IT202100022877A1 - IMPROVED HEAT MANAGEMENT SYSTEM FOR A FUEL CELL VEHICLE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: ?SISTEMA DI GESTIONE DEL CALORE MIGLIORATO PER UN VEICOLO A CELLE A COMBUSTIBILE" of the patent for industrial invention entitled: ?IMPROVED HEAT MANAGEMENT SYSTEM FOR A FUEL CELL VEHICLE"
CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione riguarda un sistema di gestione del calore, in particolare un sistema di gestione del calore per un veicolo a celle a combustibile. The present invention relates to a heat management system, in particular a heat management system for a fuel cell vehicle.
La presente invenzione trova la sua applicazione preferita, sebbene non esclusiva, in un veicolo pesante quale un camion; si far? riferimento a questa applicazione a titolo esemplificativo di seguito. The present invention finds its preferred, though not exclusive, application in a heavy vehicle such as a truck; will you do? reference to this application by way of example below.
BACKGROUND DELL'INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION
I veicoli a celle a combustibile comprendono moduli di celle a combustibile che devono essere mantenuti entro un intervallo preimpostato di temperatura. Di conseguenza, i moduli di celle a combustibile devono essere raffreddati o devono essere riscaldati secondo il funzionamento del veicolo e le condizioni ambientali. Fuel cell vehicles include fuel cell modules that must be maintained within a pre-set temperature range. Consequently, the fuel cell modules have to be cooled or have to be heated depending on the vehicle operation and environmental conditions.
Inoltre, tale esigenza ? comune ad altri moduli operativi del veicolo quali le resistenze di frenatura, i moduli di cabina o batteria. Furthermore, this need? common to other vehicle operating modules such as brake resistors, cabin or battery modules.
Per fornire una gestione corretta delle temperature di tutti tali elementi, ciascuno di essi ? dotato di un sistema di gestione del calore specifico che prevede la presenza di scambiatori di calore, serbatoi di espansione e mezzi di ventilazione. To provide correct management of the temperatures of all these elements, each of them ? equipped with a specific heat management system which includes the presence of heat exchangers, expansion tanks and ventilation means.
I sistemi di gestione del calore summenzionati aumentano chiaramente la complessit? del veicolo, riducono gli spazi utili sullo stesso e aumentano i costi di fabbricazione. The aforementioned heat management systems clearly increase the complexity of the heat management systems. of the vehicle, reduce the useful spaces on it and increase manufacturing costs.
Inoltre, l'uso dei sistemi di gestione del calore noti prevede l'uso di energia elettrica riducendo pertanto l'efficienza del veicolo. Furthermore, the use of known heat management systems involves the use of electrical energy thus reducing the efficiency of the vehicle.
Pertanto, vi ? l'esigenza di gestire la trasmissione del calore in veicoli a celle a combustibile per migliorare l'efficienza del sistema risparmiando sui costi, riducendo gli ingombri e consentendo il funzionamento dei diversi sistemi operativi del veicolo. Therefore, there ? the need to manage heat transfer in fuel cell vehicles to improve system efficiency by saving costs, reducing footprint and enabling the operation of various vehicle operating systems.
Uno scopo della presente invenzione ? soddisfare le necessit? summenzionate in modo economico e ottimizzato. An object of the present invention ? meet the needs? mentioned above in an economical and optimized way.
RIEPILOGO DELL'INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
Lo scopo summenzionato viene conseguito mediante un sistema di gestione del calore come rivendicato nell'insieme allegato di rivendicazioni. The aforementioned object is achieved by a heat management system as claimed in the appended set of claims.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Per una migliore comprensione della presente invenzione, di seguito ? descritta una forma di realizzazione preferita, a titolo di esempio non limitativo, in riferimento ai disegni allegati in cui: For a better understanding of the present invention, below ? described a preferred embodiment, by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
? la figura 1 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione; ? figure 1 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention;
? la figura 2 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una prima condizione operativa; ? figure 2 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a first operating condition;
? la figura 3 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una seconda condizione operativa; ? figure 3 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a second operating condition;
? la figura 4 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una terza condizione operativa; ? figure 4 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a third operating condition;
? la figura 5 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una quarta condizione operativa; ? figure 5 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a fourth operating condition;
? la figura 6 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una quinta condizione operativa; e ? figure 6 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a fifth operating condition; And
? la figura 7 ? uno schema idraulico del sistema di gestione del calore secondo l'invenzione in una sesta condizione operativa. ? figure 7 ? a hydraulic diagram of the heat management system according to the invention in a sixth operating condition.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La figura 1 descrive in modo schematico un sistema di gestione del calore 1 per un veicolo pesante quale un camion (non mostrato). Fig. 1 schematically describes a heat management system 1 for a heavy vehicle such as a truck (not shown).
Il veicolo pesante comprende un modulo di celle a combustibile 2 che ? configurato, come noto, per fornire energia elettrica tramite reazione chimica tra idrogeno e ossigeno. Does the heavy vehicle include a fuel cell module 2 which ? configured, as is known, to supply electrical energy via a chemical reaction between hydrogen and oxygen.
Il veicolo pesante comprende inoltre un modulo di batteria 3 configurato per accumulare e consentire l'utilizzo dell'energia elettrica fornita dal modulo di celle a combustibile 2. The heavy vehicle further comprises a battery module 3 configured to store and allow the use of the electrical energy supplied by the fuel cell module 2.
Il veicolo pesante comprende inoltre mezzi di resistenza di frenatura 4 configurati per impartire una coppia di frenatura su un albero rotante, per frenare il veicolo, tramite produzione di energia elettrica e sua dissipazione sotto forma di calore. The heavy vehicle also comprises braking resistor means 4 configured to impart a braking torque to a rotating shaft, to brake the vehicle, by producing electrical energy and dissipating it in the form of heat.
Il veicolo pesante ? dotato di una cabina (non mostrata) per alloggiare un conducente durante l'uso del veicolo e pertanto il veicolo pesante comprende un riscaldatore di cabina 5 configurato per fornire calore allo spazio di alloggiamento della cabina. The heavy vehicle? equipped with a cabin (not shown) for accommodating a driver during use of the vehicle and therefore the heavy vehicle includes a cabin heater 5 configured to provide heat to the accommodation space of the cabin.
Secondo l'invenzione, il sistema di gestione del calore 1 ? configurato per collegare insieme a livello di fluido, almeno indirettamente, il modulo di celle a combustibile 2, il modulo di batteria 3, i mezzi di resistenza di frenatura 4, il riscaldatore di cabina 5, una pluralit? di scambiatore di calore 6, 7, 8 e almeno un serbatoio di espansione 9 tramite una pluralit? di condotti e mezzi di valvola per consentire il trasferimento di calore tra il modulo di celle a combustibile 4, il modulo di batteria 3, i mezzi di resistenza di frenatura 4 e il riscaldatore di cabina 5 in funzione della loro temperatura e del loro stato operativo. According to the invention, the heat management system 1 ? configured to fluidly connect together, at least indirectly, the fuel cell module 2, the battery module 3, the braking resistor means 4, the cabin heater 5, a plurality of of heat exchanger 6, 7, 8 and at least one expansion tank 9 through a plurality? of ducts and valve means for allowing heat transfer between the fuel cell module 4, the battery module 3, the braking resistor means 4 and the cabin heater 5 as a function of their temperature and their operating state .
In dettaglio, secondo la forma di realizzazione descritta vantaggiosa rappresentata nella figura 1, il sistema di gestione del calore 1 comprende una porzione di celle a combustibile 1' comprendente un primo condotto 11 e un secondo condotto 12 che collegano a livello di fluido il modulo di celle a combustibile 2 e un radiatore di celle a combustibile 6' a livello di fluido in serie l'uno rispetto all'altro. In detail, according to the described advantageous embodiment represented in Figure 1, the heat management system 1 comprises a portion of fuel cells 1' comprising a first duct 11 and a second duct 12 which connect the fuel cells 2 and a fluid level fuel cell cooler 6' in series with each other.
La porzione di celle a combustibile 1' pu? comprendere inoltre un condotto di bypass 13 interposto a livello di fluido tra il primo e il secondo condotto 11, 12 in parallelo rispetto al radiatore di celle a combustibile 6' per bypassare quest'ultimo. Vantaggiosamente, il condotto di bypass 13 ? collegato a livello di fluido al secondo condotto 12 tramite una giunzione a T mentre ? collegato al primo condotto 11 tramite mezzi di valvola 14 configurati per far scorrere il fluido verso il radiatore di celle a combustibile 6' e il condotto di bypass 13. The fuel cell portion 1' can? further comprising a bypass conduit 13 interposed at fluid level between the first and second conduits 11, 12 in parallel with the fuel cell radiator 6' to bypass the latter. Advantageously, the bypass duct 13 is connected at fluid level to the second duct 12 through a T junction while ? connected to the first conduit 11 by valve means 14 configured to flow the fluid to the fuel cell cooler 6' and the bypass conduit 13.
Inoltre, la porzione di celle a combustibile 1' ? dotata di mezzi di pompaggio 15 interposti a livello di fluido in uno tra il primo e il secondo condotto 11, 12, nella forma di realizzazione descritta nel secondo condotto 12, e configurati per mettere in ricircolo il flusso refrigerante tra i condotti 11, 12 e 13, in particolare dal radiatore di celle a combustibile 6' verso il modulo di celle a combustibile 2. Furthermore, the fuel cell portion 1' ? equipped with pumping means 15 interposed at fluid level in one of the first and second conduits 11, 12, in the embodiment described in the second conduit 12, and configured to recirculate the refrigerant flow between the conduits 11, 12 and 13, in particular from the fuel cell cooler 6' to the fuel cell module 2.
La porzione di celle a combustibile 1' pu? comprendere inoltre un serbatoio di espansione di celle a combustibile 9' collegato a livello di fluido ad uno tra il primo e il secondo condotto 11, 12, nella forma di realizzazione descritta al secondo condotto 12, a monte dei mezzi di valvola 15 e configurato per consentire l'espansione di fluido di condizionamento secondo la sua temperatura, come di per s? noto. The fuel cell portion 1' can? further comprise a fuel cell expansion tank 9' connected at fluid level to one of the first and second conduits 11, 12, in the embodiment described to the second conduit 12, upstream of the valve means 15 and configured to allow the expansion of conditioning fluid according to its temperature, as per s? known.
Il sistema di gestione del calore 1 comprende una porzione di batteria 1'' comprendente un primo condotto 21 e un secondo condotto 22 che collegano a livello di fluido il modulo di batteria 3 e un radiatore di batteria 6'' in serie l'uno rispetto all'altro. The heat management system 1 comprises a battery portion 1'' comprising a first duct 21 and a second duct 22 which fluidly connect the battery module 3 and a battery radiator 6'' in series with each other to the other.
La porzione di batteria 1'' comprende inoltre un condotto di bypass 23 interposto a livello di fluido tra il primo e il secondo condotto 21, 22 in parallelo rispetto al radiatore di batteria 6'' per bypassare quest'ultimo. Vantaggiosamente, il condotto di bypass 23 ? collegato a livello di fluido al secondo condotto 22 tramite una giunzione a T mentre ? collegato al primo condotto 21 tramite mezzi di valvola 24 configurati per far scorrere il fluido verso il radiatore di batteria 6'' o il condotto di bypass 23. La porzione di batteria 1'' comprende inoltre un raffreddatore 7 interposto a livello di fluido sul condotto di bypass 23. The battery portion 1'' further comprises a bypass conduit 23 interposed at the fluid level between the first and second conduits 21, 22 in parallel with respect to the battery radiator 6'' to bypass the latter. Advantageously, the bypass duct 23 is connected at fluid level to the second conduit 22 via a T junction while ? connected to the first duct 21 through valve means 24 configured to make the fluid flow towards the battery radiator 6'' or the bypass duct 23. The battery portion 1'' further comprises a cooler 7 interposed at the fluid level on the duct of bypass 23.
Si evidenzia che con raffreddatore 7 si intende un radiatore dotato di mezzi di condizionamento per aspirare attivamente il calore nell'ambiente mentre un dissipatore passivo ? concepito come un semplice radiatore dotato di mezzi di ventilazione per aspirare nell'ambiente calore senza l'uso di un apparecchio a ciclo di condizionamento. It should be noted that cooler 7 means a radiator equipped with conditioning means for actively sucking the heat into the environment while a passive heat sink ? conceived as a simple radiator equipped with ventilation means to suck heat into the environment without the use of an air conditioning cycle device.
Inoltre, la porzione di batteria 1'' ? dotata di mezzi di pompaggio 25 interposti a livello di fluido in uno tra il primo e il secondo condotto 21, 22, nella forma di realizzazione descritta nel primo condotto 21, e configurati per mettere in ricircolo il flusso refrigerante tra i condotti 21, 22 e 23, in particolare dal radiatore di batteria 6'' verso il modulo di batteria 4. Also, the 1'' drum portion? equipped with pumping means 25 interposed at fluid level in one of the first and second conduits 21, 22, in the embodiment described in the first conduit 21, and configured to recirculate the refrigerant flow between the conduits 21, 22 and 23, in particular from the battery radiator 6'' towards the battery module 4.
La porzione di batteria 1'' pu? comprendere inoltre un serbatoio di espansione di batteria 9'' collegato a livello di fluido a uno tra il primo e il secondo condotto 21, 22, nella forma di realizzazione descritta al primo condotto 21, a monte dei mezzi di pompaggio 25 e configurato per consentire l'espansione di fluido di condizionamento secondo la sua temperatura, come di per s? noto. The 1'' battery portion can? further comprise a battery expansion tank 9'' connected at fluid level to one of the first and second conduits 21, 22, in the embodiment described to the first conduit 21, upstream of the pumping means 25 and configured to allow the expansion of the conditioning fluid according to its temperature, as per s? known.
Il sistema di gestione del calore 1 comprende una porzione di resistenza di frenatura 1''' comprendente un primo condotto 31 e un secondo condotto 32 che collega a livello di fluido il riscaldatore di cabina 5 e i mezzi di resistenza di frenatura 4 in serie l'uno rispetto agli altri. The heat management system 1 comprises a braking resistor portion 1''' comprising a first duct 31 and a second duct 32 which connect at fluid level the cabin heater 5 and the braking resistor means 4 in series the one over the other.
La porzione di resistenza di frenatura 1''' ? dotata di mezzi di pompaggio 33 interposti a livello di fluido in uno tra il primo e il secondo condotto 31, 32, nella forma di realizzazione descritta nel secondo condotto 32, e configurati per mettere in ricircolo il flusso refrigerante tra i condotti 31 e 32, in particolare dal riscaldatore di cabina 5 verso i mezzi di resistenza di frenatura 4. The portion of the braking resistor 1''' ? equipped with pumping means 33 interposed at fluid level in one of the first and second conduits 31, 32, in the embodiment described in the second conduit 32, and configured to recirculate the coolant flow between the conduits 31 and 32, in particular from the cabin heater 5 towards the braking resistor means 4.
La porzione di resistenza di frenatura 1''' pu? comprendere inoltre un serbatoio di espansione di resistenza di frenatura 9''' collegato a livello di fluido ad uno tra il primo e il secondo condotto 31, 32, nella forma di realizzazione descritta al secondo condotto 32 a monte dei mezzi di pompaggio 33, e configurato per consentire l'espansione del fluido di condizionamento secondo la sua temperatura, come di per s? noto. The portion of the braking resistor 1'' can? further comprise a braking resistor expansion tank 9'' connected at fluid level to one of the first and second conduits 31, 32, in the embodiment described to the second conduit 32 upstream of the pumping means 33, and configured to allow the expansion of the conditioning fluid according to its temperature, as per s? known.
La porzione di resistenza di frenatura 1''' e la porzione di celle a combustibile 1', cos? come la porzione di batteria 1'' e la porzione di celle a combustibile 1' sono separate a livello di fluido l'una rispetto all'altra, ovvero il fluido di condizionamento della porzione di celle a combustibile 1' ? diverso rispetto al fluido di condizionamento che scorre nella porzione di resistenza di frenatura 1''' e nella porzione di batteria 1''. The braking resistor portion 1''' and the fuel cell portion 1', so? how the battery portion 1'' and the fuel cell portion 1' are fluidly separated from each other, i.e. the conditioning fluid of the fuel cell portion 1' ? different than the conditioning fluid flowing in the braking resistor portion 1''' and the battery portion 1''.
In particolare, la porzione di resistenza di frenatura 1''' comprende uno scambiatore di calore 8 configurato per consentire il trasferimento del calore tra i fluidi di condizionamento che scorrono nella porzione di celle a combustibile 1' e nella porzione di resistenza di frenatura 1'''. Di conseguenza, lo scambiatore di calore 8 ? progettato in modo da mantenere i due flussi di fluido di condizionamento separati l'uno rispetto all'altro. In particular, the braking resistor portion 1''' comprises a heat exchanger 8 configured to allow heat transfer between the conditioning fluids flowing in the fuel cell portion 1' and in the braking resistor portion 1' ''. Consequently, the heat exchanger 8 ? designed to keep the two conditioning fluid streams separate from each other.
Nella forma di realizzazione descritta, secondo la configurazione di cui sopra, lo scambiatore di calore 8 ? uno scambiatore di calore in controcorrente. In the embodiment described, according to the above configuration, the heat exchanger 8 is a counterflow heat exchanger.
Vantaggiosamente, la porzione di resistenza di frenatura 1''' e la porzione di batteria 1'' sono collegate a livello di fluido tramite una pluralit? di condotti di collegamento 41, 42, 43, 44, come descritto qui di seguito, pertanto il fluido di condizionamento che scorre nella porzione di resistenza di frenatura 1''' e nella porzione di batteria 1'' ? lo stesso. Advantageously, the braking resistor portion 1''' and the battery portion 1'' are connected at the fluid level via a plurality of of connecting ducts 41, 42, 43, 44, as described below, therefore the conditioning fluid flowing in the braking resistor portion 1''' and in the battery portion 1'' ? the same.
In dettaglio, il sistema di gestione del calore 1 comprende un primo condotto di collegamento 41 configurato per collegare a livello di fluido un punto sul secondo condotto 32 della porzione di resistenza di frenatura 1''' interposto a livello di fluido tra lo scambiatore di calore 8 e il riscaldatore di cabina 5, preferibilmente tramite un giunto a T, al secondo condotto 22 della porzione di batteria 1'' a valle del radiatore di batteria 6'', preferibilmente tramite mezzi di valvola 41'. In detail, the heat management system 1 comprises a first connection duct 41 configured to connect at the fluid level a point on the second duct 32 of the braking resistor portion 1''' interposed at the fluid level between the heat exchanger 8 and the cabin heater 5, preferably via a T joint, to the second duct 22 of the battery portion 1'' downstream of the battery radiator 6'', preferably via valve means 41'.
Inoltre, il sistema di gestione del calore 1 comprende un secondo condotto di collegamento 42 configurato per collegare a livello di fluido un punto sul primo condotto di collegamento 41, preferibilmente tramite un giunto a T, al primo condotto 21 della porzione di batteria 1'' in un punto interposto a livello di fluido tra il modulo di batteria 3 e il radiatore di batteria 6'', preferibilmente tramite mezzi di valvola 42'. Il secondo condotto di collegamento 42 ? inoltre collegato a livello di fluido tra il giunto a T summenzionato e i mezzi di valvola 42 al secondo condotto 32 della porzione di resistenza di frenatura 1'''. Furthermore, the heat management system 1 comprises a second connecting duct 42 configured to connect at fluid level a point on the first connecting duct 41, preferably via a T-joint, to the first duct 21 of the battery portion 1'' at a point interposed at the fluid level between the battery module 3 and the battery radiator 6'', preferably via valve means 42'. The second connecting duct 42 ? further fluid-level connected between the aforementioned T-joint and the valve means 42 to the second conduit 32 of the braking resistor portion 1'''.
Inoltre, il sistema di gestione del calore 1 comprende un terzo condotto di collegamento 43 configurato per collegare a livello di fluido un punto sul secondo condotto 32 della porzione di resistenza di frenatura 1''' interposto a livello di fluido tra il collegamento del secondo condotto di collegamento 42 e il serbatoio di espansione di resistenza di frenatura 9''', preferibilmente tramite un giunto a T, al primo condotto 21 della porzione di batteria 1'' in un punto interposto a livello di fluido tra il serbatoio di espansione di batteria 9'' e il radiatore di batteria 6'', preferibilmente tramite un giunto a T. Furthermore, the heat management system 1 comprises a third connection conduit 43 configured to connect at a fluid level a point on the second conduit 32 of the brake resistor portion 1''' interposed at a fluid level between the connection of the second conduit of connection 42 and the braking resistor expansion tank 9'', preferably via a T joint, to the first duct 21 of the battery portion 1'' at a point interposed at fluid level between the battery expansion tank 9'' and the 6'' battery cooler, preferably via a T-joint.
Inoltre, il sistema di gestione del calore 1 comprende un quarto condotto di collegamento 44 configurato per collegare a livello di fluido un punto sul primo condotto 31 della porzione di resistenza di frenatura 1''' interposto a livello di fluido tra il collegamento del terzo condotto di collegamento 43 e il serbatoio di espansione di resistenza di frenatura 9''' (e come rappresentato preferibilmente coincidente con il suo punto di collegamento fluidico), preferibilmente tramite un giunto a T, al secondo condotto 22 della porzione di batteria 1'' in un punto interposto a livello di fluido tra il radiatore di batteria 6'' e il condotto di bypass 23, preferibilmente tramite mezzi di valvola 44'. Furthermore, the heat management system 1 comprises a fourth connection conduit 44 configured to connect at a fluid level a point on the first conduit 31 of the braking resistor portion 1''' interposed at a fluid level between the connection of the third conduit connection 43 and the braking resistor expansion tank 9''' (and as shown preferably coincident with its fluidic connection point), preferably via a T-joint, to the second duct 22 of the battery portion 1'' in a point interposed at the fluid level between the battery radiator 6'' and the bypass duct 23, preferably via valve means 44'.
Il sistema di gestione del calore 1 ? inoltre dotato di valvole di intercettazione (on-off) configurate per consentire o impedire di conseguenza il flusso di fluido sul rispettivo condotto. The heat management system 1 ? also equipped with shut-off (on-off) valves configured to allow or consequently prevent the flow of fluid on the respective conduit.
In particolare, secondo la configurazione descritta, il sistema di gestione del calore 1 comprende: In particular, according to the configuration described, the heat management system 1 comprises:
- una prima valvola 31' interposta a livello di fluido sul secondo condotto 32 della porzione di resistenza di frenatura 1''' tra il collegamento del secondo condotto di collegamento 42 e lo scambiatore di calore 8; - a first valve 31' interposed at fluid level on the second duct 32 of the braking resistor portion 1''' between the connection of the second connection duct 42 and the heat exchanger 8;
- una seconda valvola 31'' interposta a livello di fluido sul primo condotto 31 della porzione di resistenza di frenatura 1''' tra il collegamento del terzo condotto di collegamento 43 e il riscaldatore di cabina 5; - a second valve 31'' interposed at fluid level on the first duct 31 of the braking resistor portion 1''' between the connection of the third connecting duct 43 and the cabin heater 5;
- una terza valvola 41'' interposta a livello di fluido sul primo condotto di collegamento 41 tra il collegamento del secondo condotto di collegamento 42 e la porzione di resistenza di frenatura 1'''; - a third valve 41'' interposed at fluid level on the first connection duct 41 between the connection of the second connection duct 42 and the braking resistor portion 1''';
- una quarta valvola 42'' interposta a livello di fluido sul secondo condotto di collegamento 42 tra il collegamento al primo condotto di collegamento 41 e alla porzione di resistenza di frenatura 1'''; e - a fourth valve 42'' interposed at fluid level on the second connection duct 42 between the connection to the first connection duct 41 and the braking resistor portion 1'''; And
- una quinta valvola 43' interposta a livello di fluido sul terzo condotto di collegamento 43. - a fifth valve 43' interposed at fluid level on the third connection duct 43.
Le valvole e i mezzi di pompaggio summenzionati descritti nelle porzioni e nei condotti sono preferibilmente controllati elettricamente tramite un'unit? di controllo elettronica, non mostrata, configurata per variarne lo stato. The aforementioned valves and pumping means described in the portions and conduits are preferably electrically controlled via a unit control unit, not shown, configured to vary its state.
In particolare, il veicolo da lavoro ? dotato di mezzi sensori di temperatura configurati per rilevare la temperatura del modulo di celle a combustibile 2, del modulo di batteria 3, dei mezzi di resistenza di frenatura 4 e del riscaldatore di cabina 5. Tali mezzi sensori sono collegati elettricamente all'unit? di controllo elettronica che comprende mezzi di elaborazione adatti per elaborare il valore di temperatura rilevato da questi ultimi e per controllare di conseguenza le valvole e i mezzi di pompaggio del sistema di gestione del calore 1. In particular, the work vehicle ? equipped with temperature sensor means configured to detect the temperature of the fuel cell module 2, of the battery module 3, of the braking resistor means 4 and of the cabin heater 5. These sensor means are electrically connected to the unit? electronic control system comprising processing means suitable for processing the temperature value sensed by the latter and for consequently controlling the valves and pumping means of the heat management system 1.
Il funzionamento del sistema di gestione del calore 1 descritto sopra ? il seguente. Does the heat management system 1 described above work? the following.
Secondo una prima modalit? operativa, mostrata nella figura 2, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 ? al di sotto di una soglia inferiore di temperatura, ovvero ? troppo freddo. Di conseguenza, i mezzi di resistenza di frenatura 4 forniscono un flusso di calore all'interno della porzione di resistenza di frenatura 1''' al fluido di condizionamento che scorre al suo interno. In particolare, le valvole 41'', 42'', 43', 44' e 42' non consentono al fluido di passare attraverso le stesse e pertanto il fluido di condizionamento scorre soltanto nei condotti 31, 32 portato dai mezzi di pompaggio 33. Il fluido di condizionamento riscaldato proveniente dai mezzi di resistenza di frenatura 4 passa attraverso lo scambiatore di calore 8 fornendo un flusso di calore al modulo di celle a combustibile che ne aumenta la temperatura. Tale condizione pu? essere mantenuta fino a quando ? necessario per aumentare la temperatura oltre la soglia inferiore summenzionata. Come mostrato, il flusso di calore fornito dai mezzi di resistenza di frenatura 4 pu? anche essere utilizzato facendolo passare nel riscaldatore di cabina 5 per fornire un flusso di calore alla cabina del veicolo, se anche quest'ultima ? troppo fredda. Durante tale operazione la porzione di batteria 1'' ? isolata dall'altra operazione e i mezzi di valvola 14 sono controllati per bypassare il radiatore di celle a combustibile 6'. According to a first modality? operational, shown in Figure 2, it is noted that the fuel cell module 2 is below a lower temperature threshold, i.e. ? too cold. Accordingly, the braking resistor means 4 supplies a heat flow inside the braking resistor portion 1''' to the conditioning fluid flowing therein. In particular, the valves 41'', 42'', 43', 44' and 42' do not allow the fluid to pass through them and therefore the conditioning fluid only flows in the ducts 31, 32 carried by the pumping means 33. The heated conditioning fluid from the braking resistor means 4 passes through the heat exchanger 8 providing a heat flow to the fuel cell module which increases its temperature. This condition can be maintained for how long? necessary to raise the temperature above the lower threshold mentioned above. As shown, the heat flux provided by the braking resistor means 4 can also be used by passing it into the cabin heater 5 to provide a heat flow to the vehicle cabin, if the latter is also ? too cold. During this operation, the battery portion 1'' ? isolated from the other operation and the valve means 14 is controlled to bypass the fuel cell cooler 6'.
Secondo una seconda modalit? operativa, mostrata nella figura 3, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 e il modulo di batteria 3 sono al di sotto di rispettive soglie inferiori di temperatura, ovvero sono troppo freddi. Di conseguenza, i mezzi di resistenza di frenatura 4 forniscono un flusso di calore all'interno della porzione di resistenza di frenatura 1''' al fluido di condizionamento che scorre al suo interno. In particolare, le valvole 41'', 42'', 43' non consentono al fluido di passare attraverso le stesse mentre le valvole 42' e 44' consentono il passaggio all'interno della porzione di batteria 1''. Pertanto, il fluido di condizionamento riscaldato proveniente dai mezzi di resistenza di frenatura 4 passa attraverso lo scambiatore di calore 8 fornendo un flusso di calore al modulo di celle a combustibile che ne aumenta la temperatura mentre parte viene deviata nel condotto 21 essendo cos? pompata verso il modulo di batteria 3 aumentandone anche la temperatura. Tali due flussi quindi si uniscono insieme a monte dei mezzi di pompaggio 13 e vengono inviati nuovamente verso i mezzi di resistenza di frenatura 4. Tale condizione pu? essere mantenuta fino a quando necessario per aumentare la temperatura oltre le soglie inferiori summenzionate. Come mostrato, il flusso di calore fornito dai mezzi di resistenza di frenatura 4 pu? anche essere utilizzato facendolo passare nel riscaldatore di cabina 5 per fornire un flusso di calore nella cabina del veicolo, se anche quest'ultima ? troppo fredda. Nel mentre i mezzi di valvola 14 sono controllati per bypassare il radiatore di celle a combustibile 6'. According to a second modality? operation, shown in FIG. 3 , it can be seen that the fuel cell module 2 and the battery module 3 are below respective lower temperature thresholds, i.e. they are too cold. Accordingly, the braking resistor means 4 supplies a heat flow inside the braking resistor portion 1''' to the conditioning fluid flowing therein. In particular, the valves 41'', 42'', 43' do not allow the fluid to pass through them while the valves 42' and 44' allow the passage inside the battery portion 1''. Thus, the heated conditioning fluid from the braking resistor means 4 passes through the heat exchanger 8 providing a heat flow to the fuel cell module which increases its temperature while part is diverted into the conduit 21 thus being pumped to battery module 3 while also increasing its temperature. These two flows then join together upstream of the pumping means 13 and are sent again towards the braking resistance means 4. This condition can? be maintained as long as necessary to raise the temperature above the lower thresholds mentioned above. As shown, the heat flux provided by the braking resistor means 4 can also be used by passing it into the cabin heater 5 to provide a heat flow in the vehicle cabin, if the latter is also ? too cold. Meanwhile, the valve means 14 is controlled to bypass the fuel cell cooler 6'.
Secondo una terza modalit? operativa, mostrata nella figura 4, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 e il modulo di batteria 3 sono al di sopra di rispettive soglie superiori di temperatura, ovvero sono troppo caldi, mentre i mezzi di resistenza di frenatura 4 non sono in funzione. In particolare, le valvole 24 e 42' sono controllate per consentire la circolazione di fluido di condizionamento soltanto tra il raffreddatore 7 e il modulo di batteria 3 mentre le valvole 41', 43', 31', 41'' sono controllate per includere nella porzione di resistenza di frenatura 1''' anche lo scambiatore di calore di batteria 6''. I mezzi di valvola 14 sono invece controllati per fare in modo che una grande parte del flusso di fluido di condizionamento scorra nel radiatore di celle a combustibile 6'. Quindi il calore proveniente dal modulo di batteria 3 viene trasferito al fluido di condizionamento che scorre verso il raffreddatore 7 in cui viene dissipato nell'ambiente. Invece, il modulo di celle a combustibile 2 fornisce calore al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di celle a combustibile 6', che dissipa il calore nell'ambiente. Mentre ritorna verso il modulo di celle a combustibile, parte del fluido di condizionamento scorre verso lo scambiatore di calore 8 sub-raffreddando e fornendo cos? un flusso di calore alla porzione di resistenza di frenatura 1'''. In quest'ultima tale calore scorre verso il radiatore di batteria 6'' e da l? viene dissipato nell'ambiente. Se necessario, parte di tale calore potrebbe essere utilizzata nel riscaldatore di cabina 5. According to a third modality? operation, shown in Figure 4, it is noted that the fuel cell module 2 and the battery module 3 are above respective upper temperature thresholds, i.e. they are too hot, while the braking resistor means 4 are not in function. In particular, the valves 24 and 42' are controlled to allow the circulation of conditioning fluid only between the cooler 7 and the battery module 3 while the valves 41', 43', 31', 41'' are controlled to include in the braking resistor portion 1'' also the battery heat exchanger 6''. Instead, the valve means 14 is controlled to cause a large part of the flow of conditioning fluid to flow into the fuel cell cooler 6'. Then the heat from the battery module 3 is transferred to the conditioning fluid flowing to the cooler 7 where it is dissipated into the environment. Instead, the fuel cell module 2 supplies heat to the conditioning fluid flowing to the fuel cell radiator 6', which dissipates the heat to the environment. While returning to the fuel cell module, some of the conditioning fluid flows to the heat exchanger 8 sub-cooling and thus providing a heat flow to the braking resistor portion 1'''. In the latter, this heat flows towards the 6'' battery radiator and from there? is dissipated into the environment. If necessary, part of this heat could be used in cabin heater 5.
Secondo una quarta modalit? operativa, mostrata nella figura 5, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 e il modulo di batteria 3 sono al di sopra delle rispettive soglie superiori di temperatura, ovvero sono troppo caldi, mentre i mezzi di resistenza di frenatura 4 sono in funzione. In particolare, le valvole 24 e 42' sono controllate per consentire la circolazione del fluido di condizionamento soltanto tra il raffreddatore 7 e il modulo di batteria 3 mentre le valvole 41', 43', 42'' sono controllate per includere nella porzione di resistenza di frenatura 1''' anche lo scambiatore di calore di batteria 6'' e per escludere lo scambiatore di calore 8. I mezzi di valvola 14 sono invece controllati per fare in modo che una grande parte del flusso di fluido di condizionamento scorra nel radiatore di celle a combustibile 6'. Quindi, il calore proveniente dal modulo di batteria 3 viene trasferito al fluido di condizionamento che scorre verso il raffreddatore 7 in cui viene dissipato nell'ambiente. Invece, il modulo di celle a combustibile 2 fornisce calore al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di celle a combustibile 6' che dissipa il calore nell'ambiente. D?altra parte i mezzi di resistenza di frenatura 4 forniscono calore al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di batteria 6'' ed ? dissipato nell?ambiente. Se necessario parte di tale calore potrebbe essere utilizzata nel riscaldatore di cabina 5. In questo caso, non mostrato nei disegni, la valvola 31'' ? aperta. Secondo una quinta modalit? operativa, mostrata nella figura 6, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 e il modulo di batteria 3 sono al di sopra di rispettive soglie superiori di temperatura, ovvero sono troppo caldi, mentre i mezzi di resistenza di frenatura 4 non sono in funzione. In particolare, le valvole 24 e 42' sono controllate per consentire la circolazione di fluido di condizionamento soltanto tra il raffreddatore 7 e il modulo di batteria 3 mentre le valvole 41', 43', 42'' sono controllate per includere nella porzione di resistenza di frenatura 1''' anche lo scambiatore di calore di batteria 6'' e per escludere lo scambiatore di calore 8. I mezzi di valvola 14 sono invece controllati per fare in modo che una grande parte del flusso di fluido di condizionamento scorra nel radiatore di celle a combustibile 6'. Quindi il calore proveniente dal modulo di batteria 3 viene trasferito al fluido di condizionamento che scorre verso il raffreddatore 7 in cui viene dissipato nell'ambiente. Invece, il modulo di celle a combustibile 2 fornisce calore al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di celle a combustibile 6' che dissipa il calore nell'ambiente. According to a fourth modality? operation, shown in Figure 5, it is noted that the fuel cell module 2 and the battery module 3 are above their respective upper temperature thresholds, i.e. they are too hot, while the braking resistor means 4 are in operation . In particular, the valves 24 and 42' are controlled to allow circulation of the conditioning fluid only between the cooler 7 and the battery module 3 while the valves 41', 43', 42'' are controlled to include in the resistance portion of braking 1''' also the battery heat exchanger 6'' and to exclude the heat exchanger 8. The valve means 14 are instead controlled to ensure that a large part of the flow of conditioning fluid flows in the radiator of fuel cells 6'. Then, the heat from the battery module 3 is transferred to the conditioning fluid flowing to the cooler 7 where it is dissipated to the environment. Instead, the fuel cell module 2 supplies heat to the conditioning fluid flowing to the fuel cell radiator 6' which dissipates the heat to the environment. On the other hand, the braking resistor means 4 supplies heat to the conditioning fluid which flows towards the battery radiator 6'' and ? dissipated in the environment. If necessary, part of this heat could be used in the cabin heater 5. In this case, not shown in the drawings, the valve 31'' ? open. According to a fifth modality? operation, shown in Figure 6, it is noted that the fuel cell module 2 and the battery module 3 are above respective upper temperature thresholds, i.e. they are too hot, while the braking resistor means 4 are not in function. In particular, the valves 24 and 42' are controlled to allow the circulation of conditioning fluid only between the cooler 7 and the battery module 3 while the valves 41', 43', 42'' are controlled to include in the resistance portion of braking 1''' also the battery heat exchanger 6'' and to exclude the heat exchanger 8. The valve means 14 are instead controlled to ensure that a large part of the flow of conditioning fluid flows in the radiator of fuel cells 6'. Then the heat from the battery module 3 is transferred to the conditioning fluid flowing to the cooler 7 where it is dissipated into the environment. Instead, the fuel cell module 2 supplies heat to the conditioning fluid flowing to the fuel cell radiator 6' which dissipates the heat to the environment.
D'altra parte il fluido di condizionamento scorre per ragioni di sicurezza nella porzione di resistenza di frenatura 1''' senza fornire scambi di calore. On the other hand, the conditioning fluid flows for safety reasons in the braking resistor portion 1''' without providing heat exchanges.
Secondo una sesta modalit? operativa, mostrata nella figura 7, si rileva che il modulo di celle a combustibile 2 e il modulo di batteria 3 sono al di sopra di rispettive soglie superiori di temperatura, ovvero sono troppo caldi, mentre i mezzi di resistenza di frenatura 4 non sono in funzione. In particolare, le valvole 24 e 42' sono controllate per consentire la circolazione di fluido di condizionamento soltanto tra il radiatore di batteria 6'' e il modulo di batteria 3 mentre le valvole 41'', 43', 31'' sono controllate per far circolare il fluido di condizionamento nella porzione di resistenza di frenatura 1''' soltanto tra i mezzi di resistenza di frenatura 4 e il riscaldatore di cabina 5. I mezzi di valvola 14 sono invece controllati per fare in modo che una grande parte del flusso di fluido di condizionamento scorra nel radiatore di celle a combustibile 6'. Quindi il calore proveniente dal modulo di batteria 3 viene trasferito al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di batteria 6'' in cui viene dissipato nell'ambiente. Invece, il modulo di celle a combustibile 2 fornisce calore al fluido di condizionamento che scorre verso il radiatore di celle a combustibile 6' che dissipa il calore nell'ambiente. D'altra parte il fluido di condizionamento scorre per ragioni di sicurezza nella porzione di resistenza di frenatura 1''' senza fornire scambi di calore. According to a sixth modality? operation, shown in Figure 7, it is noted that the fuel cell module 2 and the battery module 3 are above respective upper temperature thresholds, i.e. they are too hot, while the braking resistor means 4 are not in function. In particular, the valves 24 and 42' are controlled to allow the circulation of conditioning fluid only between the battery radiator 6'' and the battery module 3 while the valves 41'', 43', 31'' are controlled to circulate the conditioning fluid in the braking resistor portion 1''' only between the braking resistor means 4 and the cabin heater 5. The valve means 14, on the other hand, is controlled so that a large part of the flow of conditioning fluid flows into the fuel cell cooler 6'. Then the heat coming from the battery module 3 is transferred to the conditioning fluid which flows towards the battery radiator 6'' where it is dissipated into the environment. Instead, the fuel cell module 2 supplies heat to the conditioning fluid flowing to the fuel cell radiator 6' which dissipates the heat to the environment. On the other hand, the conditioning fluid flows for safety reasons in the braking resistor portion 1''' without providing heat exchanges.
Alla luce di quanto precede, i vantaggi di un sistema di gestione del calore per un veicolo a celle a combustibile secondo l'invenzione sono evidenti. In view of the foregoing, the advantages of a heat management system for a fuel cell vehicle according to the invention are evident.
Grazie al sistema di gestione del calore proposto in cui tutti gli elementi operativi del veicolo sono collegati insieme a livello di fluido, ? possibile consentire efficientemente il trasferimento di calore secondo le loro necessit?. Thanks to the proposed heat management system in which all operating elements of the vehicle are fluidly connected together, ? It is possible to efficiently allow heat transfer according to their needs.
Inoltre, dato che il circuito di condizionamento di celle a combustibile ? separato a livello di fluido rispetto al circuito di condizionamento di batteria e di resistenza di frenatura, non vi ? alcun problema di contaminazione che potrebbe portare a usura per via di reazioni chimiche nei condotti. Furthermore, given that the fuel cell conditioning circuit ? separate at the level of fluid with respect to the conditioning circuit of the battery and the braking resistor, there ? no contamination issues that could lead to wear and tear from chemical reactions in the lines.
Grazie alla combinazione di tutti gli elementi insieme ? possibile: Thanks to the combination of all elements together ? possible:
- utilizzare il calore della cella a combustibile e/o della resistenza di frenatura per riscaldare la cabina del veicolo e/o il modulo di batteria; e - use the heat from the fuel cell and/or the braking resistor to heat the vehicle cabin and/or the battery module; And
- utilizzare gli scambiatori di calore del modulo di batteria e/o della resistenza di frenatura/del riscaldatore di cabina come scambiatori di calore aggiuntivi per raffreddare la cella a combustibile e/o la resistenza di frenatura (e anche il modulo di batteria, se necessario). - use the heat exchangers of the battery module and/or the brake resistor/cab heater as additional heat exchangers to cool the fuel cell and/or the brake resistor (and also the battery module if necessary ).
Alla luce di quanto precede, pu? essere sufficiente utilizzare radiatori (ovvero scambiatori di calore passivi) al posto di utilizzare raffreddatori che necessitano di mezzi di condizionamento attivi, salvo che per circostanze eccezionali. In the light of the foregoing, can be sufficient to use radiators (i.e. passive heat exchangers) instead of using coolers which require active conditioning means, except in exceptional circumstances.
Di conseguenza, non solo il sistema di gestione del calore ? compatto e richiede meno elementi, essendo cos? meno costoso, ma, inoltre, consente di ridurre il consumo energetico sul veicolo. As a result, not only the heat management system ? compact and requires fewer elements, being cos? less expensive, but also allows you to reduce energy consumption on the vehicle.
? evidente che possono essere apportate modifiche al sistema di gestione del calore descritto per un veicolo a celle a combustibile che non si estendano oltre l'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni. ? It is clear that modifications can be made to the heat management system described for a fuel cell vehicle which do not extend beyond the scope defined by the claims.
Per esempio, la topologia relativa di condotti, mezzi di valvola e di pompaggio pu? essere variata secondo la tipologia e la dimensione degli elementi del veicolo. For example, the relative topology of piping, valve and pumping means can be varied according to the type and size of the vehicle elements.
Inoltre, lo scambiatore di calore e i mezzi di pompaggio, cos? come i mezzi sensori di temperatura, possono essere di qualsiasi tipologia. Furthermore, the heat exchanger and the pumping means, as well as like the temperature sensing means, they can be of any type.
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