DE102022120165A1

DE102022120165A1 - Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102022120165A1
Application number: DE102022120165.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Peteranderl; Max Wagenblast; Jürgen Köhler
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024033145A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (200), vorzugsweise einen Lastkraftwagen, vorzugsweise mit Brennstoffzellenantrieb, aufweisend ein Kühlsystem (100) zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (40), mit einem ersten Kreislauf (10) und einem zweiten Kreislauf (20), wobei der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) über einen Wärmeübertrager (30) miteinander verbunden sind. Das Kühlsystem (100) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der zweite Kreislauf (20) mit dem Brennstoffzellensystem (40) verbunden ist, um das Brennstoffzellensystem (40) zu kühlen. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Betriebsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen, insbesondere eine Sattelzugmaschine (z. B. einen Baustellen-Lastkraftwagen wie insbesondere einen Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen), vorzugsweise mit Brennstoffzellenantrieb. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Steigerung einer Kühlleistung für das Brennstoffzellensystem.
Verglichen mit mittels Verbrennungskraftmaschinen konventionell angetriebenen Fahrzeugen besitzen Kraftfahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem wie z. B. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen einen erhöhten Kühlleistungsbedarf.
Dabei spielen drei wesentliche Effekte eine Rolle:

- Die Abwärme, die über das Abgas an die Umgebung abgeführt wird, ist bei einem Brennstoffzellensystem erheblich geringer als bei einer Verbrennungskraftmaschine. Nahezu die gesamte Wärmemenge entfällt auf das Kühlsystem.
- Zusätzlich ist die Abwärme eines Brennstoffzellensystems meist höher als bei einer vergleichbaren Verbrennungskraftmaschine. Bei gleicher Antriebsleistung ist der an das Kühlmittel abgegebene Wärmestrom deutlich größer.
- Die maximale Kühlmitteltemperatur ist bei einem Brennstoffzellensystem üblicherweise geringer, und somit auch die treibende Temperaturdifferenz der Wärmeabgabe an die Umgebung.

Eine Steigerung der Kühlleistung wäre z. B. durch eine Erhöhung des Kühlluftmassenstroms, beispielsweise durch Vergrößerung der Kühlerfläche, Verwendung eines größeren Lüfters oder Steigerung der Betriebstemperatur realisierbar. Das ist aber aufgrund von Bauraum-, Design-, Energetischen- und/oder Degradationsaspekten üblicherweise nicht umsetzbar.
DE 10 2017 218 142 A1 z. B. offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlsystem zur Steigerung einer Kühlleistung für ein Antriebsaggregat.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem alternativen und/oder verbesserten Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, insbesondere einem Kühlsystem, mittels dessen vorteilhaft eine Reduzierung einer Geräuschemission und/oder einer Luft- und/oder Staubansaugung trotz zweckmäßig ausreichender Kühlung des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden kann, sodass vorzugsweise das Kühlsystem situationsabhängig in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann.
Diese Aufgabe kann mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart oder ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen (z. B. eine Sattelzugmaschine), insbesondere einen Baustellen-Lastkraftwagen (z. B. Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen).
Das Kraftfahrzeug umfasst vorzugsweise einen Brennstoffzellenantrieb, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist somit vorzugsweise ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.
Das Kraftfahrzeug umfasst ein Kühlsystem zum Kühlen zumindest eines Brennstoffzellensystems. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann z. B. eingerichtet sein, um den Brennstoffzellenantrieb mit Antriebsenergie zu versorgen.
Das Kühlsystem umfasst einen ersten Kreislauf (z. B. einen Kältemittelkreislauf, vorzugsweise mit Kältemittel-Phasenwechsel) und einen zweiten Kreislauf (z. B. einen Kühlmittelkreislauf, vorzugsweise ohne Kühlmittel-Phasenwechsel).
Der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf sind über einen Wärmeübertrager (z. B. Chiller, insbesondere Verdampfer) insbesondere thermisch miteinander verbunden. Der Wärmeübertrager kann z. B. als Verdampfer wirken.
Das Kühlsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der zweite Kreislauf mit dem zumindest einen Brennstoffzellensystem insbesondere thermisch verbunden ist, um das zumindest eine Brennstoffzellensystem zu kühlen. Der zweite Kreislauf, insbesondere dessen Kühlmittel, kann somit vorzugsweise Reaktionsabwärme des zumindest einen Brennstoffzellensystems aufnehmen und zweckmäßig abführen. Hierfür kann z. B. das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs durch einen oder mehrere Kanäle in und/oder zwischen Bipolarplatten des Brennstoffzellensystems fliesen, um Reaktionsabwärme aufzunehmen und abzuführen.
Das Kühlsystem kann auch z. B. zum Kühlen mehrerer Brennstoffzellensysteme eingerichtet sein, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sein können.
Es ist möglich, dass der erste Kreislauf einen Kondensator umfasst. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Kreislauf z. B. zumindest einen Kühler umfassen, vorzugsweise zumindest einen Hochtemperatur-Kühler.
Der Kondensator dient insbesondere dazu, das Kältemittel des ersten Kreislaufs von einem gasförmigen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand zu überführen.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. einen Motorraum, einen Frontendbereich und/oder eine Fahrerkabine umfassen.
Der zumindest eine Kühler kann z. B. durch zumindest einen Kühlerlüfter (insbesondere zur Wärmeabfuhr) unterstützt werden. Der zumindest eine Kühlerlüfter kann z. B. als Kühler-Ventilator ausgeführt sein.
Der zumindest eine Kühler und/oder der Kühlerlüfter kann z. B. im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
Der Kühlerlüfter kann z. B. stromaufwärts oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers angeordnet sein.
Es ist möglich, dass der Kondensator durch zumindest einen Ventilator (insbesondere zur Wärmeabfuhr) unterstützt wird. Der Ventilator kann z. B. ein Lüfter sein.
Der Ventilator kann z. B. in einem Turm angeordnet sein, insbesondere in einem hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnetem Turm. Der Ventilator kann somit z. B. ein Turmventilator sein.
Der Kondensator und/oder der Ventilator kann z. B. außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
Es ist möglich, dass der zumindest eine Kühler und der Kondensator mittels eines Luftströmungspfads in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen (z. B. seriellen) Luftströmungspfads (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar sind. Der zumindest eine Kühler und der Kondensator können somit z. B. seriell luftgekühlt werden.
Es ist möglich, dass der Kondensator über einen ersten Luftströmungspfad (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar ist und der zumindest eine Kühler über einen zweiten Luftströmungspfad (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar ist.
Der erste Luftströmungspfad und der zweite Luftströmungspfad sind z. B. parallel geschaltet und/oder voneinander separiert.
Der Wärmeübertrager und der zumindest eine Kühler können z. B. in Reihe geschaltet sein. Z. B. kann der Wärmeübertrager in Reihe stromabwärts oder stromaufwärts des zumindest einen Kühlers angeordnet sein.
Es ist aber auch möglich, dass der Wärmeübertrager und der zumindest eine Kühler parallel geschaltet sind.
Es ist möglich, dass der Luftströmungspfad den zumindest einen Kühlerlüfter aufweist, vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im Luftströmungspfad. Dadurch ist es z. B. möglich, dass dem zumindest einen Kühler und dem Kondensator zumindest ein gemeinsamer Kühlerlüfter zugeordnet ist.
Es ist möglich, dass der erste Luftströmungspfad den Ventilator (vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im ersten Luftströmungspfad) aufweist und der zweite Luftströmungspfad den zumindest einen Kühlerlüfter (vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im zweiten Luftströmungspfad) aufweist. Dadurch ist es z. B. möglich, dass dem Kondensator ein eigener Ventilator zugeordnet ist und dem zumindest einen Kühler zumindest ein eigener Kühlerlüfter zugeordnet ist.
Der zumindest eine Kühler kann vorzugsweise mehrere Kühler umfassen.
Es ist möglich, dass zumindest zwei Kühler im zweiten Kreislauf (insbesondere Kühlmittel-bezogen) z. B. parallel zueinander geschaltet sind, z. B. so, dass Kühlmittel des zweiten Kreislaufs die zumindest zwei Kühler parallel durchströmt. Dabei können die zumindest zwei Kühler mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorzugsweise in Reihe geschaltet sein und somit z. B. seriell luftgekühlt werden.
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass z. B. zumindest zwei Kühler im zweiten Kreislauf (insbesondere Kühlmittel-bezogen) in Reihe zueinander geschaltet sind, z. B. so, dass Kühlmittel des zweiten Kreislaufs die zumindest zwei Kühler nacheinander durchströmt. Dabei können die zumindest zwei Kühler mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorzugsweise in Reihe geschaltet sein und somit z. B. seriell luftgekühlt werden.
Somit ist es z. B. möglich, dass zunächst ein Kühler mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads nacheilend gekühlt wird (z. B. als zweites gekühlt wird), und danach ein Kühler mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorauseilend gekühlt wird (z. B. als erstes gekühlt wird).
Der erste Kreislauf kann z. B. ein Expansionsorgan (z. B. ein Expansionsventil) umfassen, vorzugsweise zum Steuern und/oder Regeln einer Kältemittel-Unterkühlung stromabwärts des Kondensators und/oder einer Kältemittel-Überhitzung stromabwärts des Wärmeübertragers. Der erste Kreislauf kann alternativ oder ergänzend insbesondere einen Verdichter (z. B. Kompressor) umfassen.
Der Verdichter kann insbesondere bauartbedingt z. B. eine Mindestdrehzahl aufweisen, unterhalb dieser er nicht betrieben werden kann.
Der erste Kreislauf ist vorzugsweise zur aktiven Kälteleistungserzeugung für den zweiten Kreislauf eingerichtet.
Der erste Kreislauf ist insbesondere ein Kältekreislauf.
Der zweite Kreislauf ist z. B. ein insbesondere passiver Kühlkreislauf.
Der zweite Kreislauf umfasst vorzugsweise keinen Verdichter, keinen Kondensator und/oder kein Expansionsorgan.
Das Kraftfahrzeug kann wie schon erwähnt einen Motorraum, einen Frontendbereich und/oder eine Fahrerkabine umfassen.
Es ist möglich, dass der zumindest eine Kühler, der Kühlerlüfter, die Pumpe, der Kondensator, (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der Luftströmungspfad und/oder (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der zweite Luftströmungspfad im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Es ist möglich, dass der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter, der Ventilator und/oder (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der erste Luftströmungspfad außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Das Kühlsystem kann vorzugsweise unterschiedliche Betriebsmodi umfassen, z. B. einen ersten Betriebsmodus, einen zweiten Betriebsmodus und/oder einen dritten Betriebsmodus.
In einem ersten Betriebsmodus kann z. B. der erste Kreislauf aktiviert sein (z. B. der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs). Im ersten Betriebsmodus kann der zumindest eine Kühlerlüfter zweckmäßig deaktiviert sein oder leistungsreduziert arbeiten, vorzugsweise zur Reduzierung und/oder Vermeidung einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung und/oder Vermeidung einer Luft- und/oder Staubansaugung (z. B. Staub- und/oder Schmutzaufwirbelung).
Der erste Betriebsmodus kann z. B. besonders bei Baustellenfahrzeugen vorteilhaft sein, um wenig Staub aufzuwirbeln, oder aber eben allgemein, um eine Geräuschemission des Kraftfahrzeugs zu reduzieren, falls situationsabhängig erforderlich.
Der zweite Kreislauf kann zumindest eine Pumpe aufweisen, insbesondere zum Fördern des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs. Der zweite Kreislauf kann z. B. auch mehrere Pumpen umfassen.
Es ist möglich, dass die Pumpe, vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems, im ersten Betriebsmodus (z. B. zumindest zeitweise leistungsreduziert und/oder mit Maximalleistung) arbeitet, vorzugsweise trotz deaktiviertem oder leistungsreduziert arbeitendem Kühlerlüfter.
In einem zweiten Betriebsmodus ist es z. B. möglich, dass der erste Kreislauf (z. B. der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs) und der zweite Kreislauf mitsamt dem Kühlerlüfter und/oder der Pumpe des zweiten Kreislaufs vorzugsweise gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert (z. B. in Abhängigkeit voneinander) arbeiten, vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems.
Hierbei soll insbesondere das Verhältnis zwischen Kühlleistung und eingesetzter insbesondere elektrischer Leistung maximiert werden. Es wird versucht, eine ideale Kombination insbesondere aus der Drehzahl des Kühlerlüfters und der Leistung des Verdichters zu erreichen.
Im ersten Betriebsmodus und/oder im zweiten Betriebsmodus ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise in Betrieb und eine (z. B. aktive) Kühlung des Brennstoffzellensystems ist erforderlich. Eine Drehzahl der Pumpe des zweiten Kreislaufs kann unabhängig von den Regelgrö-ßen und/oder Regelstrategien des ersten Betriebsmodus und/oder des zweiten Betriebsmodus so betrieben werden, dass das Brennstoffzellensystem ausreichend gekühlt wird, z. B. erforderliche Kühlmitteltemperaturgradienten über einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erreicht werden können.
In einem dritten Betriebsmodus kann z. B. der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs deaktiviert sein und/oder der Kühlerlüfter und die Pumpe des zweiten Kreislaufs aktiviert sein, vorzugsweise zum autonomen Betreiben des zweiten Kreislaufs.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. eine Einrichtung (z. B. einen Taster, einen Schalter und/oder einen Touchscreen etc.) umfassen, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann. Damit sind insbesondere Ausführungsbeispiele umfasst, in denen der Fahrzeugführer insbesondere den ersten Betriebsmodus mittels der Einrichtung aktivieren und/oder deaktivieren kann.
Es ist möglich, dass, insbesondere im ersten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters und des Verdichters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient, insbesondere eine Kühlmitteltemperatur am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems.
Der zweite Betriebsmodus kann vorzugsweise verschiedene Betriebsvarianten umfassen.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient. Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden. Alternativ oder ergänzend kann der Verdichter z. B. in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt werden. Das kann z. B. eine erste Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs z. B. stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers dient (z. B. 1 und 3). Alternativ oder ergänzend kann z. B. als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts einer Kühlmittel-Zusammenführungsstelle dienen (z. B. 2 und 4). Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmittelaustritt des zumindest einen Kühlers insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden.
Alternativ oder ergänzend kann als Regelgröße zum Regeln des Verdichters z. B. eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dienen.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient insbesondere zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts des zumindest einen Kühlers und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle kann vorzugsweise stromabwärts des zumindest einen Kühlers und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellensystems angeordnet sein.
Das kann z. B. eine zweite Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient und/oder der Verdichter in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Kühlerlüfters und/oder Timer-abhängig gesteuert und/oder geregelt wird. Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden.
Das kann z. B. eine dritte Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen.
Zu erwähnen ist, dass insbesondere eine Drehzahl des Kühlerlüfters und/oder eine Drehzahl des Verdichters gesteuert und/oder geregelt wird.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung (z. B. ein Fahrzeugsteuergerät) umfassen, um das Kreislaufsystem zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln.
Der zweite Kreislauf kann z. B. zumindest ein Ventil zum Steuern und/oder Regeln einer Kühlmittel-Durchflussmenge zwischen dem zumindest einen Kühler und dem Brennstoffzellensystem umfassen.
Der Motorraum kann vorzugsweise auch z. B. einen Kühlerraum umfassen, der üblicherweise Teil des Motorraums ist und/oder benachbart zum Motorraum angeordnet sein kann.
Das Brennstoffzellensystem kann z. B. zumindest eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und/oder zumindest eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfassen.
Als Brennstoff des Brennstoffzellensystems dient vorzugsweise Wasserstoff.
Es ist möglich, dass der zweite Kreislauf mit dem Brennstoffzellensystem insbesondere so verbunden ist, dass das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs durch zumindest einen Kanal in und/oder zwischen zumindest einer Bipolarplatte fließen und dadurch zweckmäßig Reaktionsabwärme des Brennstoffzellensystems aufnehmen und abführen kann.
Der Kondensator kann vorzugsweise ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sein.
Das Kühlsystem kann z. B. als Kälte- und/oder Kühlanlage ausgeführt sein, insbesondere als (Hochtemperatur-) Kälte- und/oder Kühlanlage.
Zu erwähnen ist, dass die Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems vorzugsweise mittels eines Sensors am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems erfasst werden kann.
Zu erwähnen ist auch, dass die Kühlmitteltemperatur stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle vorzugsweise mittels eines Sensors am oder im Kühlmittelaustritt des zumindest einen Kühlers erfasst werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, wobei das Kraftfahrzeug und/oder das Kühlsystem zweckmäßig wie hierin offenbart ausgeführt sein kann. Das Betriebsverfahren kann mit einem Kraftfahrzeug und/oder einem Kühlsystem wie hierin offenbart ausgeführt werden.
Bei dem Betriebsverfahren werden somit ein erster Kreislauf und ein zweiter Kreislauf genutzt, wobei der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf über einen Wärmeübertrager insbesondere thermisch miteinander verbunden sind. Der zweite Kreislauf ist insbesondere thermisch mit einem Brennstoffzellensystem verbunden, um das Brennstoffzellensystem zu kühlen.
Die Offenbarung zum Kraftfahrzeug und/oder zum Kühlsystem gilt zweckmäßig ebenfalls für das Betriebsverfahren.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele und Merkmale der Erfindung können zweckmäßig miteinander kombiniert werden. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart oder ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren.

1 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung,
2 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Serieller-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung,
3 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Serieller-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung,
4 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung,
5 zeigt eine Seitensicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 zeigt eine Seitensicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 illustriert ein beispielhaftes Kennfeld zur Erläuterung einer energieoptimalen Kombination aus Lüfterdrehzahl und Verdichterdrehzahl für eine bestimmte Kühlleistung, und
8 illustriert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Reihe geschalteten Kühlern.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele stimmen teilweise überein, wobei ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele verwiesen werden kann, um Wiederholungen zu vermeiden.
1 zeigt ein Kühlsystem 100 für ein Kraftfahrzeug 200 (z. B. 5 und 6) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 200 umfasst vorzugsweise einen Brennstoffzellenantrieb zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200. Der Brennstoffzellenantrieb kann zweckmäßig mittels zumindest eines Brennstoffzellensystems 40 mit Antriebsenergie versorgt werden. Das Kraftfahrzeug 200 ist insbesondere ein Lastkraftwagen (z. B. eine Sattelzugmaschine), insbesondere ein Baustellen-Lastkraftwagen (z. B. Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen).
Das Kühlsystem 100 dient insbesondere zum Kühlen des Brennstoffzellensystems 40. Das Kühlsystem 100 umfasst einen ersten Kreislauf 10, der vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf ist und ein Kältemittel führt. Das Kühlsystem 100 umfasst auch einen zweiten Kreislauf 20, der vorzugsweise ein Kühlmittelkreislauf ist und ein Kühlmittel führt.
Bei einem Brennstoffzellensystem wie z. B. dem Brennstoffzellensystem 40 muss das für den Betrieb erforderliche Temperaturfenster üblicherweise präziser eingehalten werden als bei einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine. Die Temperierung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellensystems hat einen erheblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt einer Membran, insbesondere einer Polymereelektrolytmembran. Eine zu hohe Temperatur kann zunächst zu einem Austrocknen der Membran führen und über einen längeren Zeitraum zu einem kontinuierlichem Schädigungsprozess. Eine zu niedrige Temperatur kann zum Auskondensieren des Wasserdampfes im Abgas innerhalb eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems führen. In Folge dessen können Gaskanäle blockiert werden, sodass möglicherweise eine Reaktion im Brennstoffzellenstapel nicht mehr stattfinden kann.
Übersteigt die Kühlmitteltemperatur das reguläre Temperaturfenster für den Betrieb, so kommt es üblicherweise zunächst mit Hilfe einer Schutzfunktion zu einer Leistungsreduktion des Brennstoffzellenstapels (insbesondere thermisches Derating). Die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels wird üblicherweise reduziert, dadurch auch die entstehende Abwärme. In anspruchsvollen Fahrsituationen muss die Leistung des Brennstoffzellensystems so stark reduziert werden, dass das Kraftfahrzeug die nötige Antriebsleistung möglicherweise nicht mehr zur Verfügung stellen kann.
Der erste Kreislauf 10 umfasst insbesondere einen Kondensator 11, ein Expansionsorgan 12 (z. B. ein Expansionsventil) und einen Verdichter 13 (z. B. einen Kompressor).
Der zweite Kreislauf 20 umfasst insbesondere zwei parallel geschaltete Kühler 21.1, 21.2 und eine Pumpe 23 zum Fördern des Kühlmittels. Es sind alternativ oder ergänzend auch Ausführungsbeispiele mit nur einem Kühler möglich und auch mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Kühlern möglich. Die Kühler 21.1, 21.2 sind vorzugsweise Hochtemperatur-Kühler. 8 zeigt z. B. ein Ausführungsbeispiel mit zwei im zweiten Kreislauf 20 in Reihe geschalteten Kühlern 21.1, 21.2.
Der erste Kreislauf 10 und der zweite Kreislauf 20 sind über einen Wärmeübertrager 30 zweckmäßig thermisch miteinander verbunden. Der Wärmeübertrager 30 kann z. B. ein Chiller sein und/oder zweckmäßig als Verdampfer wirken.
Der zweite Kreislauf 20 ist mit dem Brennstoffzellensystem 40 zweckmäßig thermisch verbunden, um das Brennstoffzellensystem 40 kühlen zu können.
Zumindest ein Ventilator 22.1 ist bereitgestellt zur Unterstützung des Kondensators 11, insbesondere zur Luftkühlung des Kondensators 11.
Zumindest ein Kühlerlüfter 22.2 ist bereitgestellt zur Unterstützung der Kühler 21.1, 21.2, insbesondere zur Luftkühlung der Kühler 21.1, 21.2.
Der Kondensator 11 ist über einen ersten Luftströmungspfad P1 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei der erste Luftströmungspfad P1 den Ventilator 22.1 umfasst.
Die Kühler21.1, 21.2 sind über einen zweiten Luftströmungspfad P2 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei der zweite Luftströmungspfad P2 den Kühlerlüfter 22.2 umfasst.
Der erste Luftströmungspfad P1 und der zweite Luftströmungspfad P2 sind parallel geschaltet und/oder insbesondere räumlich voneinander separiert. Dadurch sind die Kühler 21.1, 21.2 einerseits und der Kondensator 11 andererseits mittels der zwei Luftströmungspfade P1, P2 parallel verschaltet.
Die Kühler 21.1, 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind in Reihe geschaltet.
1 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung.
2 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in 2 gezeigten Kühlsystem 100 sind die Kühler 21.1, 21.2 und der Kondensator 11 mittels eines Luftströmungspfads P in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads P zweckmäßig mittels einer Luftströmung seriell kühlbar.
Der Luftströmungspfad P umfasst zumindest einen Kühlerlüfter 22, mittels dessen die Kühler 21.1, 21.2 und der Kondensator 11 gemeinsam unterstützt und/oder gekühlt werden können.
Eine Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts der Kühler 21.1, 21.2 und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers 30.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 kann insbesondere stromabwärts der Kühler 21.1, 21.2 und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffenzellensystems 40 angeordnet sein.
Die Kühler 21.1, 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind parallel geschaltet.
2 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Serieller-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung.
3 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in 3 gezeigten Kühlsystem 100 sind die Kühler 21.1, 21.2 und der Kondensator 11 mittels eines Luftströmungspfads P in Reihe geschaltet und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads P zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar (vgl. z. B. 2).
Die Kühler 21.1, 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind in Reihe geschaltet (vgl. z. B. 1).
3 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Serieller-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung.
4 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in 4 gezeigten Kühlsystem 100 ist der Kondensator 11 über einen ersten Luftströmungspfad P1 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei die Kühler 21.1 21.2 über einen zweiten Luftströmungspfad P2 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar sind (vgl. z. B. 1). Der erste Luftströmungspfad P1 und der zweite Luftströmungspfad P2 sind parallel geschaltet und/oder insbesondere räumlich voneinander separiert. Dadurch sind die Kühler 21.1, 21.2 einerseits und der Kondensator 11 andererseits mittels der zwei Luftströmungspfade P1, P2 parallel verschaltet.
Die Kühler 21.1, 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind parallel geschaltet (vgl. z. B. 2).
4 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung.
Eine Besonderheit des Kühlsystems 100 ist, dass es vorzugsweise in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann, z. B. einem ersten Betriebsmodus, einem zweiten Betriebsmodus und z. B. einem dritten Betriebsmodus.
Es ist möglich, dass in einem ersten Betriebsmodus der erste Kreislauf 10 (insbesondere dessen Kondensator 11, Expansionsorgan 12, Verdichter 13 und/oder Ventilator 22.1) aktiviert ist und der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert ist oder leistungsreduziert arbeitet, aber die Pumpe 23 des zweiten Kreislaufs 20, vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems 40, zweckmäßig zumindest zeitweise leistungsreduziert und/oder mit Maximalleistung arbeitet. Der erste Betriebsmodus dient vorteilhaft zur Reduzierung (z. B. im Wesentlichen Vermeidung) einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung (z. B. im Wesentlichen Vermeidung) einer Staub- oder Luftansaugung (z. B. Staubverwirbelung).
Im ersten Betriebsmodus kann z. B. eine sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 als Regelgröße für den Kühlerlüfter 22, 22.2 und den Verdichter 13 genutzt werden. Der Kühlerlüfter 22, 22.2 und der Verdichter 13 können (z. B. durch jeweils einen PI-Regler getrennt voneinander) auf eine vorgegebene Solltemperatur geregelt werden.
Im Kühlbedarfsfall kann z. B. zunächst lediglich der erste Kreislauf 10 aktiviert werden, wobei der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert bleiben kann. Erreicht der erste Kreislauf 10 seine maximale Verdichterdrehzahl und liegt die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 über der Solltemperatur, so kann der Kühlerlüfter 22, 22.2 aktiviert und dessen Drehzahl auf die Kühlmitteltemperatur T2 geregelt werden. Solange der Kühlerlüfter 22, 22.2 aktiv ist, kann die Verdichterdrehzahl vorzugsweise bei ihrem Maximum bleiben, sodass eine Steuerung und/oder Regelung für den Verdichter 13 oder allgemein den ersten Kreislauf 10 zweckmäßig übersteuert werden kann.
Die Kühlmitteltemperatur T2 kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems 40 erfasst werden.
Fällt eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf ungefähr Null, kann z. B. ein Timer mit einer vordefinierten Zeitdauer von z. B. 10 Sekunden starten (kann ggf. länger oder kürzer werden). Verstreicht die vordefinierte Zeitdauer, ohne dass der Kühlerlüfter 22, 22.2 wieder aktiviert wird, kann der Verdichter 13 oder allgemein der erste Kreislauf 10 wieder aktiviert und der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert werden.
Es ist möglich, dass in einem zweiten Betriebsmodus der erste Kreislauf 10 (insbesondere dessen Kondensator 11, Expansionsorgan 12, Verdichter 13 und/oder Ventilator 22.1) und der zweite Kreislauf 20 mitsamt des Kühlerlüfters 22, 22.2 und zweckmäßig der Pumpe 23 gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert, insbesondere in Abhängigkeit voneinander arbeiten.
Der zweite Betriebsmodus dient vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems 100. Ist das Ziel z. B. maximale Energieeffizienz, so soll das Verhältnis zwischen Kühlleistung für das Brennstoffzellensystem 40 und eingesetzter, insbesondere elektrischer Leistung (z. B. für Kühlerlüfter 22, 22.2, Ventilator 22.1, Pumpe 23 und/oder Verdichter 13) maximiert werden. Es wird insbesondere versucht, eine ideale Kombination aus Kühlerlüfter- und/oder Ventilator-Drehzahl und Verdichterleistung zu erreichen, was z. B. durch eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Kraftfahrzeugs, z. B. basierend auf einem oder mehreren Kennfeldern, realisiert werden kann.
Der zweite Betriebsmodus kann vorzugsweise mit unterschiedlichen Betriebsvarianten (insbesondere Regelstrategien) betrieben werden.
In einer ersten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden, wobei eine Drehzahl des Verdichters 13 in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem 100 eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Für jede Komponente im Kühlsystem 100 (z. B. Brennstoffzellensystem 40, Leistungselektronik, etc.) kann der aktuelle Wärmeeintrag z. B. durch Sensoren erfasst werden und/oder über den aktuellen Leistungsbedarf und/oder den Komponentenwirkungsgrad vorbekannt und/oder berechenbar sein.
In Abhängigkeit anfallender Abwärmen insbesondere des Brennstoffzellensystems 40, auch optional weiterer Komponenten im Kühlsystems 100, kann die optimale Verdichterdrehzahl geregelt und/oder gesteuert werden. Die Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 kann hierbei z. B. über einen PI-Regler auf die Kühlmitteltemperatur T2 geregelt werden.
Die optimale Drehzahl des Verdichters 13 kann hierbei auf verschiedene Weisen bestimmt werden.
Eine Möglichkeit ist z. B. eine Kennfelder-basierte Steuerung und/oder Regelung. So können z. B. Kennfelder für variierende Betriebspunkte hinterlegt sein, wobei z. B. zwischen Kennfeldern vorzugsweise interpoliert werden kann.
Eine andere Möglichkeit ist z. B. dass in einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung (z. B. im Fahrzeugsteuergerät) ein zweckmäßig vereinfachtes Simulationsmodell des Kühlsystems 100 hinterlegt ist. Während des Betriebs kann z. B. in gewissen Abständen zyklisch über einen auf der Steuer- und/oder Regeleinrichtung hinterlegten Algorithmus das Optimum für die aktuelle Betriebsbedingung berechnet werden.
Eine andere Möglichkeit ist z. B. die Nutzung eines neuronalen Netzes, mittels dessen z. B. das Kühlsystem 100 dynamisch angenähert werden kann. Dies hat ggf. Vorteile hinsichtlich Rechenzeit und erforderliche Berechnungsperformance.
Die Möglichkeiten können zweckmäßig einzeln oder auch kombiniert genutzt werden.
Bei dieser Betriebsvariante kann das Kühlsystem 100 mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden.
In einer zweiten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine insbesondere sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T1 des zweiten Kreislaufs 20 stromabwärts der Kühler 21.1, 21.2 und stromaufwärts des Wärmeübertragers 30 geregelt werden (z. B. 1 und 3). Alternativ kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine insbesondere sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T1 des zweiten Kreislaufs 20 stromabwärts der Kühler 21.1, 21.2 und stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 geregelt werden (z. B. 2 und 4). Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient insbesondere zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts der Kühler 21.1, 21.2 und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers 30.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 ist vorzugsweise stromabwärts zumindest eines Kühlers 21.1, 21.2, stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und/oder stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 angeordnet.
Die Kühlmitteltemperatur T1 kann vorzugsweise am oder im Kühlmittelaustritt zumindest eines der Kühler 21.1, 21.2 mittels eines Sensors erfasst werden.
Eine Drehzahl des Verdichters 13 kann auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden. Dabei können die jeweiligen Ziel-Solltemperaturen ggf. entsprechend variiert werden.
Um eine Anschalthysterese durch eine Mindestdrehzahl des Verdichters 13 zu verhindern, kann der Verdichter 13 nach einer Aktivierung (Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 über Solltemperatur) z. B. erst wieder deaktiviert, wenn die geregelte Verdichterdrehzahl länger als ein festgelegten Zeitraum (z. B. 10 Sekunden) an der Mindestdrehzahl anliegt und die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 in diesem Zeitraum unter der Solltemperatur liegt.
In einer dritten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden, wobei z. B. eine Verdichterdrehzahl im Wesentlichen bei null bleiben kann.
Erreicht der Kühlerlüfter 22, 22.2 z. B. seine maximale Drehzahl, kann ein Timer mit einer vordefinierten Zeitdauer (z. B. 10 Sekunden) gestartet werden.
Fällt eine Solldrehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 während der Zeitdauer unter eine Maximaldrehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2, kann der Timer zweckmäßig beendet werden.
Läuft der Timer ab, kann die Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf ihrem Maximum gehalten werden und der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung aktiviert werden.
Ein weiterer Timer kann gestartet werden. Der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung kann so lange aktiv bleiben, bis die Verdichterdrehzahl für einen vordefinierten Zeitraum (z. B. mehr als 10 Sekunden) im Wesentlichen an ihrer Mindestdrehzahl bleibt und die Solltemperatur durch die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 unterschritten wird. Ansonsten kann der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung deaktiviert werden.
Das Kühlsystem 100 kann somit in zumindest zwei Betriebsmodi betrieben werden, die hinsichtlich der Erreichung unterschiedlicher Betriebsziele optimiert sind, nämlich zum einen eine Reduzierung einer Geräuschemission und/oder einer Staub- oder Luftansaugung (zweckmäßig erster Betriebsmodus), und zum anderen eine Maximierung der Energieeffizienz (zweckmäßig zweiter Betriebsmodus, der vorzugsweise unterschiedliche Betriebsvarianten umfassen kann).
Zu Grunde liegt die Annahme, dass das Brennstoffzellensystem 40 (insbesondere im ersten Betriebsmodus und/oder im zweiten Betriebsmodus) in Betrieb ist und eine (insbesondere aktive) Kühlung des Brennstoffzellensystems 40 erforderlich ist. Die Drehzahl der Pumpe 23 des zweiten Kreislaufs 20 kann so geregelt und/oder gesteuert werden, dass im Brennstoffzellensystem 40 die erforderlichen Kühlmitteltemperaturgradienten über die Brennstoffzellenstapel erreicht werden können. Die Pumpendrehzahl kann hierbei vorzugsweise unabhängig betrieben werden, insbesondere losgelöst von den hierin erörterten Betriebs- und/oder Regelstrategien.
Insbesondere kann der Ventilator 22.1 für den Kondensator 11 bei Aktivierung des ersten Kältekreislaufs 10 zugeschaltet werden, wobei eine Drehzahl des Ventilators 11 z. B. konstant gehalten werden kann oder auf eine für eine Kondensation mindestens erforderliche Drehzahl gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Ist der erste Kreislauf 10 z. B. deaktiviert (z. B. Verdichterdrehzahl = 0), kann der Ventilator 22.1 ebenfalls deaktiviert werden.
Es ist möglich, dass in einem dritten Betriebsmodus der Kondensator 11, der Verdichter 13 und/oder der Ventilator 22.1 des ersten Kreislaufs 10 und damit zweckmäßig der erste Kreislauf 10 deaktiviert ist und der Kühlerlüfter 22, 22.2 und die Pumpe 23 und damit zweckmäßig der zweite Kreislauf 20 aktiviert sind, um das Brennstoffzellensystem 40 zu kühlen, ohne dass im ersten Kreislauf 10 und/oder im zweiten Kreislauf 20 ein Phasenwechsel des Kühl- und/oder Kältemittels stattfindet.
Zu erwähnen ist noch, dass die Drehzahl der Pumpe 23 zweckmäßig auf den erforderlichen Temperaturgradienten des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellensystems 40 gesteuert und/oder geregelt werden kann. Der erforderliche Kühlmittelmassenstrom kann insbesondere vom Brennstoffzellensystemen 40 gesteuert und/oder geregelt werden.
Das Kraftfahrzeug kann eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfassen, um das Kreislaufsystem 100 zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln.
Das Kraftfahrzeug kann eine Einrichtung (z. B. Taster, Schalter, Touchscreen etc.) umfassen, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann, z. B. den ersten Betriebsmodus aktivieren und deaktivieren kann.
Die Kühlleistung des zweiten Kreislaufs 20 ist insbesondere linear proportional zum Luftmassenstrom, der den Kühlerlüfter 22, 22.2 durchströmt. Die Kühlleistung ist ebenfalls insbesondere linear proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Kühlluft. Eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur ist aufgrund der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 40 üblicherweise nicht möglich.
Eine Steigerung des Luftmassenstroms führt insbesondere zu einer Steigerung der Kühlleistung. Der Leistungsbedarf des Kühlerlüfters 22, 22.2 nimmt jedoch z. B. proportional zur dritten Potenz des geforderten Luftmassenstroms zu. Der abgeführte Wärmestrom erhöht sich jedoch z. B. linear proportional zum Luftmassenstrom. Mit zunehmender Kühlleistung nimmt der Wirkungsgrad, definiert als Verhältnis abgeführter Wärmeleistung zu eingesetzter, insbesondere elektrischer Leistung, üblicherweise stark ab.
Der Wirkungsgrad des ersten Kreislaufs 10 hingegen nimmt typischerweise mit einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl zu und erreicht je nach Betriebspunkt (z. B. charakterisiert durch Umgebungstemperatur und Kraftfahrzeuggeschwindigkeit) bei einer Verdichterdrehzahl von z. B. ca. 50% sein Maximum. Bei weiterer Erhöhung der Verdichterdrehzahl nimmt typischerweise die Kühlleistung zu, der Wirkungsgrad jedoch ab. Der erste Kreislauf 10 erreicht sein Wirkungsgradoptimum üblicherweise im unteren Teillastbereich, wie sich das z. B. aus 7 ergibt. Das in 7 dargestellte Kennfeld stellt die energieoptimalste Kombination aus Lüfter- und Verdichterdrehzahl für eine bestimmte Kühlleistung dar. Für jeden Betriebspunkt gibt es eine optimale Kombination aus Lüfterdrehzahl und Verdichterdrehzahl. Sie kann zweckmäßig die Grundlage für den zweiten Betriebsmodus und somit insbesondere eine energieeffiziente Betriebsstrategie bilden.
7 illustriert insbesondere einen Wirkungsgrad des Gesamtkühlsystems bestehend aus zwei Teilsystemen, mit exemplarischem Betriebspunkt für eine Umgebungstemperatur von z. B. 35°C und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von z. B. 10 km/h.
5 zeigt eine Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs 200, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 zeigt insbesondere einen Lastkraftwagen in Form einer Sattelzugmaschine.
Das Kühlsystem 100 kann hierbei zweckmäßig gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein.
Insbesondere die Kühler 21.1, 21.2, der Kühlerlüfter 22, der Kondensator 11 und zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P sind in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 20 angeordnet. Auch z. B. der Wärmeübertrager 30, das Expansionsorgan 12, der Verdichter 13 und/oder die Pumpe 23 kann vorzugsweise im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet sein.
6 zeigt eine Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs 200, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 6 zeigt insbesondere einen Lastkraftwagen in Form einer Sattelzugmaschine.
Das Kühlsystem 100 kann hierbei zweckmäßig gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein.
Insbesondere die Kühler 21.1, 21.2, der Kühlerlüfter 22.2 und vorzugsweise zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P2 sind in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet. Der Kondensator 11, der Verdichter 13, der Ventilator 22.1 und vorzugsweise zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P1 sind außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet.
8 zeigt z. B. ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das bei einem wie hierin offenbarten Kühlsystem 100 Anwendung finden kann.
8 zeigt insbesondere ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Kühler 21.2, 21.2 im zweiten Kreislauf 20 insbesondere Kühlmittel-bezogen in Reihe zueinander geschaltet sind.
Der Kühler 21.2 wird mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 relativ zum Kühler 21.1 vorauseilend gekühlt. Der Kühler 21.1 wird mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 relativ zum Kühler 21.2 nacheilend gekühlt.
Somit ist es z. B. möglich, dass zunächst ein Kühler 21.1 mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs 20 durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 nacheilend gekühlt wird (z. B. als zweites gekühlt wird), und danach ein Kühler 21.2 mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs 20 durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 vorauseilend gekühlt wird (z. B. als erstes gekühlt wird).
Der Kühler 21.1 kann somit z. B. mit wärmerem Kühlmittel durchströmt werden als der Kühler 21.2.
Der Kühler 21.1 kann somit z. B. mit einem wärmeren Luftstrom gekühlt werden als der Kühler 21.2.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.
Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Merkmalen und Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

10: erster Kreislauf, vorzugsweise Kältekreislauf
11: Kondensator
12: Expansionsorgan
13: Verdichter
20: zweiter Kreislauf, vorzugsweise Kühlkreislauf
21.1: Kühler
21.2: Kühler
22: Kühlerlüfter, vorzugsweise für zumindest einen Kühler und Kondensator
22.1: Ventilator, vorzugsweise für Kondensator
22.2: Kühlerlüfter, vorzugsweise für zumindest einen Kühler
23: Pumpe
24: Kühlmittel-Zusammenführungsstelle, vorzugsweise zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts des zumindest einen Kühlers und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers
T1: Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers oder stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle
T2: Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems
30: Wärmeübertrager
P: Luftströmungspfad
P1: erster Luftströmungspfad
P2: zweiter Luftströmungspfad
40: Brennstoffzellensystem
100: Kühlsystem
200: Kraftfahrzeug

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 102017218142 A1 [0005]

Claims

Kraftfahrzeug (200), vorzugsweise Lastkraftwagen, vorzugsweise mit Brennstoffzellenantrieb, aufweisend ein Kühlsystem (100) zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (40), mit: einem ersten Kreislauf (10) und einem zweiten Kreislauf (20), wobei der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) über einen Wärmeübertrager (30) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) mit dem Brennstoffzellensystem (40) verbunden ist, um das Brennstoffzellensystem (40) zu kühlen.
Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Kreislauf (10) einen Kondensator (11) umfasst und/oder - der zweite Kreislauf (20) zumindest einen Kühler (21.1, 21.2) umfasst, vorzugsweise zumindest einen Hochtemperatur-Kühler (21.1, 21.2).
Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlerlüfter (22, 22.2) zur Unterstützung des zumindest einen Kühlers (21.1, 21.2) bereitgestellt ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ventilator (22.1) zur Unterstützung des Kondensators (11) bereitgestellt ist, wobei vorzugsweise der Ventilator (22.1) in einem Turm, insbesondere hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs (200) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2) und der Kondensator (11) mittels eines Luftströmungspfads (P) in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads (P) kühlbar sind.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (11) über einen ersten Luftströmungspfad (P1) kühlbar ist und der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2) über einen zweiten Luftströmungspfad (P2) kühlbar ist und vorzugsweise der erste Luftströmungspfad (P1) und der zweite Luftströmungspfad (P2) parallel geschaltet und/oder voneinander separiert sind.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2) in Reihe geschaltet sind.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2) parallel geschaltet sind.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung, - der Luftströmungspfad (P) den zumindest eine Kühlerlüfter (22) aufweist, vorzugsweise sodass dem zumindest einen Kühler (21.1, 21.2) und dem Kondensator (11) ein gemeinsamer Kühlerlüfter (22) zugeordnet ist, oder - der erste Luftströmungspfad (P1) den Ventilator (22.1) aufweist und der zweite Luftströmungspfad (P2) den zumindest einen Kühlerlüfter (22.2) aufweist, vorzugsweise sodass dem Kondensator (11) ein eigener Ventilator (22.1) zugeordnet ist und dem zumindest einen Kühler (21.1, 21.2) ein eigener Kühlerlüfter (22.2) zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2) zumindest zwei parallel geschaltete Kühler (21.1, 21.2) und/oder zumindest zwei in Reihe geschaltete Kühler (21.1, 21.2) umfasst.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (10) ein Expansionsorgan (12) und/oder einen Verdichter (13) aufweist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1, 21.2), der Kühlerlüfter (22, 22.2), der Kondensator (11), der Luftströmungspfad (P) und/oder der zweite Luftströmungspfad (P2) - in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs (200) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (11), das Expansionsorgan (12), der Verdichter (13), der Ventilator (22.1) und/oder der erste Luftströmungspfad (P1) - außerhalb eines Motorraums, außerhalb eines Frontendbereichs und/oder hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (10) ein Kältekreislauf ist und zur aktiven Kälteleistungserzeugung für den zweiten Kreislauf (20) eingerichtet ist und der zweite Kreislauf (20) ein Kühlkreislauf ist.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen ersten Betriebsmodus aufweist, in dem der erste Kreislauf (10) aktiviert ist und der zumindest eine Kühlerlüfter (22, 22.2) deaktiviert ist oder leistungsreduziert arbeitet, vorzugsweise zur Reduzierung einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung einer Staub- oder Luftansaugung.
Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) eine Pumpe (23) aufweist und die Pumpe (23), vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems (40), im ersten Betriebsmodus arbeitet.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen zweiten Betriebsmodus aufweist, in dem der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) mitsamt des Kühlerlüfters (22, 22.2) und/oder der Pumpe (23) gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert arbeiten, vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems (100).
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen dritten Betriebsmodus aufweist, in dem der Verdichter (13) und/oder der Ventilator (22.1) des ersten Kreislaufs (10) deaktiviert ist und der Kühlerlüfter (22, 22.2) und die Pumpe (23) des zweiten Kreislaufs (20) aktiviert sind.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (200) eine Einrichtung umfasst, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im ersten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) und des Verdichters (13) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, - als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient, und/oder - der Verdichter (13) in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem (100) eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt wird.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, - als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T1) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des zumindest einen Kühlers (21.1, 21.2) und stromaufwärts des Wärmeübertragers (30) oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers (21.1, 21.2) und stromaufwärts einer Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (24) dient, wobei vorzugsweise die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (24) stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) angeordnet ist, und/oder - als Regelgröße zum Regeln des Verdichters (13) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, - als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient, und/oder eine Drehzahl des Verdichters (13) in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Kühlerlüfters (22, 22.2) und/oder Timer-abhängig gesteuert und/oder geregelt wird.
Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung bereitgestellt ist, um das Kreislaufsystem (100) zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln.
Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug (200) mit einem Kühlsystem (100) zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (40), vorzugsweise ausgeführt mit einem Kraftfahrzeug (200) und/oder einem Kühlsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: einem ersten Kreislauf (10) und einem zweiten Kreislauf (20), wobei der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) über einen Wärmeübertrager (30) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) mit dem Brennstoffzellensystem (40) verbunden ist und das Brennstoffzellensystem (40) kühlt.