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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Wärmemanagements in einem Elektrofahrzeug. Die vorliegende Erfindung handelt insbesondere von einem System für das Wärmemanagement verschiedener Elemente eines Elektrofahrzeugs mit Brennstoffzelle.
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Das Wärmemanagement eines Elektrofahrzeugs mit Brennstoffzelle umfasst insbesondere das Wärmemanagement von Organen, deren abzuführende Wärmebelastung und das zugeordnete Temperaturniveau variabel sind. Der die Brennstoffzelle versorgende Luftverdichter und der Elektromotor des Fahrzeugs können beispielsweise ein Kühlfluid mit einer Temperatur akzeptieren, die bis zu 70 °C betragen kann, wobei die Managementelektronik ihrerseits ein Kühlfluid mit einer Temperatur haben kann, die bis zu 60 °C betragen kann, und die Batterien eine Temperatur des Kühlfluids haben können, die bis etwa 40 °C betragen kann.
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Ein Organ wie etwa die Brennstoffzelle an sich kann eine Temperatur zwischen 60 und 95 °C haben. Das Fluid zum Kühlen der verdichteten Luft in Richtung Brennstoffzelle kann in Abhängigkeit von dem Betrag der Verdichtung der Luft und der Umgebungstemperatur seinerseits einer maximalen Temperatur zwischen 80 und 200 °C ausgesetzt sein.
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Es ist somit bekannt, ein Wärmemanagementsystem mit zwei Wärmemanagementschleifen zu entwickeln, die verschiedene Organe des Elektrofahrzeugs vereinen, eine erste sogenannte Niedrigtemperaturschleife, die das Wärmemanagement des Luftverdichters, der Leistungselektronik, des Elektromotors und der Batterien vereint, eine zweite sogenannte Hochtemperaturschleife, die das Wärmemanagement der Brennstoffzelle und der verdichteten Luft zu deren Versorgung vereint, und eine dritte, für die Klimatisierung des Elektrofahrzeugs vorgesehene Schleife kann auch hinzugefügt werden.
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Um die Wärmebelastung dieser verschiedenen Schleifen abzuführen, sind an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs sowohl in einem Vorderflächen-Frontalmodul, das also auf Höhe des Kühlergrills des Fahrzeugs liegt, als auch auf Höhe von zusätzlichen Vorderflächen-Seitenmodulen, die beispielsweise auf Höhe der Radkästen liegen, Kühlkörper angeordnet, um die Austauschfläche zu vergrößern.
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Bei einer geringen Geschwindigkeit und wenn eine hohe Leistung der Brennstoffzelle gefordert wird, ist jedoch der durch die verschiedenen Kühlkörper strömende Luftstrom möglicherweise nicht ausreichend, um einen ausreichenden Wärmeaustausch und eine ausreichende Wärmeübertragungskapazität zu gewährleisten, insbesondere mit der sogenannten Hochtemperaturschleife, die die höchste Wärmebelastung abzuführen hat. Das Kühlen der verdichteten Luft zur Versorgung der Brennstoffzelle ist somit nicht so gut, wodurch die maximal verfügbare Leistung und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verringert werden.
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Eines der Ziele der Erfindung besteht somit darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu beseitigen und ein verbessertes Wärmemanagementsystem für ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle vorzuschlagen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Wärmemanagementsystem für ein Elektrokraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, wobei das System Folgendes aufweist:
- – eine erste Wärmeregulierungsschleife, die als Niedrigtemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit einem Luftverdichter, der die Brennstoffzelle mit Luft versorgt,
- – mindestens einen ersten zugeordneten Kühlkörper, der auf Höhe der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist,
- – eine zweite Wärmeregulierungsschleife, die als Hochtemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle und
- – mindestens einen zweiten zugeordneten Kühlkörper, der auf Höhe der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist,
- – eine dritte Wärmeregulierungsschleife, die als Höchsttemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein drittes Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft, die aus dem Luftversorgungsverdichter stammt, und
- – einen dritten zugeordneten Kühlkörper, der auf Höhe der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist.
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Aufgrund der Tatsache, dass drei getrennte Wärmemanagementschleifen in dem Wärmemanagementsystem vorhanden sind und insbesondere eine dritte Schleife speziell für die verdichtete Luft, mit der die Brennstoffzelle versorgt wird, vorhanden ist, ist es möglich, die an der Vorderfläche des Elektrokraftfahrzeugs liegenden zugeordneten Kühlkörper bei maximaler Temperatur der verschiedenen Schleifen arbeiten zu lassen, wodurch eine Vermischung der Temperaturen der Wärmeträgerfluide verhindert wird. Jedes Organ wird somit nach Bedarf auf die maximal zulässige Temperatur gekühlt. Die verdichtete Versorgungsluft und die Brennstoffzelle werden somit unabhängig voneinander behandelt, wodurch die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle optimiert werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die erste Wärmeregulierungsschleife eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der Leistungselektronik des Elektrofahrzeugs auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zumindest ein erster zugeordneter Kühlkörper in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zumindest ein erster zugeordneter Kühlkörper in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die als Niedrigtemperaturschleife bezeichnete erste Wärmeregulierungsschleife mindestens zwei zugeordnete erste Kühlkörper auf, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei mindestens ein erster zugeordneter Kühlkörper in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist und mindestens ein weiterer erster zugeordneter Kühlkörper in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist mindestens ein zweiter zugeordneter Kühlkörper in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die als Hochtemperaturschleife bezeichnete zweite Wärmeregulierungsschleife mindestens zwei zweite zugeordnete Kühlkörper auf, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei mindestens ein zweiter zugeordneter Kühlkörper in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist und mindestens ein weiterer zweiter zugeordneter Kühlkörper in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der dritte zugeordnete Kühlkörper in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der dritte zugeordnete Kühlkörper in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in ein und demselben zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs der erste zugeordnete Kühlkörper stromaufwärts des zweiten oder dritten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet, bezogen auf die Zirkulationsrichtung sie durchströmenden Luftstroms.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in ein und demselben Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs der erste zugeordnete Kühlkörper stromaufwärts des zweiten oder dritten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet, bezogen auf die Zirkulationsrichtung des sie durchströmenden Luftstroms.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die zweite Hochtemperaturschleife außerdem einen zusätzlichen ersten Wärmetauscher auf, der parallel zur Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle geschaltet ist, wobei der erste zusätzliche Wärmetauscher in dem Strom der verdichteten Versorgungsluft am Ausgang des Versorgungsluftverdichters und stromabwärts der Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft der dritten Höchsttemperaturschleife angeordnet ist.
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Mit diesem ersten zusätzlichen Wärmetauscher ist es möglich, die verdichtete Versorgungsluft auf eine Temperatur nahe der Temperatur der Brennstoffzelle zu bringen und somit das Anheizen der Brennstoffzelle nach ihrem Starten zu beschleunigen und eine gleichmäßige Temperatur in der Brennstoffzelle für eine Verbesserung ihres Wirkungsgrads und ihrer Lebensdauer zu gewährleisten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft der dritten Höchsttemperaturschleife und der erste zusätzliche Wärmetauscher der zweiten Hochtemperaturschleife aneinander befestigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft der dritten Höchsttemperaturschleife und der erste zusätzliche Wärmetauscher der zweiten Hochtemperaturschleife in ein und demselben Wärmetauscher vereint, der einen ersten inneren Kreislauf für die Zirkulation des dritten Wärmeträgerfluids und einen zweiten inneren Kreislauf für die Zirkulation des zweiten Wärmeträgerfluids umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die zweite Hochtemperaturschleife außerdem einen zweiten zusätzlichen Wärmetauscher auf, der zwischen der Vorrichtung für einen Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle und dem bzw. den zweiten zugeordneten Kühlkörpern geschaltet ist, wobei der zweite zusätzliche Wärmetauscher in dem Brennstoffstrom angeordnet ist, der zur Brennstoffzelle gelangt.
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Mit diesem zweiten zusätzlichen Wärmetauscher kann der Brennstoffstrom, der zur Brennstoffzelle gelangt, auf eine Temperatur nahe der Temperatur der Brennstoffzelle gebracht werden, und somit kann deren Wirkungsgrad und Lebensdauer verbessert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Managementsystem ferner eine vierte Schleife zur Klimatisierung auf, in der ein Kühlfluid zirkuliert, wobei die vierte Klimatisierungsschleife Folgendes aufweist:
- – einen Verdichter,
- – einen Kondensator, der auf Höhe der Vorderfläche des Elektrokraftfahrzeugs angeordnet ist,
- – eine Druckminderungsvorrichtung und
- – einen Verdampfer, der in einer Vorrichtung zur Versorgung des Kraftfahrzeuginnenraums mit Luft angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kondensator in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs stromaufwärts des zugeordneten zweiten Kühlkörpers der zweiten Hochtemperaturschleife angeordnet, bezogen auf die Zirkulationsrichtung des sie durchströmenden Luftstroms.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kondensator in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs zwischen dem zweiten zugeordneten Kühlkörper der zweiten Hochtemperaturschleife und dem ersten zugeordneten Kühlkörper der ersten Niedrigtemperaturschleife angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die erste Niedrigtemperaturschleife und die vierte Klimatisierungsschleife einen ersten Bifluid-Wärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmeträgerfluid und dem Kühlfluid auf, wobei der erste Bifluid-Wärmetauscher in der vierten Klimatisierungsschleife stromaufwärts des Kondensators angeordnet ist.
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Dieser erste Bifluid-Wärmetauscher ermöglicht ein zusätzliches Kühlen des Kühlfluids der vierten Klimatisierungsschleife.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste Bifluid-Wärmetauscher in der ersten Niedrigtemperaturschleife stromaufwärts des ersten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste Bifluid-Wärmetauscher in der ersten Niedrigtemperaturschleife stromabwärts des ersten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die dritte Höchsttemperaturschleife und die vierte Klimatisierungsschleife einen zweiten Bifluid-Wärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen dem dritten Wärmeträgerfluid und dem Kühlfluid auf, wobei der zweite Bifluid-Wärmetauscher in der vierten Klimatisierungsschleife stromabwärts des Kondensators angeordnet ist.
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Dieser zweite Bifluid-Wärmetauscher ermöglicht auch ein zusätzlichen Kühlen des Kühlfluids der vierten Klimatisierungsschleife.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite Bifluid-Wärmetauscher in der dritten Höchsttemperaturschleife stromaufwärts des dritten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite Bifluid-Wärmetauscher in der dritten Welttemperaturschleife stromabwärts des dritten zugeordneten Kühlkörpers angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die zweite Hochtemperaturschleife außerdem Folgendes auf:
- – ein Dreiwegeventil, das stromabwärts der Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, und
- – einen zusätzlichen Wärmetauscher, der in einer Vorrichtung zur Versorgung des Kraftfahrzeuginnenraums mit Luft angeordnet ist,
wobei das Dreiwegeventil das zweite Wärmeträgerfluid, das aus der Vorrichtung für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle stammt, entweder direkt zu dem zweiten zugeordneten Kühlkörper oder zu dem zusätzlichen Wärmetauscher umleiten kann, wobei das zweite Kühlfluid anschließend zu dem zweiten zugeordneten Kühlkörper gelangt.
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Durch die Steuerung dieses Dreiwegeventils ist es somit möglich, die von der Brennstoffzelle abgegebene Wärme und auch einen Teil der Wärme der verdichteten Versorgungsluft für die Erwärmung eines Luftstroms zu nutzen, der in Richtung Kraftfahrzeuginnenraum strömt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die zweite Hochtemperaturschleife außerdem eine elektrische Vorrichtung zur Erwärmung des zweiten Wärmeträgerfluids auf, die zwischen dem Dreiwegeventil und dem zusätzlichen Wärmetauscher angeordnet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel angegeben ist, und durch die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Wärmemanagementsystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Wärmemanagementsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3a eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Wärmemanagementsystems gemäß einer dritten Ausführungsform,
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3b eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Wärmemanagementsystems gemäß einer vierten Ausführungsform.
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In den verschiedenen Figuren haben identische Elemente die gleichen Bezugszeichen.
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Bei der vorliegenden Beschreibung bedeutet "stromaufwärts angeordnet", dass ein Element bezogen auf die Zirkulationsrichtung eines Fluids vor einem anderen Element angeordnet ist. Im Gegensatz dazu bedeutet "stromabwärts angeordnet", dass ein Element bezogen auf die Zirkulationsrichtung des Fluids nach einem anderen Element angeordnet ist.
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Wie in 1 gezeigt, weist das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem 1 für ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle Folgendes auf:
- – eine erste Wärmeregulierungsschleife 100, die als Niedrigtemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung 101 für den Wärmeaustausch mit einem Luftverdichter, der die Brennstoffzelle mit Luft versorgt,
- – eine Vorrichtung 103 für den Wärmeaustausch mit der Leistungselektronik des Elektrokraftfahrzeugs,
- – mindestens einen ersten zugeordneten Kühlkörper 105, der auf Höhe der Vorderfläche 10 des Elektrokraftfahrzeugs angeordnet ist, und
- – eine erste Pumpe 107, die im Allgemeinen stromabwärts des ersten zugeordnete Kühlkörpers 105 angeordnet ist.
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In dieser ersten Niedrigtemperaturschleife 100 beträgt die durchschnittliche Temperatur des ersten Wärmeträgerfluids vor seinem Eintritt in den bzw. in die ersten zugeordneten Kühlkörper 105 maximal 70 °C.
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Unter Leistungselektronik ist die Elektronik zur Steuerung des Elektrofahrzeugs und seiner verschiedenen Organe, insbesondere des Wandlers sowie des Elektromotors und gegebenenfalls der Batterien zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem 1 für ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle weist Folgendes auf:
- – eine zweite Wärmeregulierungsschleife 200, die als Hochtemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle,
- – mindestens einen zweiten zugeordneten Kühlkörper 203, der auf Höhe der Vorderfläche 10 des Elektrokraftfahrzeugs angeordnet ist, und
- – eine zweite Pumpe 205, die im Allgemeinen stromabwärts des zweiten zugeordnete Kühlkörpers 203 angeordnet ist.
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In dieser zweiten Hochtemperaturschleife 200 beträgt die durchschnittliche Temperatur des zweiten Wärmeträgerfluids vor seinem Eintritt in den bzw. in die zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 zwischen 60 und 90 °C.
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Die zweite Hochtemperaturschleife 200 kann auch eine Deionisiereinrichtung 207 aufweisen, die beispielsweise mit der zweiten Pumpe 205 parallel geschaltet ist.
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Das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem 1 für ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle weist Folgendes auf:
- – eine dritte Wärmeregulierungsschleife 300, die als Höchsttemperaturschleife bezeichnet wird und in der ein drittes Wärmeträgerfluid zirkuliert und die Folgendes aufweist:
- – eine Vorrichtung 301 für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft, die aus dem Versorgungsluftverdichter stammt,
- – einen dritten zugeordneten Kühlkörper 303, der auf Höhe der Vorderfläche 10 des Elektrokraftfahrzeugs angeordnet ist, und
- – eine dritte Pumpe 305, die im Allgemeinen stromabwärts des dritten zugeordnete Kühlkörpers 303 angeordnet ist.
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In dieser dritten Höchsttemperaturschleife 300 ist die Temperatur des dritten Wärmeträgerfluids vor seinem Eintritt in den dritten zugeordneten Kühlkörper höher als die Temperatur des zweiten Wärmeträgerfluids am Ausgang der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle und hat somit eine durchschnittliche Temperatur von mehr als 90 °C.
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Aufgrund der Tatsache, dass drei getrennte Wärmemanagementschleifen in dem Wärmemanagementsystem 1 vorhanden sind und insbesondere eine dritte Schleife 300 speziell für die verdichtete Luft, mit der die Brennstoffzelle versorgt wird, vorhanden ist, ist es möglich, die an der Vorderfläche 10 des Elektrokraftfahrzeugs liegenden zugeordneten Kühlkörper 105, 203 und 303 bei maximaler Temperatur der verschiedenen Schleifen arbeiten zu lassen, wodurch eine Vermischung der Temperaturen der Wärmeträgerfluide verhindert wird. Jedes Organ wird somit nach Bedarf auf die maximal zulässige Temperatur gekühlt. Die verdichtete Versorgungsluft und die Brennstoffzelle werden somit unabhängig voneinander behandelt, wodurch die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle optimiert werden können.
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Um eine optimale Wärmeabfuhr zu haben und gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht ist, können ein erster zugeordnete Kühlkörper 105 und ein zweiter zugeordnete Kühlkörper 203 in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs, d.h. auf Höhe des Kühlergrills des Elektrofahrzeugs angeordnet sein.
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Der dritte zugeordnete Kühlkörper 303 ist seinerseits vorzugsweise in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs, d.h. an den Seiten der Vorderflächen auf Höhe der Radkästen angeordnet. Es kann jedoch auch in Erwägung gezogen werden, dass der dritte zugeordnete Kühlkörper 303 in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Ob in dem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs oder in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs, der dritte zugeordnete Kühlkörper 303 ist bezogen auf einen ersten 105 oder zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 in Richtung des Luftstroms 11 so weit wie möglich stromabwärts angeordnet. Die Temperatur des dritten Wärmeträgerfluids am Eingang des dritten zugeordneten Kühlkörpers 303 ist nämlich die höchste aus den Temperaturen des ersten und zweiten Wärmeträgerfluids am Eingang des ersten zugeordneten Kühlkörpers 105 bzw. des zweiten zugeordneten Kühlkörpers 203.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht ist, ist ein erster zugeordneter Kühlkörper 105 wie der dritte zugeordnete Kühlkörper 303 in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, kann die erste Niedrigtemperaturschleife 100 mindestens zwei erste zugeordnete Kühlkörper 105 aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Mindestens ein erster zugeordneter Kühlkörper 105 ist dann in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet, und mindestens ein weiterer erster zugeordneter Kühlkörper 105 ist in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Ebenso kann die zweite Hochtemperaturschleife 200 mindestens zwei zweite zugeordnete Kühlkörper 203 aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Mindestens ein zweiter zugeordnete Kühlkörper 203 ist dann in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet, und mindestens ein weiterer zweiter zugeordneter Kühlkörper 203 ist in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs angeordnet.
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Ob in dem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs oder in mindestens einem zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs, der erste zugeordnete Kühlkörper 105 ist bezogen auf einen zweiten 203 oder dritten zugeordneten Kühlkörper 303 in Richtung des Luftstroms 11 so weit wie möglich stromaufwärts angeordnet. Die Temperatur des ersten Wärmeträgerfluids am Eingang des ersten zugeordneten Kühlkörpers 105 ist nämlich die niedrigste aus den Temperaturen des zweiten und dritten Wärmeträgerfluids am Eingang des zweiten zugeordneten Kühlkörpers 203 bzw. des dritten zugeordneten Kühlkörpers 303.
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Somit ist in ein und demselben zusätzlichen Seitenmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs oder in ein und demselben Frontalmodul an der Vorderfläche des Elektrofahrzeugs der erste zugeordnete Kühlkörper 105 stromaufwärts des zweiten 203 oder dritten zugeordneten Kühlkörpers 303 angeordnet, bezogen auf die Zirkulationsrichtung des sie durchströmenden Luftstroms 11.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, kann die zweite Hochtemperaturschleife 200 auch einen zusätzlichen ersten Wärmetauscher 209 aufweisen, der mit der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle parallel geschaltet ist. Unter parallel geschaltet ist zu verstehen, dass wie bei den Anschlüssen auf dem elektrischen Gebiet die Eingänge für das dritte Wärmeträgerfluid der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle und des ersten zusätzlichen Wärmetauschers 209 beide mit dem Ausgang der zweiten Pumpe verbunden sind und ihre Ausgänge beide mit dem zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 verbunden sind. Der erste zusätzliche Wärmetauscher 209 ist im Strom der verdichteten Versorgungsluft 21 am Ausgang des Versorgungsluftverdichters stromabwärts der Vorrichtung 301 für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft der dritten Höchsttemperaturschleife 300 verbunden. Mit diesem ersten zusätzlichen Wärmetauscher 209 ist es möglich, die verdichtete Versorgungsluft auf eine Temperatur nahe der Temperatur der Brennstoffzelle zu bringen und somit das Anheizen der Brennstoffzelle nach ihrem Starten zu beschleunigen und eine gleichmäßige Temperatur in der Zelle zur Verbesserung ihres Wirkungsgrads und ihrer Lebensdauer zu gewährleisten.
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Die Vorrichtung 301 für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft der dritten Höchsttemperaturschleife 300 und der erste zusätzliche Wärmetauscher 209 der zweiten Hochtemperaturschleife 200 können einander befestigt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Vorrichtung 301 für den Wärmeaustausch mit der verdichteten Versorgungsluft und der erste zusätzliche Wärmetauscher 209 in ein und demselben Wärmetauscher vereint, der einen ersten inneren Kreislauf für die Zirkulation des dritten Wärmeträgerfluids und einen zweiten inneren Kreislauf für die Zirkulation des zweiten Wärmeträgerfluids umfasst.
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Die zweite Hochtemperaturschleife 200 kann auch einen zweiten zusätzlichen Wärmetauscher 214 aufweisen, der zwischen der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle und dem zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 angeschlossen ist. Dieser zweite zusätzliche Wärmetauscher 214 ist in dem Brennstoffstrom angeordnet, der zur Brennstoffzelle gelangt, um diesen auf eine Temperatur nahe der Temperatur der Brennstoffzelle zu bringen und somit deren Wirkungsgrad und Lebensdauer zu verbessern.
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Wie in 2 veranschaulicht, kann die zweite Hochtemperaturschleife 200 außerdem Folgendes aufweisen:
- – ein Dreiwegeventil 210, das stromabwärts der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, und
- – einen zusätzlichen Wärmetauscher 211, der in einer Vorrichtung zur Versorgung des Kraftfahrzeuginnenraums mit Luft angeordnet ist.
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Mit dem Dreiwegeventil 210 ist es möglich, das zweite Wärmeträgerfluid, das aus der Vorrichtung 201 für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle stammt, direkt zu dem zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 oder zu dem zusätzlichen Wärmetauscher 211 umzuleiten, wobei das zweite Kühlfluid anschließend zu dem zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 gelangt. Durch die Steuerung dieses Dreiwegeventils 209 ist es somit möglich, die von der Brennstoffzelle abgegebene Wärme und auch einen Teil der Wärme der verdichteten Versorgungsluft für die Erwärmung eines Luftstroms 31 zu nutzen, der in Richtung Kraftfahrzeuginnenraum strömt.
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Um diesen Aspekt der Erwärmung des Luftstroms 31, der in Richtung Kraftfahrzeuginnenraum strömt, zu verbessern, kann die zweite Hochtemperaturschleife 200 auch eine elektrische Vorrichtung 213 zur Erwärmung des zweiten Wärmeträgerfluids aufweisen, die zwischen dem Dreiwegeventil 209 und dem zusätzlichen Wärmetauscher 211 angeordnet ist.
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2 zeigt auch, dass das Wärmemanagementsystem 1 auch eine vierte Klimatisierungsschleife 400 aufweisen kann, in der ein Kühlfluid zirkuliert und die für das Wärmemanagement des Luftstroms 31 vorgesehen ist, der in Richtung Kraftfahrzeuginnenraum strömt.
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Die vierte Klimatisierungsschleife 400 weist insbesondere Folgendes auf:
- – einen Verdichter 401,
- – einen Kondensator 403, der auf Höhe der Vorderfläche 10 des Elektrokraftfahrzeugs und stromabwärts des Verdichters 401 angeordnet ist,
- – eine Druckminderungsvorrichtung 405, die stromabwärts des Kondensators 403 angeordnet ist, und
- – einen Verdampfer 407, der in einer Vorrichtung zur Versorgung des Kraftfahrzeuginnenraums mit Luft zwischen der Druckminderungsvorrichtung 405 und dem Verdichter 401 angeordnet ist.
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Der Kondensator 403 ist vorzugsweise in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs stromaufwärts des zweiten zugeordneten Kühlkörpers 203 der zweiten Hochtemperaturschleife 200 angeordnet, bezogen auf die Zirkulationsrichtung des sie durchströmenden Luftstroms 11.
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Wenn der erste zugeordnete Kühlkörper 105 der ersten Niedrigtemperaturschleife 100 auch in einem Frontalmodul an der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, ist der Kondensator 403 zwischen dem zweiten zugeordneten Kühlkörper 203 der zweiten Hochtemperaturschleife 200 und dem ersten zugeordneten Kühlkörper 105 der ersten Niedrigtemperaturschleife 100 angeordnet.
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In den 3a und 3b sind lediglich die miteinander verbundenen Schleifen vollständig veranschaulicht, um das Verständnis zu verbessern.
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Wie in 3a veranschaulicht, können die erste Niedrigtemperaturschleife 100 und die vierte Klimatisierungsschleife 400 einen ersten Bifluid-Wärmetauscher 501 für den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmeträgerfluid und dem Kühlfluid aufweisen. Dieser erste Bifluid-Wärmetauscher 501 ist in der vierten Klimatisierungsschleife 400 stromaufwärts des Kondensators 413 angeordnet. In der ersten Niedrigtemperaturschleife 100 kann der erste Bifluid-Wärmetauscher 501 ebenso stromaufwärts oder stromabwärts des ersten zugeordneten Kühlkörpers 105 angeordnet sein.
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Wie in 3b veranschaulicht, können die dritte Höchsttemperaturschleife 300 und die vierte Klimatisierungsschleife 400 auch einen zweiten Bifluid-Wärmetauscher 503 für den Wärmeaustausch zwischen dem dritten Wärmeträgerfluid und dem Kühlfluid aufweisen. Dieser zweite Bifluid-Wärmetauscher 503 ist in der vierten Klimatisierungsschleife 400 stromaufwärts des Kondensators 403 angeordnet. In der dritten Höchsttemperaturschleife 300 kann der zweite Bifluid-Wärmetauscher 503 sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des dritten zugeordneten Kühlkörpers 303 angeordnet sein.
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Dieser erste und zweite Bifluid-Wärmetauscher 501 und 503 ermöglichen ein zusätzliches Kühlen des Kühlfluids der vierten Klimatisierungsschleife 400. Wenn es sich nämlich bei dem Kühlfluid beispielsweise um CO2 handelt, kann es maximale Temperaturen von 150 °C erreichen, was viel höher ist als die Temperaturen des ersten Kühlfluids der ersten Niedrigtemperaturschleife 100 und auch des dritten Kühlfluids der dritten Höchsttemperaturschleife 300. Dieser erste und zweite Bifluid-Wärmetauscher 501 und 503 ermöglichen somit bei entsprechender Kühlung des Kühlfluids das Vorhandensein eines kleineren Kondensators 403.
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Es ist somit ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem 1 aufgrund des Vorhandenseins einer dritten Höchsttemperaturschleife 300, die für das Wärmemanagement der verdichteten Versorgungsluft vorgesehen ist, eine besseres Wärmemanagement des Elektrofahrzeugs ermöglicht.
