-
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Kühlen einer steuerbaren Wärmequelle, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems, ein Brennstoffzellensystem, das ein derartiges Kühlsystem aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zum Abführen von in verschiedensten Wärmequellen, wie z.B. Arbeitsmaschinen, Kraftmaschinen, Brennstoffzellen, Batterien und dergleichen, erzeugter Wärme Kühlsysteme zu verwenden. Dabei wird typischer Weise Kühlflüssigkeit durch die oder entlang der Wärmequelle geleitet, die eine gewisse Wärmemenge pro Zeit aufnehmen kann. Die Kühlflüssigkeit gibt die Wärme z.B. in einem Wärmetauscher, über einen Ventilator oder dergleichen ab, um daraufhin wieder zur Wärmequelle zu geführt zu werden. Bei einer häufig genutzten Form der Temperaturregelung der Wärmequelle kann die Kühlflüssigkeit über einen Thermostat zwischen einer Umgehungsleitung (Bypassleitung) und der Wärmequelle aufgeteilt werden. Je mehr Kühlflüssigkeit hierbei über die Umgehungsleitung geführt wird, desto weniger stark wird die Wärmequelle gekühlt.
-
Problematisch sind hierbei Systeme, in denen die Kühlleistung des Kühlsystems schwankt, z.B. aufgrund von äußeren Gegebenheiten, wie einer Kühlung durch Luftstrom oder einer Aufheizung durch Sonneneinstrahlung und dergleichen. Hier kann es geschehen, dass die von der Wärmequelle erzeugte Wärme selbst bei voller Kühlleistung nicht mehr komplett abgeführt werden kann. Dies führt dann naturgemäß zu einem Aufheizen der Wärmequelle. Bei zu großer Temperaturerhöhung kann die Wärmequelle und ihre Peripherie dadurch Schaden nehmen, der ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
-
Die gleiche Problematik besteht auch bei stark schwankender Leistungsabgabe oder -aufnahme der Wärmequelle, die sich in einer stark schwankenden Wärmeerzeugung niederschlagen kann. Insbesondere kann ein Kühlsystem derart ausgelegt sein, dass zwar kurzfristige Leistungsspitzen abgefangen werden können, jedoch kein Dauerbetrieb bei solchen Leistungsspitzen. Auch dann kann es zu einer Überhitzung des Systems und den damit verbundenen Problemen kommen.
-
Diese Problematik wird im Stand der Technik durch eine Absenkung der Leistung der Wärmequelle gelöst, das sogenannte Derating. Im Derating-Betrieb wird bei zu starker Temperaturerhöhung die maximal frei werdende Wärmemenge durch eine Leistungsbegrenzung eingeschränkt. Beispiele hierfür werden in der
DE 10 2007 051 816 A1 , der
DE 20 2016 222 670 A1 oder der
DE 10 2018 218 331 A1 diskutiert.
-
Das Derating kann dabei über einen sogenannten Deratingfaktor quantifiziert werden, der dem Quotienten einer bei einem bestimmten Derating erlaubten maximalen Leistung der Wärmequelle und der theoretisch, d.h. ohne Derating, möglichen Maximalleistung entspricht. Die Anpassung des Deratingfaktors wird hierbei zumeist über ein festgelegtes Diagramm bestimmt, das einem gewissen Temperaturwert des Kühlmittels einen bestimmten Deratingfaktor zuordnet. Meist wird ein linear abfallender Verlauf verwendet, der ab dem Überschreiten einer unteren Temperaturschwelle den Deratingfaktor sukzessive absenkt, bis bei der maximal von der Wärmequelle und deren Peripherie tolerierbare Temperatur der Deratingfaktor gegen null geht.
-
Auf diese Weise wird zwar verhindert, dass gekühlte Bauteile aufgrund unzureichender Kühlung oder Überlast überhitzen, es wird hierbei aber nicht auf die tatsächlich zur Verfügung stehende Kühlkapazitäten Rücksicht genommen, sondern einfach auf die Richtigkeit der Derating-Diagramme vertraut. Dadurch kann eine übermäßige Leistungsreduktion erfolgen, die nicht notwendig wäre, um das System unter der tolerierbaren Maximaltemperatur zu halten. Anders ausgedrückt wird Kühlkapazität auf Kosten einer übermäßigen Leistungsreduktion nicht genutzt.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Kühlsystem anzugeben, das eine Überhitzung eines als Wärmequelle fungierenden Bauteils durch Derating verhindert, ohne die Leistung des Bauteils stärker herabzusetzen, als unbedingt notwendig. Aufgrund der Anfälligkeit der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellensystemen für Überhitzung wird zudem eine Aufgabe darin gesehen, ein derartiges Kühlsystem für Brennstoffzellensysteme zur Verfügung zu stellen. Insbesondere Brennstoffzellensysteme zum Antrieb von Kraftfahrzeugen sind hier aufgrund der wechselnden Kühlbedingungen und Leistungsabfragen von Interesse.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Ein Kühlsystem kann eine steuerbare Wärmequelle, einen Kühlkreislauf zum Abführen von Wärme, die von der Wärmequelle abgegeben wird, und eine Steuervorrichtung zum Betreiben der Wärmequelle bei einer einstellbaren Leistung, aufweisen, die die von der Wärmequelle abgegebene Wärmemenge bestimmt, wobei der Kühlkreislauf eine maximale Wärmemenge von der Wärmequelle abführen kann. Die Steuervorrichtung kann hierbei geeignet sein, die Wärmequelle mit beliebiger Leistung zu betreiben, solange die von der Wärmequelle bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge kleiner oder gleich der maximal abführbaren Wärmemenge ist. Die Steuervorrichtung kann des Weiteren geeignet sein, in einem Vorsteuerschritt die Leistung der Wärmequelle auf einen Deratingfaktor der Maximalleistung zu begrenzen, der aus dem Quotienten der maximal abführbaren Wärmemenge zu einer theoretisch ohne Leistungsbegrenzung anfallenden Wärmemenge gebildet wird, sobald die von der Wärmequelle theoretisch bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge größer als die maximal abführbare Wärmemenge ist.
-
Es wird also zunächst ein im Prinzip beliebiger Kühlkreislauf zur Kühlung einer beliebigen Wärmequelle, etwa einer Arbeitsmaschine, einer Kraftmaschine, einer Brennstoffzelle, eines Energiespeichers, eines elektronischen Bauteils oder dergleichen verwendet, wobei die von der Wärmequelle umgesetzte Leistung solange beliebig sein kann, wie die freigesetzte Wärme vollständig von dem Kühlkreislauf abgeführt werden kann. Die Steuerung oder Regelung der Kühlung kann hierbei über eine zur Wärmequelle parallel führenden Umgehungsleitung geschehen, z.B. mittels eines Thermostats, dessen Öffnung über die Temperatur des Kühlmittels bei Eintritt oder Austritt aus der Wärmequelle gesteuert bzw. geregelt wird. Zusätzlich zum gesteuerten Teil der Kühlung kann die Kühlleistung auch durch nicht direkt beeinflussbare Umstände bestimmt sein, z.B. durch externe Luftströmungen wie den Fahrtwind beim Einsatz in Fahrzeugen oder die Außentemperatur.
-
Erreicht die Kühlleistung des Kühlkreislaufs ihr Maximum, z.B. bei vollständiger Führung der Kühlflüssigkeit durch die oder entlang der Wärmequelle, wird im Gegensatz zum oben Beschriebenen nicht auf ein Derating-Diagramm abgestellt, wenn die in der Wärmequelle erzeugte Wärmemenge, die vom Kühlkreislauf abführbare Wärmemenge übersteigt. Statt dessen wird der Deratingfaktor von einer Steuervorrichtung, z.B. einem Computer, einem Prozessor oder einem Programm, unter Berücksichtigung der tatsächlichen Gegebenheiten im Kühlkreislauf eingestellt, d.h. basierend auf der tatsächlich benötigten Kühlleistung und der tatsächlich vorhandenen Kühlleistung.
-
Konkret werden die maximal vom Kühlkreislauf abführbare und die von der Wärmequelle theoretisch für einen Lastpunkt ohne Leistungsbegrenzung erzeugte Wärmemenge von der Steuervorrichtung ins Verhältnis gesetzt. Ist der dadurch gebildete Quotient kleiner als 1, wird die Leistung mit dem so gebildeten Deratingfaktor begrenzt. Ist der Quotient größer oder gleich 1, erfolgt keine Leistungsbegrenzung. Die Wärmemengen können hierbei durch Messung der Temperaturen im Kühlkreislauf und/oder durch mathematische Modellierung von Kühlkreislauf und Wärmequelle bestimmt werden.
-
Der von der Steuervorrichtung auf diese Weise berechnete Deratingfaktor führt zwar in der Regel zunächst weiterhin zu einem Temperaturanstieg. Dieser Temperaturanstieg erfolgt aber langsam und kontrolliert und führt nicht unmittelbar zu einer Beschädigung des Systems. Da die Einstellung des Deratingfaktors im Sinne einer Vorsteuerung ausgestaltet ist, d.h. da der jeweils bestimmte Deratingfaktor von der Steuervorrichtung unmittelbar als Leistungsbegrenzung eingesetzt wird, kann das Derating von der Steuervorrichtung stets noch rechtzeitig erhöht werden, bevor eine kritische Temperatur erreicht wird.
-
Andererseits liegen die auf diese Weise bestimmten Deratingfaktoren oberhalb der typischerweise in Derating-Diagrammen verwendeten Werte, da diese darauf ausgelegt sind, die abgegebene Wärme direkt in einen Bereich zu senken, in dem sie vom Kühlkreislauf abgeführt werden kann. Es wird also eine Leistungssteigerung erzielt ohne die Integrität des Systems zu gefährden.
-
Die konkret verwendeten Derating-Verfahren zur Leistungsbegrenzung hängen dabei naturgemäß von der gekühlten Wärmequelle ab. Diese Verfahren sind einem Fachmann an sich bekannt und brauchen hier nicht im Detail beschrieben werden. So können z.B. Motoren über eine Drehzahlbegrenzung, Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren über von der Steuervorrichtung begrenzte Treibstoffzufuhr und elektrische Komponenten über reduzierte Ströme oder Spannungen in ihrer Wärmeabgabe eingeschränkt werden. Es sind aber auch sämtliche anderen Arten des Deratings möglich. Ausschlaggebend ist hier allein die Bestimmung des Deratingfaktors durch Rückgriff auf die vorhandene und die notwendige Kühlleistung.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, nach dem Vorsteuerschritt in einem Regelschritt eine Temperatur eines durch die Wärmequelle strömenden Kühlmittels des Kühlkreislaufes mittels Einstellen der Begrenzung der Maximalleistung der Wärmequelle auf einen Temperatursollwert zu regeln.
-
Es erfolgt also nach der Einstellung des Deratingfaktors in der oben beschriebenen Vorsteuerung zusätzlich eine Regelung des Deratings anhand der Temperatur des Kühlmittels, das durch die Wärmequelle strömt. Zum Beispiel kann die Temperatur am Ein- oder Auslass des Kühlmittels in die Wärmequelle bestimmt werden und durch Anpassen des Deratingfaktors auf einen bestimmten Temperaturwert eingeregelt werden. Die Steuervorrichtung kann hierzu z.B. einen PID-Regler aufweisen oder ansteuern, der in an sich bekannter Weise die Temperatur des Kühlmittels auf einen Temperatursollwert bringt, wobei das Derating als Stellgröße dient. Hierdurch kann die Leistung so nahe wie möglich an gerade noch zulässige Werte gebracht werden, ohne eine für das System schädliche Temperatur zu überschreiten. Es kann also im Vergleich zu einer bloßen Vorsteuerung eine weitere Leistungssteigerung ohne Gefahr einer Systembeschädigung erreicht werden.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, bei einem konstantem, maximalem Temperatursollwert den Deratingfaktor derart einzustellen, dass die von der Wärmequelle abgegebene Wärmemenge der Wärmemenge entspricht, die von dem Kühlsystem abgeführt werden kann. Ein maximaler Temperatursollwert, d.h. eine Regelung auf eine Temperatur, bei der das System gerade noch störungs- oder schadensfrei betrieben werden kann, erlaubt es, möglichst lange ohne Leistungsbegrenzung auszukommen. Wird der maximale Temperatursollwert verwendet, sind weitere Temperatursteigerungen aber zwingend zu vermeiden. Deshalb setzt die Steuervorrichtung in diesem Bereich der Regelung den Deratingfaktor auf einen Betrag der sicherstellt, dass die von der Wärmequelle produzierte Wärme auch von dem Kühlsystem abgeführt werden kann.
-
Hierbei kann der konstante, maximale Temperatursollwert einer maximalen Betriebstemperatur der Wärmequelle entsprechen. Dadurch wird minimales Derating der Wärmequelle sichergestellt.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, Vorsteuerschritte und Regelschritte abwechselnd auszuführen, vorzugsweise mit einer Ausführungsperiode der Vorsteuerschritte im ms-Bereich. Die Regelung auf den Temperatursollwert wird also von Vorsteuerschritten unterbrochen bzw. flankiert, in denen ein neuer Deratingfaktor auch sprunghaft eingestellt werden kann. Dies kann insbesondere bei stark veränderten Leistungsanforderungen an die Wärmequelle oder sich sprunghaft verändernder Kühlleistung, z.B. aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen, von Vorteil sein, da die Regelung derart rasch wechselnden Systemumstellungen nicht folgen kann, ohne ein Über- oder Unterschwingen der Temperatur bzw. des Deratings hervorzurufen. Das Durchführen von Vorsteuerschritten, vorzugsweise nach einigen Millisekunden, erhöht also die Stabilität der Regelung und sichert das System gegen starke Parameterschwankungen ab.
-
Ein Brennstoffzellensystem kann ein Kühlsystem wie es zuvor beschrieben wurde aufweisen, wobei die Wärmequelle dann als Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Brennstoffzellen (bzw. Brennstoffzellenstapel) sind anfällig für Temperaturen oberhalb von 90°C. Da die Leistungsabgabe von Brennstoffzellen in einfacher Weise über die Zufuhr von Anoden- oder Kathodengas, d.h. zumeist Wasserstoffgas oder Luft, eingestellt werden kann, wird beim Betrieb von Brennstoffzellen häufig Derating eingesetzt, um diese in akzeptablem Temperaturbereichen zu halten. Die oben beschriebenen Vorteile lassen sich also effektiv für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen nutzen. Insbesondere kann die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen im Vergleich zu den herkömmlichen Derating-Verfahren unter Nutzung eines Kühlsystems, wie es oben beschrieben wurde, verbessert werden.
-
Ein Kraftfahrzeug kann ein derartiges Brennstoffzellensystem aufweisen. Bei Kraftfahrzeugen treten aufgrund der Fahrdynamik (bergauf, bergab, Überholmanöver, etc.) oft sprungartige Änderungen der Leistungsabfrage auf. Zudem sind die Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen aus Kosten- und Gewichtsgründen oft auf eine Luftkühlung durch den Fahrtwind angewiesen.
-
Dadurch kann sich auch die Kühlleistung sprungartig ändern. Beides kann bei Kraftfahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb zu kritischen Temperaturbereichen für den Brennstoffzellenbetrieb führen, die sich jedoch mit der oben beschriebenen Derating-Technologie sicher beherrschen lassen, ohne die Leistung unnötig stark zu begrenzen.
-
Ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems kann aufweisen: Abführen von Wärme, die von einer Wärmequelle abgegeben wird, in einem Kühlkreislauf des Kühlsystems; und Betreiben der Wärmequelle bei einer einstellbaren Leistung, die die von der Wärmequelle abgegebene Wärmemenge bestimmt. Hierbei kann der Kühlkreislauf eine maximale Wärmemenge von der Wärmequelle abführen, kann die Wärmequelle mit beliebiger Leistung betrieben werden, solange die von der Wärmequelle bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge kleiner oder gleich der maximal abführbaren Wärmemenge ist, und in einem Vorsteuerschritt kann die Leistung der Wärmequelle auf einen Deratingfaktor der Maximalleistung begrenzt werden, der aus dem Quotienten der maximal abführbaren Wärmemenge zu einer theoretisch ohne Leistungsbegrenzung anfallenden Wärmemenge gebildet wird, sobald die von der Wärmequelle theoretisch bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge größer als die maximal abführbare Wärmemenge ist.
-
Dadurch wird der Betrieb eines Kühlsystems möglich, wie es oben beschrieben wurde, und die oben erläuterten Vorteile können realisiert 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 eines Kühlsystems zum Kühlen einer Wärmequelle;
- 2 schematische Verläufe von verschiedenen Kontrollparametern eines Kühlsystems;
- 3 einen schematischen Vergleich von Derating-Verläufen;
- 4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzelle; und
- 5 ein schematischen Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Kühlsystems.
-
Die 1 zeigt in schematischer Weise ein Kühlsystem 100 zum Kühlen einer Wärmequelle 110. Die Wärmequelle 110 gibt hierbei Wärme ab, die über einen Kühlkreislauf 120 des Kühlsystems 100 abgeführt wird. Sowohl die Wärmequelle 110 als auch der Kühlkreislauf 120 können hierbei im Prinzip beliebig aufgebaut sein und sind in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise einem Fachmann bekannt.
-
So kann es sich bei der Wärmequelle 110 z.B. um eine Arbeitsmaschine handeln, die Leistung von einer Kraftmaschine aufnimmt und dabei Reibungswärme erzeugt. Es kann sich aber auch um eine Kraftmaschine handeln, die Wärme bei der Erzeugung von mechanischer Energie generiert, z.B. um einen Verbrennungs- oder Elektromotor. Ebenso kann es sich bei der Wärmequelle 110 um eine Brennstoffzelle jeglichen Typs handeln, in der durch chemische Umsetzung aus einem Anodengas (typischerweise Wasserstoff) und einem Kathodengas (typischer Weise Luft) elektrischer Strom erzeugt wird. Des Weiteren sind auch elektrische Bauteile, wie Batterien, Schaltkreise und dergleichen als Wärmequellen 110 denkbar. Es versteht sich, dass diese Liste nur beispielhaft ist und sämtliche Strukturen, die Wärme abgeben, die Wärmequelle 110 konstituieren können.
-
Auch der Kühlkreislauf 120 ist im Prinzip nur dadurch eingeschränkt, dass er in der Lage ist, eine bestimmte Wärmemenge pro Zeiteinheit von der Wärmequelle 110 abzuführen. So kann es sich bei dem Kühlkreislauf 120 um einfache Mittel zum Ableiten von Wärme handeln, wie z.B. Metallplatten, auf denen die Wärmequelle 110 installiert ist. Auch eine Kühlung allein durch den Abtransport durch Wärmestrahlung oder durch die Umgebungsluft ist denkbar.
-
Neben diversen anderen, dem Fachmann bekannten Arten der Kühlung kann auch ein klassischer Kühlkreislauf 120 verwendet werden, wie er in der 1 schematisch dargestellt ist, in dem ein Kühlmittel, etwa eine Kühlflüssigkeit wie Wasser oder Öl, durch die von der Wärmequelle 110 abgegebene Wärme erhitzt wird, die dadurch aufgenommene Wärmemenge durch Weiterströmen abtransportiert und im Laufe einer Zirkulationsströmung wieder abgibt.
-
In dem in der 1 gezeigten Beispiel wird das Kühlmittel von einer Wärmesenke 122, wie etwa einem Wärmetauscher oder einem Radiator mit Ventilator über einen Thermostat 124 der Wärmequelle 110 zugeführt. Der Thermostat 124 kann das Kühlmittel hierbei zwischen einer Hauptleitung 126, die zur Wärmequelle 110 führt, und einer Umgehungs- oder Bypassleitung 128 aufteilen, die an der Wärmequelle 110 vorbeiführt. Hierauf strömt das Kühlmittel zur Wärmesenke 122 zurück und gibt dort die aufgenommene Wärme ab.
-
Die Offenstellung r des Thermostats 124 kann hierbei von einer Steuervorrichtung 130, etwa einem Computer, einem Prozessor, einem Programm oder dergleichen, gesteuert oder geregelt werden. Da die Offenstellung r bestimmt, wieviel Kühlmittel zur Wärmequelle 110 gelangt, lässt sich hierdurch (bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit, etc.) die Kühlleistung des Kühlkreislaufes 120 einstellen. Ein Wert von r = 1 entspricht hierbei einer Kühlmittelführung allein durch die Bypassleitung 128, ein Wert von r = 0 allein durch die Hauptleitung 126. Neben der Offenstellung r kann die Kühlleistung aber auch von anderen Faktoren abhängen, wie z.B. der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, die z.B. über ein - gegebenenfalls ebenfalls von der Steuervorrichtung 130 gesteuertes - Pumpensystem bestimmt werden kann, äußeren Einflussfaktoren wie der Sonneneinstrahlung, der Umgebungstemperatur oder einer anliegenden, äußeren Luftströmung wie Wind oder Fahrtwind, und/oder Einstellungen der Wärmesenke 122, wie einer Ventilatorgeschwindigkeit oder der Wärmeaustauschrate in einem Wärmetauscher.
-
Eine Regelung des Kühlmittelflusses durch die Wärmequelle 110 kann durch die Steuervorrichtung 130 z.B. basierend auf Messungen von vor und hinter der Wärmequelle 110 positionierten Temperatursensoren 132, 134 vorgenommen werden. Hierdurch kann die Eingangstemperatur T1 des Kühlmittels in die Wärmequelle 110 und die Ausgangstemperatur T2 des Kühlmittels nach Austritt aus der Wärmequelle 110 bestimmt werden.
-
Ist die Abwärme der Wärmequelle 110 vernachlässigbar oder über anderweitigen Wärmetransport im Gesamtsystem kompensiert, kann das Thermostat 124 das Kühlmittel allein über die Bypassleitung 128 führen (r = 1). Setzt die Kühlung ein, d.h. bei r < 1 wird ein Sollwert z.B. für die Eingangstemperatur T1 und/oder die Ausgangstemperatur T2 festgelegt und das System durch Anpassen der Offenstellung r durch die Steuervorrichtung 130 auf diesen Temperaturwert geregelt. In diesem Arbeitsbereich kann die Wärmequelle 110 mit maximaler Leistung betrieben werden, d.h. ein Derating findet nicht statt, da eine Erhöhung der Abwärme der Wärmequelle 110 noch durch eine weitere Öffnung des Thermostats 124 in Richtung der Hauptleitung 126 kompensiert werden kann.
-
Dieser Arbeitsbereich ist in der 2 als erster, bis zur Linie A reichender Zeitabschnitt schematisch dargestellt. Während die Ein- und/oder Ausgangstemperatur T1, T2 auf einen fixen Wert geregelt wird, sinkt der Wert der Offenstellung r bei zunehmender Leistung und damit Wärmeabgabe der Wärmequelle 110 zunehmend ab, bis mit r = 0 das Kühlmittel komplett durch die Wärmequelle 110 geführt wird. Hier findet noch kein Derating statt, da die von der Wärmequelle 110 bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge kleiner oder gleich der maximal abführbaren Wärmemenge ist. Deshalb bleibt ein Deratingfaktor d konstant bei einem Wert von d = 1.
-
Diese Situation ändert sich, wenn die maximal abrufbare Kühlleistung nicht mehr ausreicht, um die von der Wärmequelle 110 bei maximaler Leistung erzeugte Wärmemenge zu kompensieren. Dies kann z.B. durch einen Abfall der Kühlleistung aufgrund von geänderten Umgebungsbedingungen der Fall sein, durch eine Erhöhung der maximalen Leistung, z.B. nach Beenden einer Anlauf- oder Startphase, und/oder durch eine Erhöhung der bei der maximalen Leistung abgegebenen Wärmemenge, z.B. aufgrund eines Aufheizens der Wärmequelle 110. In diesem Fall setzt die Steuervorrichtung 130 einen Deratingfaktor d < 1 fest, um eine Leistungsbegrenzung herbeizuführen, die zu einer Reduktion der erzeugten Wärme führt. Dies ist notwendig, um eine Überhitzung der Wärmequelle 110 zu vermeiden, die zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Wärmequelle 110 oder sogar zu ihrer Beschädigung oder Zerstörung führen kann.
-
Das Derating kann hierbei in jeder beliebigen Form durchgeführt werden, die für die konkrete Ausgestaltung der Wärmequelle 110 Sinn ergibt. So kann für Treibstoffgetriebene Kraftmaschinen die Treibstoffzufuhr reduziert werden. Ebenso können Brennstoffzellen durch Drosselung des Anoden- oder Kathodengasstroms in ihrer Leistungsabgabe begrenzt werden. Die Leistung elektrischer Bauteile kann durch entsprechende Schaltungen begrenzt werden. Mechanische Reibungswärme kann durch Reduktion von Drehzahlen und dergleichen reduziert werden. Welche Funktionsreduktion die Leistung um welchen Prozentsatz senkt, kann dabei von der Steuervorrichtung 130 unmittelbar gemessen werden (wenn z.B. elektrische Leistung betroffen ist) oder anhand von Kalibration und Vorabmessungen aus entsprechenden Nachschlagetabellen abgelesen werden. Wie das Derating konkret herzustellen ist, ist einem Fachmann an sich bekannt und braucht deshalb hier nicht weiter ausgeführt zu werden.
-
Das Derating wird von der Steuervorrichtung 130 nicht basierend auf fest vorgegebenen Kennlinien festgesetzt, wie sie beispielhaft durch die Linie C der 3 dargestellt sind. Vielmehr wird das Derating unter Bezug auf die tatsächliche Kühlleistung, d.h. die maximal abführbare Wärmemenge pro Zeit, und der ohne Leistungsbegrenzung theoretisch anfallenden Wärmemenge festgesetzt, d.h. der Wärmemenge, die von der Wärmequelle 110 in einem theoretischen Betrieb für einen bestimmten Lastpunkt ohne Leistungsbegrenzung erzeugt würde. Diese theoretisch anfallende Wärmemenge ist in diesem Arbeitsbereich größer als die maximal abführbare Wärmemenge. Es wird deshalb der Quotient der maximal abführbaren Wärmemenge zur ohne Leistungsbegrenzung theoretisch anfallenden Wärmemenge gebildet und als Deratingfaktor verwendet. Auf diese Weise kann gerade bei beginnendem Derating eine übermäßige Drosselung der Leistung verhindert werden, die meist aus einem reinen Betrieb anhand einer Kennlinie resultiert.
-
Das Derating, d.h. das Festsetzen des Deratingfaktors d durch die Steuervorrichtung 130, wird hierbei in der Form einer Vorsteuerung ausgeführt. Es wird also in diesem Schritt nicht ein bestimmter Wert für d durch eine Regelung erreicht, sondern der Wert von d wird entsprechend des bei der Einstellung berechneten Quotienten instantan festgesetzt. Dadurch kann das System sehr schnell auf Änderungen der Kühlleistung durch geänderte Umgebungsbedingungen oder auf Änderungen in der Leistungsabfrage reagieren. Die maximal abführbare Wärmemenge ergibt sich hierbei aus der Ausgestaltung des Kühlkreislaufes 120 sowie aus Messungen der Umgebungsparameter. Die Abwärme bei Maximalleistung ergibt sich z.B. aus Kalibrationsmessungen, aus mathematischen Modellierungen der Wärmequelle 110 oder aus Interpolation von zuvor gemessenen Leistungswerten. In diesem Sinn ist die Abwärme bei Maximalleistung theoretisch bestimmbar.
-
Gerade am Anfang des Deratings, bei dem abführbare Wärme und maximal erzeugte Wärme noch nahe beieinander liegen, d.h. in einem Bereich nahe an der Linie A in der 2, wird das Derating noch relativ schwach ausgeprägt sein. Bei gleichbleibenden Randbedingungen wird sich dadurch die Temperatur der Wärmequelle 110 zunächst weiter erhöhen, wodurch sich auch der Betrag der maximal erzeugten Wärme weiter erhöht. Das Derating wird dadurch in folgenden Vorsteuerschritten stärker, jedoch ohne zu einer abrupten Änderung der Betriebsparameter zu führen.
-
Wie oben beschrieben wird der Deratingfaktor zunächst durch einen Vorsteuerschritt auf einen bestimmten Wert festgesetzt. Fluktuationen in der abrufbaren Kühlleistung oder der Abwärme bei Maximalleistung können jedoch dafür sorgen, dass auch in diesem Fall das derzeit herrschende Kühlpotential noch nicht vollständig ausgeschöpft ist. Dieses wird unter anderem auch dadurch bestimmt, wie weit die Temperatur der Wärmequelle 110 noch von einer noch ohne Beeinträchtigung/Beschädigung der Wärmequelle 110 akzeptablen Maximaltemperatur Tmax entfernt ist.
-
Um eine möglichst optimale Nutzung der Wärmequelle 110 zu ermöglichen, kann deshalb nach dem Vorsteuerschritt von der Steuervorrichtung 130 eine Regelung einsetzen, die den Deratingfaktor d verändert, um eine derzeit als für die Wärmequelle 110 akzeptabel erachtete Temperatur einzustellen. Ausgehend von dem in der Vorsteuerung berechneten Wert des Deratingfaktors d wird der Deratingfaktor d also als Stellgröße verwendet, um die Temperatur der Wärmequelle 110 auf einen Temperatursollwert zu regeln. Hierzu bietet sich insbesondere die Ausgangstemperatur T2 an, die im Wesentlichen der Temperatur der Wärmequelle 110 entspricht bzw. erlaubt, auf diese rückzuschließen. Auf diese Weise lässt sich das Derating noch besser an die tatsächlich vorhandene Kühlkapazität anpassen.
-
Üblicherweise soll die Betriebstemperatur der Wärmequelle 110 in einem Arbeitsbereich ohne Derating unterhalb der Maximaltemperatur der Wärmequelle 110 liegen. Dementsprechend wird die Temperatur des Kühlmittels in diesem Arbeitsbereich auf Werte geregelt, die unterhalb der akzeptablen Maximaltemperatur Tmax liegen. Dies ist in der 2 links der Linie A schematisch dargestellt, in der die Ausgangstemperatur T2 unterhalb von Tmax liegt.
-
Eine derartige Einstellung kann für eine weitere Verbesserung des Derating verwendet werden, indem ausgenutzt wird, dass das System im Zweifel bis zur Maximaltemperatur Tmax betrieben werden kann.
-
Die Anpassung der Temperatur bis zur Maximaltemperatur Tmax ist beispielhaft in der 2 im Zeitbereich zwischen den Linien A und B gezeigt, in dem sich die Ausgangstemperatur T2 (und damit die Temperatur der Wärmequelle 110) trotz des einsetzenden Deratings sukzessive erhöht, bis der Temperatursollwert auf Tmax (oder einen anderen, darunter liegenden maximalen Sollwert) gesetzt wird. Die ebenfalls gezeigte Eingangstemperatur T1 folgt diesem Verlauf naturgemäß.
-
Hierbei empfiehlt es sich Vorsteuerung und Regelung auf einen bestimmten Temperatursollwert abzuwechseln. So kann sich durch veränderte Betriebsparameter des Kühlsystems 100 oder durch das Ansteigen der Temperatur der Wärmequelle 110 der Quotient von maximal abführbarer Wärmemenge zur ohne Leistungsbegrenzung erzeugten Wärmemenge verändern, während auf einen bestimmten Temperaturwert geregelt wird. Dies kann zu Deratingfaktoren führen, die der aktuell herrschenden Situation nicht mehr entsprechen. Durch Einschalten von Vorsteuerschritten und gegebenenfalls damit einhergehenden Anpassungen des Temperatursollwerts kann dem begegnet werden. Dies führt zum Einen zu einer optimalen Leistungsabfrage und zum Anderen zu einem glatten Verlauf der Temperatur der Wärmequelle 110, der insbesondere keinen durch eine fehleingestellte Regelung verursachten Überschwinger in einen kritischen Temperaturbereich aufweist. Die Vorsteuerung sollte hierbei vorzugsweise in Zeitabständen im ms-Bereich durchgeführt werden.
-
Nachdem der maximale Temperatursollwert Tmax für die Regelung eingestellt wurde, können weiterhin Vorsteuer- und Regelschritte abgewechselt werden. In diesem Bereich muss das Derating aber auf einen Wert eingestellt werden, der eine komplette Abfuhr der in der Wärmequelle 110 erzeugten Wärmemenge erlaubt, da sonst eine Überhitzung in einen nicht mehr tolerierbaren Bereich droht. Bei ansonsten gleichbleibenden oder schwach fluktuierenden Bedingungen wird also auch der Deratingfaktor in diesem Bereich nahezu konstant und auf niedrigem Niveau sein. Dies ist in der 2 rechts der Linie B gezeigt. Ändern sich jedoch die Betriebsbedingungen, z.B. durch Auftreten von für die Kühlung günstigeren Betriebsbedingungen (z.B. mehr Wind) oder durch ausbleibende Leistungsabfragen an die Wärmequelle 110 und eine damit absinkende Temperatur der Wärmequelle 110, kann die Vorsteuerung den Deratingfaktor d wieder nach oben setzen.
-
Mit der oben beschriebenen Vorsteuerung lässt sich also das Leistungspotenzial einer Wärmequelle 110 trotz Deratings relativ lange auf hohem Niveau halten. Dies ist rein schematisch in der 3 gezeigt. Hier stellt die Linie C eine übliche Derating-Kennlinie dar, gemäß derer ab einer bestimmten Temperatur der Deratingfaktor d reduziert wird, z.B. in linearer Weise. Dem steht der Verlauf D des Deratingfaktors d gegenüber, der in der oben beschriebenen Weise erzeugt wird. Gerade im Anfangsbereichs des Deratings können erheblich höhere Deratingfaktoren beibehalten werden. Es steht also deutlich mehr Leistung zur Verfügung.
-
Hierbei muss beachtet werden, dass der Verlauf D keine Kennlinie darstellt, die stets geeignet ist, ein sicheres Derating zu gewährleisten. Vielmehr handelt es sich bei dem Verlauf D um das Resultat der Abwägung zwischen verfügbarer Kühlleistung und theoretisch erforderlicher Kühlleistung. Dieses Resultat ist vom Einzelfall abhängig und kann daher nicht in Form einer Kennlinie pauschalisiert werden. Für sämtliche Derating-Verfahren einsetzbar ist jedoch der Grundgedanke, das Derating von der verfügbaren Kühlleistung und der theoretisch erforderlichen Kühlleistung abhängig zu machen.
-
Das oben beschriebene Kühlsystem 100 eignet sich insbesondere für die Kühlung von Brennstoffzellensystemen 200, in denen die Brennstoffzellen(stapel) die Wärmequelle 110 konstituieren, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen 300, wie rein schematisch in der 4 dargestellt. Typischerweise dürfen derartige Brennstoffzellen nicht wesentlich heißer als 90°C werden, um Beschädigungen zu vermeiden. In diesem Sinne wird in Kühlkreisläufen 120, wie sie in der 1 gezeigt sind, die Eingangstemperatur T1 über die Offenstellung r zunächst auf einen Wert von 70°C geregelt, was zu einer Ausgangstemperatur T2 von 82°C führt. Ist eine Offenstellung von r = 0 erreicht, wird die Regelung auf eine Regelung der Ausgangstemperatur T2 über den Deratingfaktor d umgestellt und mit der Vorsteuerung begonnen. Hierbei wird der Temperatursollwert mit sinkendem Deratingfaktor d bis zur Maximaltemperatur von Tmax = 90°C angehoben. Dadurch wird in Brennstoffzellensystemen 200 durch das oben beschriebene Kühlsystem 100 effektiv die Brennstoffzellentemperatur begrenzt, während gleichzeitig die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen optimiert wird.
-
Dies kann insbesondere in Kraftfahrzeugen 300 besonders nützlich sein. Beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs 300 kann es rasch zu Änderungen der Betriebsbedingungen kommen, z.B. bei einer Änderung der Straßensteigung oder beim Beschleunigen und Bremsen. Diese geänderten Betriebsbedingungen können eine geänderte Kühlleistung und/oder eine erhöhte Wärmeerzeugung in der Brennstoffzelle zur Folge haben. Mit der Kühlvorrichtung 100 und der durch diese ermöglichten Vorsteuerung kann dem in optimaler Weise begegnet werden. Dadurch steigt typischer Weise die Effizienz des Brennstoffzellensystems 200, wodurch sich die Reichweite des Kraftfahrzeugs 300 vergrößert.
-
In der 5 ist in stark vereinfachter Weise ein Ablaufdiagram dargestellt, das das oben geschilderte Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems 100 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 wird Wärme, die von einer Wärmequelle 110 abgegeben wird, in einem Kühlkreislauf 120 des Kühlsystems 100 abgeführt. Der Kühlkreislauf 120 kann hierbei eine maximale Wärmemenge von der Wärmequelle 110 abführen.
-
Bei S102 wird die Wärmequelle 110 bei einer einstellbaren Leistung betrieben, die die von der Wärmequelle 110 abgegebene Wärmemenge bestimmt. Hierbei kann die Wärmequelle 110 mit beliebiger Leistung betrieben werden, solange die von der Wärmequelle 110 bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge kleiner oder gleich der maximal abführbaren Wärmemenge ist. In einem Vorsteuerschritt wird die Leistung der Wärmequelle 110 auf einen Deratingfaktor der Maximalleistung begrenzt, der aus dem Quotienten der maximal abführbaren Wärmemenge zu einer theoretisch ohne Leistungsbegrenzung anfallenden Wärmemenge gebildet wird, sobald die von der Wärmequelle 110 theoretisch bei Maximalleistung abgegebene Wärmemenge größer als die maximal abführbare Wärmemenge ist.
-
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 102007051816 A1 [0005]
- DE 202016222670 A1 [0005]
- DE 102018218331 A1 [0005]
