DE60018321T2

DE60018321T2 - Vorrichtung zur thermischen Regelung einer Antriebskette eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE60018321T2
Application number: DE60018321T
Authority: DE
Inventors: Daniel Cochennec; Marc Miscevic
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: FR2792578B1; ES2234535T3; EP1046535A1; DE60018321D1; EP1046535B1; FR2792578A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine thermische Regelungsvorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs zum Gegenstand. Diese Vorrichtung kann insbesondere in einem elektrischen oder hybriden Fahrzeug verwirklicht werden, welches eine Brennstoffzelle aufweist.
Die elektrochemische Reaktion, die sich in einer Brennstoffzelle zwischen dem Sauerstoff der Luft und dem Wasserstoff einstellt, erzeugt elektrischen Strom und Wasser. Die Elektrizität wird teilweise in einer Pufferbatterie gespeichert.
Der Wasserstoff ist jedoch häufig in einem Tank in flüssiger Form bei einer Temperatur von in etwa –250° C gespeichert, wobei es notwendig ist, dass der Wasserstoffstrom, welcher in die Batterie eintritt, eine Temperatur größer als 0° C hat, um ihre Vereisung in der Brennstoffzelle zu vermeiden.
Die Veröffentlichung US-5,577,747 stellt ein System vor, in welchem die Erwärmung des Wasserstoffs über einen Wärmetauscher durch eine Kühlmittelflüssigkeit mit Hilfs-Bestandteilen (Öl, Wellenformer) sichergestellt wird.
Die Batterie des Fahrzeugs bleibt jedoch durch Luft gekühlt, was eine Technik ist, welche sich nur als effizient erweist, wenn die Außentemperatur unterhalb der optimalen Betriebstemperatur der Batterie bleibt. Tatsächlich überträgt sich eine zu erhöhte Betriebstemperatur der Batterie in einem Leistungsverlust während dem Laden, ja sogar einer Unmöglichkeit eines Ladens der Batterie, wenn die äußere Temperatur zu hoch ist und/oder einer Verschlechterung ihrer Lebensdauer und ihrer Reichweite. Des Weiteren setzt die Kühlung durch Luft hauptsächlich einen Mechanismus eines Transfers bzw. Übertragung von Wärme durch Konvektion um, was einen beträchtlichen Temperaturgradienten in der Nähe der Wände voraussetzt und eine Erhöhung der Zeitcharakteristik der Übertragung von Wärme, was sich in die Speicherung von Wärme überträgt, welche in der thermischen Kapazität der Batterie erzeugt wird.
Des Weiteren entspricht die thermischen mittlere Leistung, welche in einer Traktionsbatterie bzw. Antriebsbatterie eines elektrischen Fahrzeugs erzeugt wird, im Verlaufe einer Fahrstrecke im Wesentlichen der Leistung, welche notwendig ist, um die Strömtemperatur des Wasserstoffs, welcher eine herkömmliche Brennstoffzelle versorgt, von –250° C auf +10° C zu bringen (typischer mittlerer Durchsatz in der Größenordnung von 0,2 g/s).
Es ist somit interessant, die thermischen Leistung, welche von der Batterie erzeugt wird, für das Wiederaufwärmen des Wasserstoffstroms zu versorgen, welcher die Brennstoffzelle versorgt, wobei die gegebenen Größenordnungen Leistungsgrößen ähnlich sind.
Hierfür hat die Erfindung eine Vorrichtung einer thermischen Steuerung bzw. Regelung einer Antriebskette eines Fahrzeugs zum Gegenstand, das mit einem Leistungsgenerator ausgestattet ist, einer Batterie und einem Flüssigkeitstank einer Versorgung des Generators, wobei der Tank und der Generator hydraulisch durch eine Versorgungsleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung des Generators thermisch mit einem Kühlkreis der Batterie zusammenwirkt.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, wirken der Kühlkreis der Batterie und der Versorgungskreis (bzw. Leitung) thermisch über einen Wärmetauscher zusammen.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, kann der Kühlkreislauf der Batterie hydraulisch über eine Abzweigungsleitung mit einem Kühlkreislauf eines Zusatzbauteils der Antriebskette verbunden werden.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, resultiert die Aktivierung der Abzweigungsleitung bzw. Bypassleitung aus einem Überschreiten einer Temperaturgrenze der Batterie.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, sind der Kühlkreislauf der Batterie und der Kühlkreislauf des Zusatzbauteils über ein Drei-Wege-Ventil untereinander verbunden, das durch ein Signal gesteuert wird, welches stellvertretend für die Temperatur der Batterie ist.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, ist ein Heizwiderstand in der Kühlleitung bzw. dem Kühlkreislauf der Batterie eingebaut.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung, ist ein Rückschlagventil in der Abzweigungsleitung eingebaut.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung offenbar unter einem sich Beziehen auf die einzige, beigefügte Figur, welche schematisch eine thermische Regelungsvorrichtung einer Antriebskette eines Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter einem sich Beziehen auf die einzige Figur, hat man einen Teil einer Antriebskette bzw. eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welcher einen Tank 1 einer Versorgungsflüssigkeit eines Leistungsgenerators 2 für eine Triebwerksgruppe 3 umfasst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsgenerator durch eine Brennstoffzelle gebildet, die mit Luft A und mit Wasserstoff H2 über eine Versorgungsleitung 11 bei einer Tempe ratur, die größer als 0° C ist, versorgt, um die Vereisung der Brennstoffzelle zu verhindern.
Der Wasserstoff ist in flüssiger Form bei einer Temperatur von in etwa –250° C in dem Tank 1 gespeichert. Der flüssige Wasserstoff wird, bevor er in die Brennstoffzelle eingespritzt wird, durch eine Wärmeübertragungs-Kühlflüssigkeit einer Batterie 4 auf Höhe eines Wärmetauschers 8 aufgewärmt. Die Wärmeübertragungs-Kühlmittelflüssigkeit der Batterie zirkuliert in einer Leitung 61. Ein Heizwiderstand 6, der in der Leitung 61 integriert ist, ermöglicht es, die Wärmeübertragungsflüssigkeit zu erwärmen, wenn die Temperatur der Batterie unzureichend ist, insbesondere beim Starten. Die Triebwerksgruppe 3 ist mit der Brennstoffzelle 2 und der Batterie 4 jeweils über elektrische Verbindungen 31 und 32 verbunden.
Es wurde ein Kühlkreislauf 5 von Zusatz- bzw. Hilfsbauteilen 52 des Fahrzeugs dargestellt, wie z.B. einen Wechselrichter, einen Kompressor und einen Radiator 51 bzw. Heizgerät. Eine Kühlmittelflüssigkeit zirkuliert in dem Kreislauf 5, wobei diese letztere über ein Drei-Wege-Ventil 7 angeschlossen werden kann. Dieses Ventil 7 wird durch einen Temperatursensor 410 der Batterie 4 über eine Verbindung 41 gesteuert. Das Ventil 7 und ein Rückschlagventil 9 stellen eine vollständige Dichtigkeit zwischen den Kreisläufen 5 und 71 sicher, wenn die zwei Kreisläufe unabhängig voneinander funktionieren müssen.
Die Betriebsweise der Vorrichtung wird nun dargestellt werden.
Die Belastungen, welchen die Batterie ausgesetzt wird, rufen ihre innere Erhitzung hervor, was ihre Kühlung erforderlich macht, damit die Batterie in optimalen Verwendungsbedingungen funktioniert.
Wenn die Erhitzung der Batterie ausreichend ist, werden die zwei Kreisläufe 5 und 61 über das Ventil 7 und das Ventil 9 (bzw. Klappenventil) isoliert. Die Wärme, welche von der Batterie durch die Kühlmittelflüssigkeit entzogen wird, die in dem Kreislauf 61 zirkuliert, ist somit ausreichend, um alleine auf Höhe des Wärmetauschers 8 das Übergehen des Wasserstoffs auf ein Enthalpieniveau, welches ausreichend ist, um für die Batterie 2 verwendbar zu sein. Die Abkühlung von Hilfsbauteilen 52 wird also lediglich durch den Heizkörper 51 sichergestellt.
Wenn die Batterie wenig belastet ist, erzeugt sie zu wenig Hitze bzw. Wärme, um das richtige Erwärmen des Wasserstoffes sicherzustellen. Ein Teil der Kühlmittelflüssigkeit des Kreislaufes 5 der Hilfsgeräte bzw. Hilfsbauteile 52 wird somit in Richtung zum Kreislauf 61 über das Ventil 7 abgezweigt, welches durch den Sensor 410 derart gesteuert wird, dass die Temperatur der Mischung der zwei Ströme am Eingang des Wärmetauschers 8 ausreichend für das Erwärmen des Wasserstoffes ist.
Die Kombination von zwei Kreisläufen 5 und 61 ermöglicht einen Wärmeübergang von Hilfsgeräten in Richtung zum Wasserstoff, was es ermöglicht, auf die Temperaturverwendungsbeschränkungen der Batterie zu antworten, und ausreichend den Wasserstoff wieder vor seinem Eintritt in die Brennstoffzelle zu erhitzen.
Wenn das Fahrzeug gestartet wird, kann die Wärme, welche von den Hilfsgeräten und der Batterie ausgestrahlt wird, temporär unzureichend für ein ausreichendes Erhitzen des Wasserstoffes sein. Um dieses Problem zu lösen, sind die zwei Kreisläufe 5 und 61 über das Ventil 7 und das Ventil 9 isoliert und die Kühlmittelflüssigkeit des Kreislaufes 61 wird auf eine ausreichende Temperatur gebracht, um den Wasserstoff durch die Heizung bzw. den Widerstand 6 zu erwärmen, der durch die Batterie 4 versorgt wird. Sobald die Temperatur der Kühlmittelflüssigkeit am Eingang des Wärmetauschers 8 ausreichend sein wird, wird der Widerstand 6 nicht mehr durch die Batterie 4 versorgt werden.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht nicht nur ein wirksames Abkühlen der Batterie, wobei man sich von der Temperaturbeschränkung der Au ßenluft befreit, die sehr unangenehm für Kühlsysteme mit Luft ist, sondern auch den Wasserstoff zu erwärmen, wie auch immer die Belastung der Batterie sei.
Des Weiteren kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung in jedem Fahrzeug angewendet werden, welches eine Kältequelle mit niedriger Temperatur aufweist.
Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, welches nur beispielhaft gegeben worden ist.
Das heißt, dass die Erfindung alle äquivalenten Techniken von Mitteln umfassen kann, die hier beschrieben wurden, sowie auch ihre Kombinationen, wenn diese in den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche fallen.

Claims

Vorrichtung zur thermischen Regelung einer Antriebskette bzw. eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das mit einem Generator für elektrische Energie ausgestattet ist, einer Batterie und einem Flüssigkeitstank zur Versorgung des Generators, wobei der Tank (1) und der Generator hydraulisch über eine Versorgungsleitung (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung des Generators thermisch mit einer Kühlleitung (61) der Batterie über einen Wärmetauscher (8) zusammenwirkt.
Regelungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitung (61) der Batterie (4) hydraulisch über eine Abzweigungsleitung (71) mit einer Nebenkühlleitung (8) der Antriebskette verbunden werden kann.
Regelungsvorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Abzweigungsleitung (71) aus dem Überschreiten einer Grenze bzw. eines Schwellenwerts der Temperatur der Batterie (4) resultiert.
Regelungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitung der Batterie und die Kühlleitung von Zubehörteilen über ein Drei-Wege-Ventil (7) untereinander verbunden sind, welches durch ein Signal gesteuert wird, das stellvertretend für die Temperatur der Batterie ist.
Regelungsvorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizwiderstand (6) in der Kühlleitung der Batterie eingebaut ist.
Regelungsvorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlag-Ventil (9) in der Abzweigungsleitung (71) eingebaut ist.