DE102021208223A1

DE102021208223A1 - Verfahren zum Betreiben eines Systems

Info

Publication number: DE102021208223A1
Application number: DE102021208223.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Brümmer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems in einem Kraftfahrzeug (1),
- wobei das Kraftfahrzeug (1) aufweist:
• zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3),
• einen Kühlkreis (4), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) zum Kühlen derselben sowie ein Kühlmittelkühler (5) eingebunden sind,
• zumindest einen Energiespeicher (2), der durch die Einrichtung (3) aufladbar ist,
• einen Elektromotor (6) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (1),
• zumindest einen elektrischen Verbraucher (7, 8),
- wobei bei stehendem Kraftfahrzeug (1) die Einrichtung (3) bedarfsabhängig zumindest temporär betrieben wird,
- wobei eine von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7, 8) und/oder zum Aufladen des Energiespeichers (2) verwendet wird,
- wobei eine Abwärme der Einrichtung (3) zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Energiemanagementsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 10 2004 013 256 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle bekannt, bei welchem vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Hierdurch soll eine Temperatur der Brennstoffzelle, insbesondere in Betriebsphasen mit niedriger eigener Wärmeproduktion, in einfacher Weise erhöht werden können.
Brennstoffzellen liefern neben elektrischer Energie auch Abwärme und lassen sich nahezu geräuschlos selbst bei stehenden Kraftfahrzeugen betreiben. Um im Betrieb nicht zu überhitzen und dadurch beschädigt zu werden, ist die Brennstoffzelle üblicherweise in einen Kühlkreis eingebunden, der eine Kühlung mittels eines Kühlmittelkühlers bewirkt und dadurch die Brennstoffzelle in einem für den Betrieb optimalen Temperaturfenster hält. Bei stehendem Kraftfahrzeug mit Brennstoffzelle wird zum Betrieb einzelner Verbraucher, beispielsweise zum Beheizen einer Fahrgastkabine, elektrische Energie aus einem elektrischen Energiespeicher entnommen. Gerade das Beheizen der Fahrgastkabine erfordert dabei vergleichsweise viel elektrische Energie.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zum Betreiben eines Systems in einem Kraftfahrzeug anzugeben, welches insbesondere eine deutlich verbesserte Nutzung von Energie einer elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Energiebilanz insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch deutlich zu verbessern, dass bei stillstehendem Kraftfahrzeug die Brennstoffzelle desselben oder generell eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung zumindest temporär betrieben und dabei sowohl die von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung erzeugte elektrische Energie als auch deren Abwärme genutzt wird, sodass nicht, wie bislang, bei stehendem Kraftfahrzeug, beispielsweise bei stehendem Brennstoffzellenfahrzeug, ausschließlich elektrische Energie aus einem elektrischen Energiespeicher verwendet wird, da die Brennstoffzelle nicht betrieben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Systems in einem Kraftfahrzeug weist dieses Kraftfahrzeug zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung, insbesondere eine Brennstoffzelle, eine chemische Batterie oder einen Range Extender, und einen Kühlkreis auf, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung zum Kühlen derselben sowie ein Kühlmittelkühler eingebunden sind. Der Kühlmittelkühler ist dabei einerseits vom Kühlmittel und üblicherweise andererseits von einer Luftströmung durchströmt, die beim Fahren des Kraftfahrzeugs durch Fahrtwind und einen Lüfter bzw. bei stehendem Kraftfahrzeug nur durch den Lüfter erzeugt wird. Ebenfalls weist das Kraftfahrzeug zumindest einen Energiespeicher auf, der durch die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung aufladbar ist. Des Weiteren vorgesehen ist ein Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie zumindest ein elektrischer Verbraucher. Erfindungsgemäß wird nun auch bei stehendem Kraftfahrzeug die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung bedarfsabhängig zumindest temporär betrieben, wobei die von der elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers und/oder zum Aufladen des Energiespeichers verwendet wird, während eine Abwärme der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung gleichzeitig zur Temperierung des Kühlmittels verwendet wird, wodurch die Einrichtung auf Temperatur gehalten und/oder auch eine Fahrgastkabine beheizt werden kann. Durch die auch im Stand des Kraftfahrzeugs zumindest temporär betriebene elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung und durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Abwärme der Einrichtung im Kraftfahrzeug zu unterschiedlichsten Zwecken zu nutzen. Dies ermöglicht es, erstmals nicht nur die elektrische Energie der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung, beispielsweise zum Betrieb elektrischer Verbraucher, sondern auch deren Abwärme, beispielsweise zum Beheizen einer Fahrgastkabine, einzusetzen, wodurch eine insgesamt deutlich verbesserte Energiebilanz des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann. Insbesondere lässt sich damit auch ein elektrischer Zusatzheizer, der bislang zum Beheizen der Fahrgastkabine erforderlich war, einsparen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine deutliche Energieeffizienzsteigerung durch Stromerzeugung und gleichzeitige Abwärmenutzung erreichen. Zudem kann eine Komfortsteigerung erreicht werden, da die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung auch bei stillstehendem Kraftfahrzeug geräuschlos betrieben werden kann. Darüber hinaus sind sämtliche, für das Verfahren erforderlichen Komponenten auch in heutigen Kraftfahrzeugen, insbesondere Lastkraftwagen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, bereits enthalten, sodass keine aufwändige mechanische Adaption erforderlich ist. Bei entsprechender Ausgestaltung kann zudem ein elektrischer Zuheizer entfallen, wodurch sich die Teilevielfalt und die damit verbundenen Lager- und Logistikkosten sowie Montagekosten reduzieren lassen. Zudem können auch ein Kühlsystem und die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung entlastet werden.
Zweckmäßig sind/ist als elektrische Verbraucher zumindest ein Heizwiderstand und/oder ein Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels einer Klimaanlage oder einer Kühlanlage vorgesehen, wobei eine von der Einrichtung erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines Heizwiderstandes und/oder zum Betrieb des Verdichters verwendet wird. Hierdurch ist es somit möglich, bei einem erhöhten Wärmebedarf die elektrische Energie, beispielsweise des Heizwiderstands, zum Zuheizen zu nutzen und gleichzeitig die Abwärme der eine elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung, insbesondere der Brennstoffzelle, zur Temperierung des Kühlmittels und damit ebenfalls zum Beheizen der Fahrgastkabine. Zudem ist die für den Betrieb des elektrischen Zuheizers erforderliche elektrische Energie deutlich kleiner, da ein Teil der elektrischen Energie von der Abwärme der eine elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung stammt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem bergab fahrenden Kraftfahrzeug der Elektromotor im Rekuperationsmodus betrieben und die hierdurch erzeugte elektrische Energie zum Betrieb des zumindest einen elektrischen Verbrauchers und/oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet. Hierdurch ist es möglich, die Energiebilanz des Kraftfahrzeugs weiter zu verbessern, da die bei einem bergab fahrenden Kraftfahrzeug auftretende Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und rückgewonnen werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei fahrendem Kraftfahrzeug von der eine elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung erzeugte Abwärme zur Temperierung des Kühlmittels verwendet. Somit kann auch bei fahrendem Kraftfahrzeug nicht nur die von der Einrichtung erzeugte elektrische Energie, sondern auch die von der Einrichtung erzeugte Abwärme genutzt werden, wodurch sich die Leistungsbilanz des Kraftfahrzeugs ebenfalls verbessert.
Zweckmäßig ist ein Bremswiderstand vorgesehen, der beim Bremsen Abwärme erzeugt, die zur Temperierung des Kühlmittels verwendet wird. Neben der reinen Umsetzung elektrischer Energie ist auch denkbar, dass der Bremswiderstand zusätzlich oder alternativ Abwärme erzeugt, die insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen zur Temperierung, das heißt zur Erwärmung, des Kühlmittels verwendet wird, wodurch sowohl die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung in einem für diese optimalen Temperaturfenster gehalten als auch ein Beheizen eines Fahrgastraums möglich ist. In diesem Fall muss somit zur Temperierung des Kühlmittels weniger elektrische Energie aufgewendet werden, wodurch sich die Leistungsbilanz bzw. die Ökobilanz des Kraftfahrzeugs ebenfalls verbessert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der elektrische Energiespeicher beim Fahren des Kraftfahrzeugs bis zu einem vordefinierten Ladezustand entladen, um während einer nachfolgenden Standzeit des Kraftfahrzeugs die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung bedarfsabhängig entsprechend dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren zumindest temporär zu betreiben und die von der Einrichtung erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers und/oder zum Aufladen des Energiespeichers und die Abwärme der Einrichtung zur Temperierung des Kühlmittels zu verwenden. Derartige Situationen können beispielsweise auftreten, gegen Abend, vor Ablauf einer Lenkzeit oder vor Erreichen einer Pausenzeit oder vor Ankunft an einer Raststätte oder einem Ziel, wobei dann über Nacht oder während der Pause der Energiespeicher mittels der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung wiederaufgeladen und deren Abwärme zusätzlich zur Temperierung des Kühlmittels verwendet werden kann. Über das Kühlmittel kann beispielsweise ein Beheizen einer Fahrgastkabine oder das Halten der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung in einem für diese optimalen Temperaturfenster ermöglicht werden, wodurch diese bei einem nachfolgenden Start sofort ihre optimale Betriebstemperatur aufweist oder diese schneller erreicht und dadurch das Kraftfahrzeug ebenfalls effizient betrieben werden kann. Ein elektrischer Verbraucher kann dabei beispielsweise auch ein Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels einer Klimaanlage oder einer Kühlanlage sein.
Ist der elektrische Energiespeicher jedoch beispielsweise voll aufgeladen, insbesondere aufgrund einer vor dem Stillstehen des Kraftfahrzeugs erfolgten längeren Bergabfahrt, oder ist absehbar, dass der Energiespeicher innerhalb der nachfolgenden Stillstandzeit mittels der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (Einrichtung) voll aufgeladen werden kann, kann auch ein Teil oder die gesamte erzeugte elektrische Energie der Einrichtung und/oder des Energiespeichers zur Erwärmung des Kühlmittels genutzt werden. Insbesondere bei sehr kalten Außentemperaturen lässt sich damit das System äußerst effizient auf Temperatur halten, da sowohl die Abwärme der Einrichtung als auch die elektrische Leistung der Einrichtung und/oder des Energiespeichers zur Erwärmung des Kühlsystems genutzt werden können. Die elektrische Leistung wird dabei zum Betrieb des Heizwiderstands oder eines anderen elektrischen Verbrauchers verwendet, der das Kühlmittel beheizt. Ein anderer elektrischer Verbraucher könnte auch eine Kühlmittelpumpe sein.
Das gezielte Entladen des elektrischen Energiespeichers kann selbstverständlich auch durch Verringern der elektrischen Leistung der Einrichtung unter die erforderliche Fahrleistung, beispielsweise prädiktiv vor einer Gefällestrecke, sinnvoll eingesetzt werden, um längere Rekuperationsphasen nutzen zu können. Hierdurch ist es nicht nur möglich, Energie einzusparen und das Kraftfahrzeug effizienter zu betreiben, sondern es wird gleichzeitig auch ein Kühlsystem des Kraftfahrzeugs in doppelter Weise entlastet, da ein Rekuperator oder Bremswiderstand weniger lang betrieben werden muss und überdies die Leistung der Einrichtung vor der Gefällestrecke reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrische Energie und Abwärme erzeugenden Einrichtung und einem Kühlkreis anzugeben, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine Einrichtung zum Kühlen der Einrichtung sowie ein Kühlmittelkühler eingebunden sind. Ebenfalls besitzt das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zumindest einen Energiespeicher, der durch die Einrichtung aufladbar ist, sowie einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und zumindest einen elektrischen Verbraucher. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ein Energiemanagementsystem zur Durchführung des in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahrens. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Nutzfahrzeug, beispielsweise als Kühllaster, ausgebildet sein und durch die mittels der Einrichtung erzeugte elektrische Energie und Abwärme besonders energieeffizient betrieben werden. Auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug sind ein geräuschloser Betrieb der Einrichtung und dadurch die Nutzung deren elektrischer Energie und Abwärme möglich. Da mit Ausnahme des Energiemanagementsystems alle Komponenten bereits auch in bekannten (Brennstoffzellen-)fahrzeugen vorhanden sind, entfällt eine aufwändige Anpassung oder Änderung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1, welches im vorliegenden Fall als Nutzfahrzeug ausgebildet ist, einen elektrischen Energiespeicher 2, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, eine Brennstoffzelle 3 sowie einen Kühlkreislauf 4 auf, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine elektrische Energie und Abwärme erzeugende Einrichtung (3) beispielsweis eine Brennstoffzelle, zum Kühlen derselben sowie ein Kühlmittelkühler 5 eingebunden sind. Der Energiespeicher 2 ist dabei durch den von der Einrichtung 3 erzeugten Strom aufladbar. Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 einen Elektromotor 6 sowie zumindest einen elektrischen Verbraucher 7 [RB1], 8 auf. Ebenfalls vorgesehen ist ein Energiemanagementsystem 9, welches dazu ausgebildet ist, die von der Einrichtung 3 erzeugte Energie, und zwar sowohl die elektrische Energie als auch Wärme, optimal im Kraftfahrzeug 1 zu verteilen und zu nutzen.
Das Energiemanagementsystem 9 ist beispielsweise in der Lage, bei stehendem Kraftfahrzeug 1 die Einrichtung 3 bedarfsabhängig und temporär zu betreiben, wobei die von der Einrichtung 3 erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers 7, 8 und/oder zum Aufladen des Energiespeichers 2 verwendet wird und wobei eine Abwärme der Einrichtung 3 zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 verwendet wird. Dies bietet den großen Vorteil, dass beim Betrieb der Einrichtung 3, und zwar unabhängig davon, ob das Kraftfahrzeug 1 steht oder fährt, insbesondere steht, nicht nur der von der Einrichtung 3 erzeugte elektrische Strom genutzt wird, sondern auch die damit einhergehende Wärme.
Das bedarfsabhängige Betreiben der Einrichtung 3, insbesondere bei stehendem Kraftfahrzeug 1, kann dabei kontinuierlich oder in Intervallen geschehen, wobei die Einrichtung 3 aufgrund des nahezu geräuschlosen Betriebs auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug 1 betrieben werden kann. Durch die zusätzliche Nutzung der Abwärme der Einrichtung 3 bei stehendem Kraftfahrzeug 1 kann eine deutlich verbesserte Leistungsbilanz bzw. Ökobilanz des Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 erreicht werden.
Als elektrischer Verbraucher 7 kann beispielsweise zumindest ein Heizwiderstand 10 und/oder ein Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels einer Klimaanlage und/oder einer Kühlanlage und/oder ein Wärmeübertrager 11 zum Beheizen einer Fahrgastkabine 12 vorgesehen sein. Der Verdichter kann dabei zum Klimatisieren der Fahrgastkabine 12 verwendet werden, wobei insbesondere bei einer Ausbildung des Kraftfahrzeugs 1 als Kühllaster rein theoretisch auch eine Kühlanlage zum Kühlen eines Frachtraums denkbar ist. Die bei stehendem Kraftfahrzeug 1 von der Einrichtung 3 erzeugte elektrische Energie kann somit zum Betrieb des Heizwiderstands 10, des Wärmeübertragers 11 und/oder zum Betrieb des Verdichters verwendet werden, während die während des Betriebs der Einrichtung 3 durch diese entstehende Abwärme in den Kühlkreis 4 übertragen wird und dort ebenfalls beispielsweise zum Beheizen der Fahrgastkabine 12 genutzt wird, wodurch beispielsweise die zum Beheizen der Fahrgastkabine 12 von dem Heizwiderstand 10 aufzubringende Heizleistung reduziert und dadurch Energie eingespart werden kann. Zudem kann mit dem Wärmeübertrag in den Kühlkreislauf 4 die elektrische Energie und Abwärme erzeugende Einrichtung 3 auch nach dem Abschalten noch vergleichsweise lang auf einer höheren Temperatur gehalten werden, wodurch diese beim Wieder-Starten sofort oder zumindest deutlich schneller ihre Betriebstemperatur erreicht.
Bewegt sich das Kraftfahrzeug 1 und fährt beispielsweise bergab, so kann der Elektromotor 6 im Rekuperationsbetrieb, das heißt als Generator, betrieben und die hierbei erzeugte elektrische Energie zum Betrieb des zumindest einen elektrischen Verbrauchers 7, 8 und/oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet werden. Der Energiespeicher 2 ist dabei vorzugsweise als Pufferspeicher ausgebildet, der ständig von der Einrichtung 3 und/oder durch Rekuperation durch den Elektromotor 6 aufgeladen und beim Antrieb des Elektromotors 6 wieder entladen wird. Eine dabei angestrebte, mittlere Batterieladung während der Fahrt kann dabei auch variabel sein.
Durch das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem 9 kann der Energiespeicher 2 mittels leicht erhöhter Leistung der Einrichtung 3 aufgeladen werden, während umgekehrt der Energiespeicher 2 langsam entladen werden kann, indem die Leistung der Einrichtung 3 nicht die für die den Betrieb aller elektrischen Verbraucher 7, 8 und des Elektromotors 6 erforderliche Leistung abdeckt, sondern ein Teil der Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher 2 entnommen wird. Dabei ist auch ein Verfahren zum Verschieben einer Batterieladung denkbar.
Ebenfalls denkbar ist, dass das Kraftfahrzeug 1 über ein Navigationssystem verfügt, welches eine Bergabfahrt bzw. eine Bergauffahrt frühzeitig erkennt und vor Beginn der Bergabfahrt die Leistung der Einrichtung 3 zurücknimmt und somit den Energiespeicher 2 entlädt, um dann zu Beginn der Bergabfahrt in den Rekuperationsmodus umzuschalten und den Energiespeicher 2 mit der rekuperierten Energie wieder aufladen zu können. Vor einem Anstieg, das heißt vor einer Bergauffahrt, ist auch denkbar, dass die Leistung der Einrichtung 3 angehoben und dadurch der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen wird. Ist der elektrische Energiespeicher 2 voll aufgeladen oder ist absehbar, dass dieser innerhalb der Standzeit durch die Einrichtung 3 voll aufgeladen wird, kann auch ein Teil oder die gesamte erzeugte elektrische Energie aus der Einrichtung 4 der dem Energiespeicher 2 zur Erwärmung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 mittels des Heizwiderstandes 10 genutzt werden. Insbesondere bei sehr kalten Außentemperaturen lässt sich damit sehr effizient das Antriebssystem auf Temperatur halten, da sowohl die Abwärme der Einrichtung 3 als auch die Wärme des Heizwiderstandes 10 zur Erwärmung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 beitragen.
Bei fahrendem Kraftfahrzeug 1 kann die von der Einrichtung 3 erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines der elektrischen Verbraucher 7, 8 und/oder des Elektromotors 6 verwendet werden. Das heißt nicht nur bei stehendem Kraftfahrzeug 1, sondern auch bei fahrendem Kraftfahrzeug 1 wird die Einrichtung 3 nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt, sondern es erfolgt auch eine Nutzung der Abwärme der Einrichtung 3.
Des Weiteren vorgesehen sein kann ein Bremswiderstand, der beim Bremsen Abwärme erzeugt, die zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 genutzt werden kann, wodurch beispielsweise eine Temperierung der Einrichtung 3 und/oder der Fahrgastkabine 12 möglich sind.
Insbesondere bei einer Anwendung des Systems in einem Lastkraftwagen kann der Bremswiderstand ein Retarder sein, der in der Regel hydrodynamisch einen Widerstand ergibt und Bewegungsenergie in Wärme umwandelt. Das ist vor allem bei einer Bergabfahrt (mit Beladung) notwendig, wenn die Bremswirkung der Rekuperation des Elektromotors 6 nicht mehr ausreicht und auch die Bremsen schnell an ihr Temperaturlimit kommen können bzw. diese immer ausreichend Sicherheitsreserven aufweisen müssen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 kann der elektrische Energiespeicher 2 beim Fahren des Kraftfahrzeugs 1 bis zu einem vordefinierten Ladezustand entladen werden, um während einer nachfolgenden Standzeit des Kraftfahrzeugs 1 die Einrichtung 3 bzw. die Brennstoffzelle bedarfsabhängig und zumindest temporär zu betreiben und die von der Einrichtung 3 bzw. der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers 7, 8 und/oder zum Aufladen des Energiespeichers 2 und die Abwärme der Einrichtung 3 bzw. der Brennstoffzelle zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 zu verwenden. Das Entladen des elektrischen Energiespeichers 2 bis zu dem vordefinierten Ladezustand kann dabei in Abhängigkeit der Uhrzeit, dem Erreichen einer Lenkzeit und/oder einem Erreichen eines vordefinierten Ziels erfolgen. Sobald das Kraftfahrzeug 1 dann abgestellt wird, beispielsweise über Nacht oder während einer Pause, kann mittels der Einrichtung 3 der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen und dabei zugleich auch die Abwärme der Einrichtung 3 zum Beheizen der Fahrgastkabine 12 und/oder vor Fahrtantritt zum Aufwärmen bzw. Warmhalten des Kühlmittels im Kühlkreis 4 genutzt werden. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch ein Betrieb einer Absorptionskälteanlage denkbar, die beispielsweise einen Frachtraum eines Kühllasters kühlt. Mittels des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems 9 kann insbesondere ein bislang erforderlicher elektrischer Zuheizer zum beispielsweise Beheizen der Fahrgastkabine 12 entfallen, wodurch die Teilevielfalt und die damit verbundenen Lager- und Logistikkosten sowie ein Montageaufwand gesenkt werden können.
Das gezielte Entladen des elektrischen Energiespeichers 2 durch Verringerung der Leistung der Einrichtung 3 unter die erforderliche Fahrleistung kann auch prädiktiv vor einer Gefällestrecke sinnvoll eingesetzt werden, um längere Rekuperationsphasen nutzen zu können. Hierdurch wird nicht nur Energie eingespart und das Kraftfahrzeug 1 effizienter betrieben, sondern es wird gleichzeitig auch der Kühlkreis 4 des Kraftfahrzeugs 1 in doppelter Weise entlastet, da der Rekuperator, das heißt beispielsweise ein als Generator betriebener Elektromotor 6 oder ein Bremswiderstand, weniger lang betrieben werden muss und überdies die Leistung der Einrichtung 3 vor der Gefällestrecke reduziert werden kann.
Wird in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beispielsweise ein Verdichter für den Betrieb einer Kühlanlage eingesetzt, kann es bei hohen Umgebungstemperaturen, die über einer Grenztemperatur zwischen 15 °C und 30°C liegen, sinnvoll sein, den elektrischen Energiespeicher 2 unter bestimmten Situationen zuvor aufzuladen, um den Verdichter während der Pause oder gar über Nacht zu betreiben. In diesem Fall würde somit der elektrische Energiespeicher 2 schon beim Fahren des Kraftfahrzeugs 1 aufgeladen.
Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem 9 in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem bei stehendem Kraftfahrzeug 1 die Einrichtung 3 bedarfsabhängig und zumindest temporär betrieben und die dabei erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers 7, 8 und/oder zum Aufladen des Energiespeichers 2 und die dabei entstehende Abwärme der Einrichtung zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 verwendet wird, die vorzusehende maximale Leistung der Brennstoffzelle 3 insgesamt verringert werden, weil bei beispielsweise einer Bergauffahrt mehr Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 2 verfügbar ist. Gegebenenfalls können dadurch einzelne Komponenten kleiner ausfallen, beispielsweise eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels im Kühlkreis 4 oder ein Lüfter des Kühlmittelkühlers 5.
Dabei ist klar, dass die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung 3 als Brennstoffzelle, insbesondere als chemische Brennstoffzelle, als chemische Batterie (Alu Luft Batterie) oder als Range Extender (sei es konventionell mit Diesel- Benzin- Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben) ausgebildet sein kann.
Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 mit dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem 9 eine erhöhte Energieeffizienz durch die Abwärmenutzung der Einrichtung 3 erreicht werden, ebenso wie eine Komfortsteigerung, da die Einrichtung 3 geräuschlos, beispielsweise zum Heizen der Fahrgastkabine 12, auch während einer Pausenzeit oder über Nacht genutzt werden kann. Darüber hinaus sind sämtliche Komponenten, das heißt Einrichtung 3, Kühlkreis 4, elektrischer Energiespeicher 2, Elektromotor 6, elektrische Verbraucher 7, 8 und Kühlmittelkühler 5 bereits in herkömmlichen Kraftfahrzeugen ohnehin enthalten, wodurch ein aufwändiges Nachrüsten entfällt. Auch kann durch die Abwärmenutzung der Einrichtung 3 diese entlastet werden, ebenso wie der Kühlkreis 4 und der Kühlmittelkühler 5, wodurch diese beispielsweise kleiner ausgebildet werden können. Ist die von der Einrichtung 3 nutzbare Abwärme groß genug, könnte sogar ein elektrischer Zuheizer, beispielsweise ein Heizwiderstand 10, entfallen.
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 102004013256 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, in einem Kraftfahrzeug (1), - wobei das Kraftfahrzeug (1) aufweist: • zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3), • einen Kühlkreis (4), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) zum Kühlen derselben sowie ein Kühlmittelkühler (5) eingebunden sind, • zumindest einen Energiespeicher (2), der durch die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) aufladbar ist, • einen Elektromotor (6) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (1), • zumindest einen elektrischen Verbraucher (7, 8), - wobei bei stehendem Kraftfahrzeug (1) die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) bedarfsabhängig zumindest temporär betrieben wird, - wobei eine von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7, 8) und/oder zum Aufladen des Energiespeichers (2) verwendet wird, - wobei eine Abwärme der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass als elektrischer Verbraucher (7, 8) zumindest ein Heizwiderstand (10) und/oder ein Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels einer Klimaanlage oder einer Kühlanlage vorgesehen sind/ist, - dass eine von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines Heizwiderstands (10) und/oder zum Betrieb des Verdichters verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei bergab fahrendem Kraftfahrzeug (1) der Elektromotor (6) im Rekuperationsmodus betrieben und die hierdurch erzeugte elektrische Energie zum Betrieb des zumindest einen elektrischen Verbrauchers (7, 8) und/oder zum Laden des Energiespeichers (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei fahrendem Kraftfahrzeug (1) die von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) erzeugte Abwärme zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bremswiderstand vorgesehen ist, der beim Bremsen Abwärme erzeugt, die zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremswiderstand bei stehendem Kraftfahrzeug (1) zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) beim Fahren des Kraftfahrzeugs (1) bis zu einem vordefinierten Ladzustand entladen wird, um während einer nachfolgenden Standzeit des Kraftfahrzeugs (1) die Brennstoffzelle (3) bedarfsabhängig zumindest temporär zu betreiben und die von der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) erzeugte elektrische Energie zum Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7, 8) und/oder zum Aufladen des Energiespeichers (2) und die Abwärme der elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3) zur Temperierung des Kühlmittels im Kühlkreis (4) zu verwenden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen bis zu dem vordefinierten Ladezustand in Abhängigkeit der Uhrzeit, einem Erreichen einer Lenkzeit und/oder einem Erreichen eines vordefinierten Ziels erfolgt.
Kraftfahrzeug (1), mit - zumindest einer elektrische Energie und Wärme erzeugenden Einrichtung (3), - einem Kühlkreis (4), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) zum Kühlen derselben sowie ein Kühlmittelkühler (5) eingebunden sind, - zumindest einem Energiespeicher (2), der durch die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) aufladbar ist, - einem Elektromotor (6) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (1), - zumindest einem elektrischen Verbraucher (7, 8), - einem Energiemanagementsystem (9) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 Dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) als Nutzfahrzeug, insbesondere als Kühllaster, ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, Dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie und Wärme erzeugende Einrichtung (3) als Brennstoffzelle, insbesondere als chemische Brennstoffzelle, als chemische Batterie oder als Range Extender ausgebildet ist.