 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 gebildet wird, so dass das im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 bereitstehende Kühlmittel niedriger Temperatur genutzt werden kann, um eine Kühlungsboostfunktion bereitzustellen, also eine Kühlungsreserve, und zwar unabhängig von einem tatsächlichen für den Innenraum gegebenen Heizungsbedarf.
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Um die zur Verfügung stehende Kühlungsreserve zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorzusehen, dass das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 aktiv gekühlt wird, da die Wirksamkeit der Kühlungsboostfunktion, also die Höhe der Kühlungsreserve abhängt vom Verhältnis der Kühlmittelmassen im ersten Kühlmittelkreislauf 2 und im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 sowie der vorherrschenden Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf 2 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3. Da die Massen festliegen, führt die Erhöhung der Temperaturdifferenz zu einer Erhöhung der Kühlungsreserven.
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Es stehen verschiedene Verfahrensschritte zur Verfügung, diese Kühlungsreserven zu optimieren. So ist die Möglichkeit gegeben, die Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 vor dem Öffnen des Ventils 5 mindestens auf eine Temperatur zu bewirken, die unterhalb der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 2 und insbesondere unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.
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Auch kann die aktive Kühlung im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 nach Bildung der gemeinsamen Ringleitung zur Kühlung des akkumulierten Kühlmittels aufrechterhalten werden. Es besteht gleichfalls die Möglichkeit, dass bei Reduzierung des Kühlleistungsbedarfes im ersten Kühlmittelkreislauf 2 zum Aufbau der Kühlungsreserve durch das Steuergerät 4 das Ventil 5 geschlossen wird bei Beibehaltung der aktiven Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 3.
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Auch eine benutzergeführte Aktivierung der aktiven Kühlung ist möglich, und zwar vorzugsweise zeitlich vor einer erhöhten Leistungsanforderung, so dass die aktive Kühlung nur dann erfolgt, wenn die erhöhte Leistungsanforderung absehbar ist. Die benutzergeführte Aktivierung bietet allerdings auch die Möglichkeit, bereits vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenaggregates 1 das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 zu kühlen und so bei der Inbetriebnahme eine maximale Leistungsabgabe des Brennstoffzellenaggregates 1 zu ermöglichen.
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Die aktive Kühlung im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 kann erfolgen, indem durch das dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 zugeordnete Klimagerät 14 für die Temperierung des Innenraums Luft am Verdampfer abgekühlt wird eine dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 angeordnete Kühlmittelpumpe 8 durch das Steuergerät 4 aktiviert wird und indem die abgekühlte Luft durch den Heizungswärmetauscher des Klimagerätes 14 zur Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 genutzt wird. Die Vorrichtung, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann, ist in der 1 gezeigt.
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In 2 ist eine modifizierte Vorrichtung dargestellt, bei der die Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 durch eine mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 verknüpften Chiller 13, also einem Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenaggregat
- 2
- erster Kühlmittelkreislauf
- 3
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- 4
- Steuergerät
- 5
- Ventil
- 6
- erste Verbindungsleitung
- 7
- zweite Verbindungsleitung
- 8
- Kühlmittelpumpe
- 9
- Kühler
- 10
- alternativen Pfades
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Signalleitung
- 13
- Chiller
- 14
- Klimagerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4327261 C1 [0002]
- DE 102012209209 A1 [0003]
- DE 102011075284 A1 [0004]
- DE 102006058968 A1 [0005]
