DE102020120839B4

DE102020120839B4 - Temperatursteuervorrichtung mit reduzierter Temperatursensoranzahl

Info

Publication number: DE102020120839B4
Application number: DE102020120839.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan LÄNGLE
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-08-08
Also published as: DE102020120839A1

Abstract

Temperatursteuervorrichtung (100) miteiner Thermostatvorrichtung (110) mit 3 Zu-/Ableitungen (120) zum Mischen von 2 Eingangsströmen zu einem Ausgangsstrom, um eine Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf einem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen;2 Temperatursensoren (132, 136), die in 2 der 3 Zu-/Ableitungen (120) angeordnet und geeignet sind, Temperaturen von in den 2 Zu-/Ableitungen fließenden Fluiden zu messen; undeiner Steuervorrichtung (140) zum Abschätzen einer Temperatur des Fluids in der Zu-/Ableitung (120), in der kein Temperatursensor (130) angeordnet ist, basierend auf den von den 2 Temperatursensoren (130) gemessenen Temperaturen und dem Mischungsverhältnis der Thermostatvorrichtung (110); wobei die Temperatursteuervorrichtung (100) aufweist:eine erste Zuleitung (122) zum Zuführen eines ersten Eingangsstroms aus einem ersten Fluid zu der Thermostatvorrichtung (110);einer zweiten Zuleitung (124) zum Zuführen eines zweiten Eingangsstroms aus einem zweiten Fluid zu der Thermostatvorrichtung (110); undeiner Ableitung (126) zum Abführen des Ausgangsstroms von der Thermostatvorrichtung (110), der aus einer Mischung aus erstem Fluid und zweitem Fluid gemäß dem Mischungsverhältnis besteht; wobeiein erster Temperatursensor (132) in der ersten Zuleitung (122) angeordnet und geeignet ist, eine erste Temperatur T1 zu messen;die Steuervorrichtung (140) geeignet ist, eine zweite Temperatur T2 in der zweiten Zuleitung (124) abzuschätzen; undein zweiter Temperatursensor (136) in der Ableitung (126) angeordnet und geeignet ist, eine dritte Temperatur T3 zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperatursteuervorrichtung, die es erlaubt, die Temperatur in einem Kühlkreislauf unter Zuhilfenahme eines Thermostats einzustellen, wobei weniger Temperatursensoren benötigt werden, als das Thermostat Zu- und Ableitungen hat, und ein Verfahren für eine solche Temperatursteuerung. Zudem betrifft die Erfindung Brennstoffzellensysteme und Kraftfahrzeuge, die derartige Temperatursteuervorrichtungen verwenden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass in Kühlkreisläufen verschiedene Temperaturen vorgegeben werden müssen, um die gekühlten Objekte auf die gewünschten Temperaturen zu bringen. So ist es z.B. für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendig, die verschiedenen Teilsysteme des Brennstoffzellensystems auf bestimmte Temperaturen einzustellen, um einen stabilen und effizienten Betrieb des Systems sicherzustellen.
Hierzu werden meist Regelkreise eingesetzt, die anhand von Sensorwerten einen Sollwert einregeln, z.B. durch Ansteuerung eines elektromechanischen Thermostatventils, das aus verschiedene Flüssigkeits- oder Gasströmungen unterschiedlicher Temperaturen durch Mischen in einem bestimmten Verhältnis eine Fluidströmung mit der vorgegeneben Temperatur erzeugt. Dies erfordert oft eine Vielzahl von Sensorelementen, insbesondere von Temperatursensoren. So ist z.B. für ein Kühlsystem einer Brennstoffzelle eine Vielzahl von Temperatursensoren nötig, um eine Wunschtemperatur am Brennstoffzellenstapel über ein elektromechanisches Thermostatventil zuverlässig und ohne große Regelabweichung einzuregeln. Derartige Systeme sind z.B. aus der DE 10 2018 127 788 A1 , der DE 10 2006 044 287 A1 oder der KR 10 2011 0 138 819 A bekannt.
Insbesondere bei hohen Anforderungen an die Regelgüte ist also eine große Anzahl von Sensoren notwendig. Dies erzeugt hohe Kosten, zum einen für die Sensoren selbst, zum anderen auch für die Sensorperipherie, d.h. Kabelbäume, Schnittstellen, Steuergeräte und dergleichen.
Die DE 39 36 927 A1 beschreibt ein System zur Überwachung der Temperaturen strömender Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeitstemperatur am Einlaß und die Winkelstellung eines Regelventilschaftes beobachtet wird, so daß die Ventilstellung mit der Regelung der Flüssigkeitstemperatur am Ventilauslaß koordiniert werden kann. Auf diese Weise soll, über einen Mikroprozessor eine einstellbare Regelung für die Temperatur eines aus einem Mischventil ablaufenden bzw. ausströmenden Wassers geschaffen werden, bei der die Einstellgeschwindigkeit variabel ist und bei dem insbesondere die relative Stellung des Mischventils mit der Regelung der Wassertemperatur über ein Mischen in dem Ventil koordiniert wird.
Die EP 3 412 978 B1 beschreibt, dass die durch eine geeignete Messtechnik ermittelte Zeitspanne, die für den vollständigen Austausch des Temperiermediums in einem Heizkreis in verschiedenen Lastfällen benötigt wird, verwendet werden kann, um bei wechselnden Betriebsbedingungen des Heizsystems, das mehrere Heizkreise umfasst, eine für den Lastfall verbesserte Versorgung der einzelnen Heizkreise sicherzustellen.
Die DE 102 41 303 A1 beschreibt Maßnahmen, um die Mischwassertemperatur in einer Wassermischeinrichtung über die in der Richmannschen Mischungsregel dargestellten Abhängigkeiten zu steuern. Hiermit können. Schwingungsprobleme bei der Mischwassertemperatur weitgehend ausgeschaltet werden.
Die DE 10 2013 001 413 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels, wobei die Eintrittstemperatur in verbesserter Weise bzw. mit höherer Genauigkeit einer gewünschten Eintrittstemperatur entspricht; auch bei starken Laständerungen der Brennstoffzelle.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird deshalb darin gesehen, eine Temperatursteuerung anzugeben, in der die Anzahl der nötigen Temperatursensoren reduziert werden kann, insbesondere für die Kühlung von Komponenten von Brennstoffzellensystemen oder damit betriebenen Kraftfahrzeugen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Temperatursteuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine Temperatursteuervorrichtung kann eine Thermostatvorrichtung mit n Zu-/Ableitungen zum Mischen von (n-1) Eingangsströmen zu einem Ausgangsstrom aufweisen, um eine Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf einem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen. Die Temperatursteuervorrichtung kann zudem (n-1) Temperatursensoren, die in (n-1) der n Zu-/Ableitungen angeordnet und geeignet sind, Temperaturen von in den (n-1) Zu-/Ableitungen fließenden Fluiden zu messen, und eine Steuervorrichtung aufweisen, zum Abschätzen einer Temperatur des Fluids in der Zu-/Ableitung, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, basierend auf den von den (n-1) Temperatursensoren gemessenen Temperaturen und dem Mischungsverhältnis der Thermostatvorrichtung.
Die Temperatursteuervorrichtung weist also als Hauptelement zur Temperatureinstellung eine Thermostatvorrichtung, wie etwa ein Thermostatventil, auf, in der eine Mehrzahl von Fluidströmen zu einem Ausgangsstrom gemischt wird. Die Eingangsströme weisen hierbei typischer Weise verschiedene Temperaturen auf, so dass durch das Verhältnis in dem die verschiedenen Eingangsströme in der Thermostatvorrichtung gemischt werden, die Temperatur des Ausgangsstrom festgelegt wird. Durch Verändern dieses Mischungsverhältnis kann die Temperatur des Ausgangsstroms eingestellt werden.
Üblicher Weise wird jeder Ein- und Ausgang der Thermostatvorrichtung, d.h. jede Zuleitung und die Ableitung mit einem Temperatursensor versehen, um ein komplettes Bild über die Temperaturverteilung der einströmenden Fluide und deren ausströmender Mischung zu erhalten. Es sind also für zusammen n Zu- und Ableitungen n Temperatursensoren vorhanden.
Es besteht aber ein bestimmter physikalischer Zusammenhang zwischen den Temperaturen der Eingangsströme, deren Mischung gemäß des an der Thermostatvorrichtung einstellbaren Mischungsverhältnis und der Temperatur des Ausgangsstroms. Dieser Zusammenhang erlaubt es, einen der n Temperatursensoren wegzulassen, d.h. eine Zuleitung oder die Ableitung ist nicht mit einem Temperatursensor versehen. Der zugehörige Temperaturwert kann dann (das Fluidmaterial bekannt ist) von einer Steuervorrichtung, etwa einem Computer, einem Prozessor, einem Programm oder dergleichen, aufgrund des physikalischen Zusammenhangs eindeutig aus den (n-1) gemessenen Temperaturen und dem ebenfalls bekannten, eingestellten Mischungsverhältnis bestimmt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, einen Temperatursensor einzusparen, wodurch es zu einer Kostenreduktion kommt. Eine funktionsfähige Steuerung oder Regelung der Ausgangstemperatur der Thermostatvorrichtung ist dabei weiterhin möglich, da alle für die Steuerung/Regelung notwendigen Parameter bekannt sind, nämlich sämtliche Temperaturen an den Ein- und Ausgängen der Thermostatvorrichtung sowie das darin eingestellt Mischungsverhältnis.
Die oben beschriebene Temperatursteuervorrichtung erlaubt also eine genaue und verlässliche Temperaturregelung/-steuerung bei vereinfachtem Aufbau und bei dadurch verringerten Kosten.
Die Temperatursteuervorrichtung weist dabei eine erste Zuleitung zum Zuführen eines ersten Eingangsstroms aus einem ersten Fluid zu der Thermostatvorrichtung, eine zweite Zuleitung zum Zuführen eines zweiten Eingangsstroms aus einem zweiten Fluid zu der Thermostatvorrichtung und eine Ableitung zum Abführen des Ausgangsstroms von der Thermostatvorrichtung, der aus einer Mischung aus erstem Fluid und zweitem Fluid gemäß dem Mischungsverhältnis besteht, auf. Hierbei ist ein erster Temperatursensor in der ersten Zuleitung angeordnet und geeignet, eine erste Temperatur T1 zu messen, die Steuervorrichtung ist geeignet, eine zweite Temperatur T2 in der zweiten Zuleitung abzuschätzen, und ein zweiter Temperatursensor ist in der Ableitung angeordnet und geeignet, eine dritte Temperatur T3 zu messen.
Die Thermostatvorrichtung mischt also zwei Eingangsströme, um einen Ausgangsstrom mit einer bestimmten Temperatur zu erzeugen. Die beiden Fluide der Eingangsströme sind hierbei typischerweise aus dem gleichen Material. Sie können im Prinzip aber auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Temperaturen eines Eingangsstroms und des Ausgangsstroms werden bei bereits eingestelltem und deshalb bekanntem Mischungsverhältnis gemessen und an die Steuervorrichtung weitergegeben. Die Steuervorrichtung berechnet hieraus die Temperatur des zweiten Eingangsstroms. Basierend auf der gemessenen Temperatur des ersten Eingangsstroms und der berechneten Temperatur des zweiten Eingangsstroms kann die Steuervorrichtung hierauf das Mischungsverhältnis der Thermostatvorrichtung in einem Steuer- oder Regelschritt anpassen, um die Temperatur des Ausgangsstroms zu verändern.
Das Abschätzen der Temperatur des zweiten Eingangsstrom bei fester Ausgangstemperatur und das Ändern der Ausgangstemperatur unter der Annahme einer konstant bleibenden Temperatur der zweiten Eingangstemperatur können hierbei abwechselnd ausgeführt werden, um so eine Steuerung/Regelung der Ausgangstemperatur trotz fehlendem Temperatursensor in der zweiten Zuleitung zu ermöglichen.
Bestandteile des ersten Fluids können eine erste Zeit t1 benötigen, um vom ersten Temperatursensor bis zum zweiten Temperatursensor zu gelangen. Bestandteile des zweiten Fluids können eine zweite Zeit t2 benötigen, um von einem Ort der zweiten Zuleitung, für den die zweite Temperatur T2 abgeschätzt wird, bis zum zweiten Temperatursensor zu gelangen. Bestandteile der Mischung des ersten und des zweiten Fluids können eine dritte Zeit t3 benötigen, um von der Thermostatvorrichtung bis zum zweiten Temperatursensor zu gelangen. Die Steuervorrichtung kann dann geeignet sein, die zweite Temperatur T2 zum Zeitpunkt (t-t2) basierend auf der zum Zeitpunkt (t-t1) gemessenen ersten Temperatur T1, auf dem Mischungsverhältnis r der Thermostatvorrichtung zum Zeitpunkt (t-t3) und auf der zum Zeitpunkt t gemessenen dritten Temperatur T3 abzuschätzen.
In der Abschätzung der Temperatur des Fluids in der zweiten Zuleitung wird also auch der zeitliche Versatz berücksichtigt, den verschiedene Fluidbestandteile benötigen, um von den Orten der Temperaturmessung/- abschätzung und der Mischungseinstellung zum Ort der Abnahme der Regelgröße, d.h. zum dritten Temperatursensor zu gelangen. Hierdurch wird die Temperatursteuerung präziser und dynamischer, insbesondere für längere Strömungswege zwischen den Bestandteilen der Temperatursteuervorrichtung. Die verschiedenen Versatz- oder Totzeiten hängen hierbei naturgemäß von der Geometrie und den Strömungsgeschwindigkeiten im Gesamt-Fluidkreislauf ab.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die zweite Temperatur T2 gemäß der folgenden Gleichung abzuschätzen: $T 2 = \frac{T 3 \cdot (c p 1 \cdot r + c p 2 \cdot (1 - r)) - T 1 \cdot c p 1 \cdot r}{c p 2 \cdot (1 - r)},$
wobei cp1 die spezifische Wärmekapazität des ersten Fluids bei der ersten Temperatur T1 und cp2 die spezifische Wärmekapazität des zweiten Fluids bei der zweiten Temperatur T2 angibt. Der Wert von cp2 kann hierbei (startend von einer bei Systeminitialisierung bekannten Temperatur des zweiten Fluids) anhand der im letzten vorhergehenden Zeitschritt bestimmten Temperatur T2 bestimmt werden. Die Kenntnis der verschiedenen Temperaturen und der korrespondierenden spezifischen Wärmekapazitäten für die verwendeten Fluide ist also ausreichend, um aus den Temperaturen T1, T3 und dem Mischungsverhältnis r die zweite Temperatur T2 zu berechnen. Da das Kühlmittel und damit die physikalischen Eigenschaften, wie etwa die spezifische Wärmekapazität, bekannt sind, ist es ausreichend, die Temperaturen T1 und T3 zu messen und den Wert r aus dem derzeitigen Mischungsverhältnis zu bestimmen, um z.B. unter Rückgriff auf Wertetabellen für cp1 und cp2, die Temperatur T2 berechnen zu können. Die obige Formel ist also ein besonders einfacher Weg, um die Temperatur T2 zu berechnen und damit einen Temperatursensor einzusparen.
Ein Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und/oder weiterer Komponenten des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise einer Batterie aufweisen, wobei die Kühlvorrichtung eine Temperatursteuervorrichtung aufweist, wie sie oben beschrieben wurde.
Bei der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann es sich im Prinzip um jede Art von Brennstoffzelle handeln, die für ihren Betrieb auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden muss. Das Brennstoffzellensystem kann auch zusätzlich zur Brennstoffzelle eine Batterie aufweisen, die zum Zwischenspeichern von durch die Brennstoffzelle erzeugter Energie geeignet ist und ebenfalls gekühlt werden kann. Durch die Verwendung der oben beschriebenen Temperatursteuervorrichtung können verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie etwa ein Brennstoffzellenstapeleingang, bei verringerter Temperatursensoranzahl rasch und stabil auf die optimalen Betriebstemperaturen eingestellt werden. Dadurch verringern sich die Kosten des Brennstoffzellensystems bei gleichbleibender Effizienz.
Ein Kraftfahrzeug kann eine Temperatursteuervorrichtung oder ein Brennstoffzellensystem aufweisen, wie sie oben beschrieben wurden. Gerade für Kraftfahrzeuge kann es aufgrund von geringem Platzangebot, Designanforderungen und/oder Kostengrünen vorteilhaft sein, die Anzahl von Sensoren (und zugehöriger Elektronik und dergleichen) pro verwendeten Thermostat zu verringern. Die Verwendung einer Temperatursteuervorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, garantiert hierbei, dass die Anzahl der zu verbauenden Sensoren reduziert werden kann, ohne die Effizienz der Temperaturregelung zu verringern. Dadurch kann das Kraftfahrzeug bei gleicher Leistungsfähigkeit kosteneffizienter gefertigt werden.
Ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur in einer Temperatursteuervorrichtung wie sie oben beschrieben wurde umfasst: Mischen von (n-1) Eingangsströmen zu einem Ausgangsstrom, um eine Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf einem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen; Messen von Temperaturen der in (n-1) Zu-/Ableitungen fließenden Fluiden mit (n-1) Temperatursensoren, die in den (n-1) Zu-/Ableitungen der Temperatursteuervorrichtung angeordnet sind; und Abschätzen einer Temperatur des Fluids in der Zu-/Ableitung, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, basierend auf den von den (n-1) Temperatursensoren gemessenen Temperaturen und dem Mischungsverhältnis. Durch dieses Verfahren können die oben genannten Vorteile erzielt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Temperatursteuervorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der zeitlichen Entwicklung verschiedener Temperaturen in der Temperatursteuervorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer eine Temperatursteuervorrichtung aufweisenden Kühlvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Temperatursteuervorrichtung; und
5 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zur Temperatursteuerung.

In 1 ist schematisch eine Temperatursteuervorrichtung 100 gezeigt, die zur Einstellung einer Temperatur eines Fluidstroms durch Mischen von Fluidströmen verschiedener Temperaturen geeignet ist. Die Temperatursteuerung 100 kann insbesondere zum Steuern und/oder Regeln von Temperaturen in Kühl- oder Heizkreisläufen geeignet sein.
Zur Temperatursteuerung weist die Temperatursteuervorrichtung 100 eine Thermostatvorrichtung 110 auf, etwa ein Thermostatventil. Die Thermostatvorrichtung 110 empfängt eine Mehrzahl von Fluidströmen, im Folgenden Eingangsströme genannt, mischt diese und erzeugt dadurch einen Ausgangsstrom, dessen Temperatur von dem Mischungsverhältnis der Eingangsströme im Ausgangsstrom und von den Temperaturen und Wärmekapazitäten der Eingangsströme abhängt.
Wie in der 1 gezeigt reichen im Prinzip zwei Eingangsströme, die über eine erste Zuleitung 122 und eine zweite Zuleitung 124 zu der Thermostatvorrichtung geführt werden aus, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der über eine Ausgangsleitung 126 abgeführt wird und dessen Temperatur jeden Wert zwischen den Temperaturen der beiden Eingangsströme aufweisen kann. Falls notwendig können aber auch mehr als nur zwei Eingangsströme verwendet werden. Auch in diesem Fall ist die Temperatur des Ausgangsstroms durch das von der Thermostatvorrichtung 110 vorgegebene Mischungsverhältnis und die Temperaturen und Wärmekapazitäten der Eingangsströme bestimmt. Die in der 1 gezeigte Situation aus zwei Zuleitungen und einer Ableitung ist also nur als Beispiel für eine Temperatursteuervorrichtung 100 mit n Zu-/Ableitungen 120 zu verstehen.
Um eine gezielte und kontrollierte Steuerung der Temperatur des Ausgangsstroms zu ermöglichen, weist die Temperatursteuervorrichtung 100 (n-1) Temperatursensoren 130 auf, mit denen die Temperaturen der Eingangsströme und des Ausgangsstroms gemessen werden können. Eine der Zu-/Ableitungen ist nicht mit einem Temperatursensor 130 versehen. Die Temperatur in dieser Leitung wird von einer Steuervorrichtung 140 basierend auf den anderen Systemparametern bestimmt.
Im Beispiel der 1 ist ein erster Temperatursensor 132 in der ersten Zuleitung 122 und ein zweiter Temperatursensor 136 in der Ableitung 126 angeordnet, die eine erste Temperatur T1 des ersten Eingangsstroms und eine dritte Temperatur T3 des Ausgangsstroms messen können. Die zweite Temperatur T2 des zweiten Eingangsstroms wird von der Steuervorrichtung 140 abgeschätzt bzw. berechnet.
Das zur Temperatursteuerung verwendete Fluid in den beiden Zuleitungen 122, 124 ist bekannt (d.h. es wird z.B. ein bestimmtes, bekanntes Kühlmittel verwendet, wie etwa Wasser). Insbesondere ist die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des Fluids bekannt. Basierend auf den gemessenen Temperaturen kann dann die Wärmekapazität, insbesondere die spezifische Wärmekapazität, des Fluids abgeleitet werden, z.B. mittels einer gespeicherten Wertetabelle. Die Messung der ersten Temperatur T1 des ersten Eingangsstroms liefert also gleichzeitig die spezifische Wärmekapazität cp1 des ersten Eingangsstroms bei der Temperatur T1. Genauso kann die spezifische Wärmekapazität cp2 des zweiten Eingangsstroms bei der Temperatur T2 nach dem Abschätzen dieser Temperatur durch Nachschlagen oder durch eine Berechnung bestimmt werden.
Aus den Größen T1, T3, cp1 und cp2 lässt sich bei bekanntem Mischungsverhältnis r der Thermostatvorrichtung 110 die Temperatur T2 bestimmen, die in der zweiten Zuleitung 124 an einem Ort 134 gemessen worden wäre, von dem aus in dem Ausgangsstrom enthaltene Bestandteile des zweiten Eingangsstroms den zweiten Temperatursensor 136 erreichen, um dort die Messung der dritten Temperatur T3 herbeizuführen. Dieser zeitliche Zusammenhang ist zum besseren Verständnis in der 2 dargestellt.
Die 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der ersten Temperaturen T1 (erster Eingangsstrom) am ersten Temperatursensor 132, der zweiten Temperatur T2 (zweiter Eingangsstrom) an dem besagten Ort 134 der zweiten Zuleitung 124 und die dritte Temperatur T3 (Ausgangsstrom) am zweiten Temperatursensor 136. Ebenfalls gezeigt ist der zeitliche Verlauf des Mischungsverhältnisses r, das durch die Thermostatvorrichtung 110 vorgegeben wird. r kann hierbei Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei bei einem Wert von 1 naturgemäß die Temperaturbestimmung mathematisch nicht mehr möglich ist. Bei einem Wert von 1 ist der erste Eingangsstrom gleich dem Ausgangsstrom, bei einem Wert von 0 entspricht der Ausgangsstrom dem zweiten Eingangsstrom.
Zwischenliegende Werte geben eine Mischung der beiden Eingangsströme wieder. Im Zeitbereich des in der 2 gezeigten Beispiels, ist das Mischungsverhältnis r zeitlich konstant, dies ist aber naturgemäß nicht zwingend.
Wie man sich anhand der schematischen Darstellung der 1 verdeutlichen kann, benötigt ein Fluidbestandteil eine gewisse erste Zeit t1, um von dem ersten Temperatursensor 132 zu dem zweiten Temperatursensor 136 zu gelangen. Ebenso ist eine zweite Zeit t2 notwendig, um von dem besagten Ort 134 in der zweiten Zuleitung 124 zu dem zweiten Temperatursensor 136 zu gelangen. Eine dritte Zeit t3 benötigt ein Fluidbestandteil, um von der Thermostatvorrichtung 110 aus den zweiten Temperatursensor 136 zu erreichen. Die erste und die zweite Zeit t1 und t2 können dabei gleich lang oder unterschiedlich lang sein. Beide sind naturgemäß länger als die dritte Zeit t3.
Der Ausgangsstrom, der den zweiten Temperatursensor 136 zu einem Zeitpunkt t (t=0 in der 2) passiert, setzt sich zusammen aus Bestandteilen des ersten Eingangsstroms, die den ersten Temperatursensor 132 zum Zeitpunkt (t-t1) passiert hatten und aus Bestandteilen des zweiten Eingangsstroms, die den besagten Ort 134 zum Zeitpunkt (t-t2) passiert hatten. Diese wurden zum Zeitpunkt (t-t3) von der Thermostatvorrichtung 110 durchmischt.
Die Temperatur T3 des Ausgangsstroms zum Zeitpunkt t hängt also von der Temperatur T1 des ersten Eingangsstroms zum Zeitpunkt (t-t1), von der Temperatur T2 des zweiten Eingangsstroms zum Zeitpunkt (t-t2) und vom Mischungsverhältnis r zum Zeitpunkt (t-t3) ab. Entsprechendes gilt für die Wärmekapazitäten cp1 und cp2.
Wird im Folgenden auf die Temperaturen T1, T2, T3 und die Wärmekapazitäten cp1 und cp2 Bezug genommen, soll dieser Zusammenhang gelten, d.h. T3=T3(t), T1 =T1 (t-t1), T2=T2(t-t2), r=r(t-t3), cp1 =cp1 (T1 (t-t1)) und cp2=cp2(T2(t-t2)). Dies gilt mit der Einschränkung, dass aufgrund der Abschätzung der zweiten Temperatur T2 der Wert der Wärmekapazität cp2 bei der zweiten Temperatur T2 stets unter der Annahme verwendet wird, dass sich die zweite Temperatur T2 seit der letzten Messung nicht verändert hat.
Wie oben erläutert, reicht die Kenntnis der Temperaturen T1 und T3, der spezifischen Wärmekapazitäten cp1 und cp2 und des Mischungsverhältnis r der Thermostatvorrichtung aus, um die Temperatur T2 des zweiten Eingangsstroms zu berechnen bzw. abzuschätzen.
Dies wird in der Temperatursteuervorrichtung 100 ausgenutzt, um einen Temperatursensor 130 an dem besagten Ort 134 der zweiten Zuleitung 124 einzusparen. Dadurch verringert sich die Anzahl der notwendigen Temperatursensoren 130, wodurch Komplexität und Kosten der Temperatursteuervorrichtung 100 reduziert werden können.
Zu diesem Zweck weist die Temperatursteuervorrichtung 100 die Steuervorrichtung 140, etwa einen Computer, einen Prozessor, ein Programm oder dergleichen auf, die die Funktionen der Temperatursensoren 130 und der Thermostatvorrichtung 110 überwacht und in der Lage ist, die zweite Temperatur abzuschätzen, wie in der 1 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.
Eine Steuerung der Temperatur T3 des Ausgangsstroms kann dann derart ausgestaltet sein, dass die Steuervorrichtung 140 zunächst die zweite Temperatur T2 bei bekanntem Mischungsverhältnis r und gemessenen Temperaturen T1 und T3 berechnet. Hierauf wird angenommen, dass die zweite Temperatur T2 seit der Berechnung unverändert ist, und hierauf das Mischverhältnis r von der Steuervorrichtung 140 verstellt, um eine Änderung der dritten Temperatur T3 zu erreichen. Dies kann als Regelung, d.h. basierend auf den Messwerten des zweiten Temperatursensors 136, oder als Steuerung basierend auf den Temperaturen der Eingangsströme und einer gewünschten Temperatur des Ausgangsstroms geschehen.
Nachdem ein neues Mischverhältnis r eingestellt wurde (oder nachdem festgestellt wurde, dass eine Änderung des Mischverhältnisses r nicht notwendig ist), wird erneut die zweite Temperatur T2 bestimmt, basierend auf den Messwerten für die erste Temperatur und die dritte Temperatur sowie basierend auf dem (neuen) Mischverhältnis r. Die spezifische Wärmekapazität cp1 wird hierbei basierend auf der neu gemessenen ersten Temperatur T1 bestimmt, während für cp2 der Wert der zweiten Temperatur T2 aus der vorhergehenden Messung verwendet wird. Die beiden Schritte, d.h. Abschätzen von T2 und Einstellen von T3, können hierbei in hochfrequenter Abfolge abwechselnd hintereinander ausgeführt werden, z.B. mit einer Frequenz im (oberen) MHz-Bereich. Dadurch kann aufgrund des raschen Wechsels verhindert werden, dass die Annahme unveränderter Temperatur T2 für die Steuerung der Temperatur T3 zu ungenau für eine präzise Steuerung wird.
Auf diese Weise ist es möglich, die Anzahl von Temperatursensoren 130 zu reduzieren, ohne die Funktionalität der Temperatursteuervorrichtung 100 einzuschränken.
Insbesondere kann die Temperatur des Fluids in einer Zu-/Ableitung 120 aus den Erhaltungsgleichungen der aus den Eingangsströmen in den Ausgangsstrom transferierten Wärmemengen und Massen sowie der Mischcharakteristik der Thermostatvorrichtung 110 abgeleitet werden. Eine aus diesen Erhaltungsgleichungen abgeleitete Mischungsgleichung kann nach dieser Temperatur aufgelöst werden und erlaubt es, diese nach Bestimmung der übrigen Parameter zu berechnen.
Für das in der 1 gezeigte Beispiel zweier Eingangsströme ergibt die Mischungsgleichung für eine lineare Mischcharakteristik der Thermostatvorrichtung 110 den Zusammenhang $T 2 = \frac{T 3 \cdot (c p 1 \cdot r + c p 2 \cdot (1 - r)) - T 1 \cdot c p 1 \cdot r}{c p 2 \cdot (1 - r)},$
wobei hier die zeitlichen Relationen gelten, die mit Bezug auf 2 erläutert wurden. Auf diese Weise ist es also in einfacher Weise möglich, die zweite Temperatur T2 zu bestimmen, ohne einen entsprechenden Temperatursensor 130 vorhalten zu müssen.
Es versteht sich hierbei von selbst, dass im Prinzip der Temperatursensor 130 an jeder der Zu-/Ableitungen 120 weggelassen werden könnte, um die Temperatur in dieser Zu-/Ableitung 120 aus den in den anderen Zu-/Ableitungen gemessenen Temperaturen unter Verwendung einer Verallgemeinerung der obigen Gleichung für mehr als zwei Zuleitungen zu bestimmen. Auch kann im Beispiel der 1 ein Temperatursensor 130 in der zweiten Zuleitung 124 angebracht und dafür in der ersten Zuleitung 122 oder der Ableitung 126 weggelassen werden. Ausschlaggebend ist, dass einer der Temperatursensoren 130 aufgrund der physikalischen Determiniertheit des Systems durch die Abschätzung mittels der Steuervorrichtung 140 ersetzt werden kann.
Die 3 zeigt als Anwendungsbeispiel für eine oben beschriebene Temperatursteuervorrichtung 100 ein Brennstoffzellensystem 200 mit einer Brennstoffzelle 210 und einer Kühlvorrichtung 220, die die Temperatursteuervorrichtung 100 aufweist. Die Kühlvorrichtung 220 dient hierbei unter anderem der Kühlung der Brennstoffzelle 210 bzw. einzelner Komponenten der Brennstoffzelle 210. Die Kühlvorrichtung 220 kann auch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 200 kühlen, z.B. eine (nicht gezeigte) Batterie oder dergleichen. Zu diesem Zweck kann die Kühlvorrichtung 220 auch mehrere Temperatursteuervorrichtungen 100aufweisen, die an verschiedekönnen dann auch über eine gemeinsame Steuervorrichtung angesteuert werden.
Bei der Brennstoffzelle 210 kann es sich um jede beliebige, im Prinzip bekannte Brennstoffzelle 210 handeln, die für einen optimalen Betrieb auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden muss. Auf eine detaillierte Beschreibung der Brennstoffzelle 210 kann deshalb an dieser Stelle verzichtet werden.
Ebenso handelt es sich bei der Kühlvorrichtung 220 bis auf den Einsatz der Temperatursteuervorrichtung 100 um ein im Prinzip bekanntes Kühlsystem, in dem ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser, in einem Leitungssystem von einem Wärmetauscher 222, etwa einem Ventilator oder Radiator, zu einem zu kühlenden Objekt, hier der Brennstoffzelle 210, geführt wird. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist hier in der 3 durch Pfeile angedeutet.
Um eine Einstellbarkeit der Temperatur des für die Kühlung der Brennstoffzelle 210 verwendeten Kühlmittels zu gewährleisten, wird das Kühlmittel der Temperatursteuervorrichtung 100 zum einen über den Wärmetauscher 222, zum anderen über eine Bypass-Leitung 224 zugeführt. Das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 222 hat damit eine andere Temperatur als das Kühlmittel aus der Bypass-Leitung 224, so dass eine variable Temperatureinstellung in der Temperatursteuervorrichtung 100 möglich ist. Die Bypass-Leitung 224 und die vom Wärmetauscher 222 kommende Leitung fungieren hierbei als die erste Zuleitung 122 und die zweite Zuleitung 124 der Thermostatvorrichtung 110. Die Leitung von der Temperatursteuervorrichtung 100 zur Brennstoffzelle 210 fungiert als Ableitung 126.
Auf diese Weise ist es möglich, die Brennstoffzelle 210 mit Kühlmittel einer gewünschten Temperatur zu versorgen, um eine optimale Betriebstemperatur einstellen zu können, ohne jedoch für jede Zu-/Ableitung der Temperatursteuervorrichtung 100 einen Temperatursensor 130 vorhalten zu müssen. Dadurch werden Kosten und Raum für den Betrieb eines Temperatursensors pro Temperatursteuervorrichtung 100 gespart. Insbesondere bei der Verwendung einer Mehrzahl von Temperatursteuervorrichtungen 100, wie sie in einem Brennstoffzellensystem 200 gegeben sein kann, kann es hierdurch zu einer erheblichen Reduktion von Kosten, Platzverbrauch und Systemkomplexität kommen.
Dies ist insbesondere in Kraftfahrzeugen 300 von Vorteil, die mit Brennstoffzellensystemen 200 ausgestattet sind, wie sie oben beschrieben wurden. Ein derartiges Kraftfahrzeug 300 ist in schematischer Weise in der 4 gezeigt. Bei der Fertigung von derartigen Kraftfahrzeugen 300 kann ein Raumgewinn oder eine Kostenreduktion aufgrund von nicht benötigten Temperatursensoren vorteilhaft sein.
In der 5 ist in stark vereinfachter Weise ein Ablaufdiagram dargestellt, dass das oben geschilderte Verfahren zur Temperatursteuerung zusammenfasst. Die Nummerierung der Schritte und ihre Anordnung in der 5 soll hierbei nicht die zeitliche Reihenfolge der einzelnen Schritte einschränken. Diese ist nur durch den logischen Zusammenhang vorgegeben.
Bei S101 werden (n-1) Eingangsströmen zu einem Ausgangsstrom gemischt, um eine Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf einem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen.
Bei S102 werden Temperaturen von in (n-1) Zu-/Ableitungen fließenden Fluiden mit (n-1) Temperatursensoren gemessen, die in den (n-1) Zu-/Ableitungen der Temperatursteuervorrichtung angeordnet sind.
Bei S103 wird eine Temperatur des Fluids in der Zu-/Ableitung abgeschätzt, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, basierend auf den von den (n-1) Temperatursensoren gemessenen Temperaturen und dem Mischungsverhältnis.
Auf diese Weise kann ein Temperatursensor an einem Thermostatventil eingespart werden, ohne auf sämtliche Temperaturwerte an den Zu- und Ableitungen des Thermostatventils verzichten zu müssen. Dies reduziert Kosten und Komplexität der Temperatursteuerung bei voller Funktionalität.

Claims

Temperatursteuervorrichtung (100) mit einer Thermostatvorrichtung (110) mit 3 Zu-/Ableitungen (120) zum Mischen von 2 Eingangsströmen zu einem Ausgangsstrom, um eine Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf einem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen; 2 Temperatursensoren (132, 136), die in 2 der 3 Zu-/Ableitungen (120) angeordnet und geeignet sind, Temperaturen von in den 2 Zu-/Ableitungen fließenden Fluiden zu messen; und einer Steuervorrichtung (140) zum Abschätzen einer Temperatur des Fluids in der Zu-/Ableitung (120), in der kein Temperatursensor (130) angeordnet ist, basierend auf den von den 2 Temperatursensoren (130) gemessenen Temperaturen und dem Mischungsverhältnis der Thermostatvorrichtung (110); wobei die Temperatursteuervorrichtung (100) aufweist: eine erste Zuleitung (122) zum Zuführen eines ersten Eingangsstroms aus einem ersten Fluid zu der Thermostatvorrichtung (110); einer zweiten Zuleitung (124) zum Zuführen eines zweiten Eingangsstroms aus einem zweiten Fluid zu der Thermostatvorrichtung (110); und einer Ableitung (126) zum Abführen des Ausgangsstroms von der Thermostatvorrichtung (110), der aus einer Mischung aus erstem Fluid und zweitem Fluid gemäß dem Mischungsverhältnis besteht; wobei ein erster Temperatursensor (132) in der ersten Zuleitung (122) angeordnet und geeignet ist, eine erste Temperatur T1 zu messen; die Steuervorrichtung (140) geeignet ist, eine zweite Temperatur T2 in der zweiten Zuleitung (124) abzuschätzen; und ein zweiter Temperatursensor (136) in der Ableitung (126) angeordnet und geeignet ist, eine dritte Temperatur T3 zu messen.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei Bestandteile des ersten Fluids eine erste Zeit t1 benötigen, um vom ersten Temperatursensor (132) bis zum zweiten Temperatursensor (136) zu gelangen; Bestandteile des zweiten Fluids eine zweite Zeit t2 benötigen, um von einem Ort (134) der zweiten Zuleitung, für den die zweite Temperatur T2 abgeschätzt wird, bis zum zweiten Temperatursensor (136) zu gelangen; Bestandteile der Mischung des ersten und des zweiten Fluids eine dritte Zeit t3 benötigen, um von der Thermostatvorrichtung (110) bis zum zweiten Temperatursensor (136) zu gelangen; und die Steuervorrichtung (140) geeignet ist, die zweiten Temperatur T2 zum Zeitpunkt (t-t2) basierend auf der zum Zeitpunkt (t-t1) gemessenen ersten Temperatur T1, auf dem Mischungsverhältnis r der Thermostatvorrichtung (110) zum Zeitpunkt (t-t3) und auf der zum Zeitpunkt t gemessenen dritten Temperatur T3 abzuschätzen.
Temperatursteuervorrichtung (110) nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung (140) geeignet ist, die zweite Temperatur T2 gemäß der folgenden Gleichung abzuschätzen: $T 2 = \frac{T 3 \cdot (c p 1 \cdot r + c p 2 \cdot (1 - r)) - T 1 \cdot c p 1 \cdot r}{c p 2 \cdot (1 - r)},$
wobei cp1 die spezifische Wärmekapazität des ersten Fluids bei der ersten Temperatur T1 und cp2 die spezifische Wärmekapazität des zweiten Fluids bei der zweiten Temperatur T2 angibt.
Brennstoffzellensystem (200) mit einer Brennstoffzelle (210) zum Erzeugen von elektrischem Strom; und einer Kühlvorrichtung (220) zum Kühlen der Brennstoffzelle (210) und/oder weiterer Komponenten des Brennstoffzellensystems (200), vorzugsweise einer Batterie; wobei die Kühlvorrichtung (220) eine Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Kraftfahrzeug (300) mit einer Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einem Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 4.
Verfahren zum Steuern einer Temperatur in einer Temperatursteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend Mischen der 2 Eingangsströmen zu dem Ausgangsstrom, um die Temperatur des Ausgangsstroms basierend auf dem Mischungsverhältnis der Eingangsströme einzustellen; Messen der ersten Temperatur T1 des in der ersten Zuleitungen (122) fließenden Fluids; Messen der dritten Temperatur T3 des in der Ableitung (126) fließenden Fluids; und Abschätzen der zweiten Temperatur T2 des in der zweiten Zuleitung (124) fließenden Fluids, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, basierend auf der gemessenen ersten Temperaturen T1, der gemessenen dritten Temperatur T3 und dem Mischungsverhältnis.