DE10201741A1 - Fahrzeug mit einer Klimatisierung und einer Wärmequelle - Google Patents

Fahrzeug mit einer Klimatisierung und einer Wärmequelle

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DE10201741A1
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Klaus Harm
Alfons Rennefeld
Juergen Wertenbach
Frank Fruehauf
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage und einer Wärmequelle, wobei ein Medienkreislauf die Klimaanlage und die Wärmequelle mit einem gemeinsamen Medium zum Kühlen und/oder Heizen beaufschlagt, wobei Mittel zum Expandieren und zum Komprimieren des Mediums im Medienkreislauf vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zum Temperieren des Fahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Klimatisierung und einer Wärmequelle sowie ein Verfahren zum Heizen und Kühlen eines Fahrzeugs.
  • Bei heutigen Brennstoffzellenfahrzeugen wird die gesamte Abwärme im Fahrzeug über ein zentrales Kühlmodul an die Umgebungsluft abgeführt. Bei hohen Umgebungstemperaturen und kritischen Fahrbedingungen, wie Bergfahrt oder Hängerbetrieb, kann die Fahrleistung dadurch eingeschränkt werden. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen fehlt das treibende Tempetaturgefälle für eine ausreichend hohe Wärmeabfuhr. Die Wärmeabfuhr wird zusätzlich durch den hohen Strömungswiderstand verschlechtert, da die Wärmetauscher im Kühlmodul lufthydraulisch in Serie geschaltet sind. Bei tiefen Außentemperaturen dagegen liegt bei Brennstoffzellenfahrzeugen ein Wärmedefizit vor, welches sich besonders bei Kaltstart oder im Teillastbetrieb bemerkbar macht. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zusätzliche Heizmittel wie Wasserstoff- oder Methanol-Brenner einzusetzen, um dieses Wärmedefizit auszugleichen.
  • In der älteren Patentanmeldung DE 101 52 233 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem eine Wärmepumpe eingesetzt wird, um die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Dabei kann auch bei höheren Außentemperaturen effektiv Wärme aus dem System abgeführt werden.
  • Aus der DE 43 04 076 C2 ist Elektrofahrzeug mit einer Klimaanlage bekannt, bei der der Fahrzeuginnenraum entfeuchtet wird, indem die feuchte Zuluft durch ein Adsorbens strömt und getrocknet wird.
  • Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage und einer Wärmequelle anzugeben, bei dem bei hohen Außentemperaturen sowohl komfortable Klimabedingungen als auch eine ausreichende Kühlung der Wärmequellen ermöglicht wird und bei niedrigen Außentemperaturen ein Wärmedefizit leicht ausgeglichen werden kann, sowie ein Verfahren zum Heizen und Kühlen des Fahrzeugs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird für ein Fahrzeug durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für ein Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 18 gelöst.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß sowohl eine Kühlung der Wärmequelle als auch eine Klimatisierung des Fahrzeugs mit demselben Medium ermöglicht wird. Mit einem einzigen Kältekreislauf können zeitgleich mehrere Kühl- und/oder Heizfunktionen abgestimmt auf den Bedarf der einzelnen Wärmequellen und/oder Wärmesenken im System erfüllt werden. Weiterhin wird die Zahl der notwendigen Kühlkreisläufe im Fahrzeug reduziert. Eine Beheizung kann bedarfsgerecht und selektiv vorgenommen werden. Weiterhin ist es möglich, auf einfache Weise die Zahl der Wärmeverbraucher im System nach Belieben zu erweitern. Die Fahrleistung insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs bei hohen Außentemperaturen wird verbessert.
  • Ganz besonders vorteilhaft wird die Erfindung in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem eingesetzt. Bei niedrigen Außentemperaturen kann gegenüber einem elektrisch beheizten Fahrzeug die Reichweite des Fahrzeugs durch Einkoppeln von Umgebungswärme im Wärmepumpenbetrieb vergrößert werden.
  • Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung und den weiteren Ansprüchen enthalten.
  • Die Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
  • Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines bevorzugten Kältekreislaufes für hohe Außentemperaturen,
  • Fig. 2 eine Prinzipschaltung eines bevorzugten erweiterten Kältekreislaufes für hohe Außentemperaturen,
  • Fig. 3 eine Prinzipschaltung eines bevorzugten Kältekreislaufes bei niedrigen Außentemperaturen, und
  • Fig. 4 eine Prinzipschaltung eines bevorzugten erweiterten Kältekreislaufes bei niedrigen Außentemperaturen.
  • Ein Fahrzeug gemäß der Erfindung weist eine Klimaanlage und eine Wärmequelle auf, welche zu kühlen ist. Eine solche Wärmequelle kann z. B. ein Ladeluftkühler eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugs sein, bei dem die erhitzte, verdichtete Luft gekühlt werden muss.
  • Ein besonders bevorzugtes Fahrzeug weist als eine Wärmequelle ein Brennstoffzellensystem auf. Im folgenden ist die Erfindung anhand eines derartigen Fahrzeugs beschrieben, bei dem die Wärmequelle zumindest eine zu kühlende Komponente des Brennstoffzellensystems ist. Das Brennstoffzellensystem kann zur Versorgung des Fahrantriebs oder auch als Nebenaggregatversorgung des Fahrzeugs eingesetzt sein. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit mit einer anodenseitigen Zuführleitung für Brennmittel zur Brennstoffzelleneinheit und einen anodenseitigen Anodenabgasleitung zur Abfuhr des Anodenabgases aus der Brennstoffzelleneinheit, einer kathodenseitigen Zuführleitung für Oxidationsmittel zur Brennstoffzelleneinheit und einer kathodenseitigen Kathodenabgasleitung zur Abfuhr des Kathodenabgases aus der Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem kann auch ein Gaserzeugungssystem aufweisen, in dem ein Brennmittel, vorzugsweise Wasserstoff, aus einem Brennstoff erzeugt wird, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik geläufig ist.
  • Gemäß der Erfindung ist die Klimaanlage und zumindest eine Komponente des Brennstoffzellensystems durch einen Medienkreislauf mit einem gemeinsamen Medium zum Kühlen und/oder Heizen beaufschlagt. Besonders bevorzugt ist das Medium im Medienkreislauf bei Normalbedingungen gasförmig, besonders bevorzugt wird als Medium Kohlendioxid verwendet. Unter Normalbedingungen werden Umgebungsbedingungen von 1 Atmosphäre und etwa 20°C verstanden. Ein gasförmiges Medium hat den großen Vorteil, daß durch Komprimieren und Entspannen des Gases sowohl Druck als auch Temperatur des Gases leicht über große Bereiche verändert werden kann. Dabei kann das Medium auch seinen Aggregatszustand verändern und z. B. vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen. Die große Temperaturspreizung ermöglicht unter Verwendung desselben Mediums ein Kühlen und Heizen von Komponenten. Kohlendioxid als Medium ist besonders für Fahrzeuge geeignet, da es ungiftig und unbrennbar ist und so einen günstigen Sicherheitsstandard bietet.
  • Eine Prinzipschaltung eines bevorzugten Medienkreislaufs ist in Fig. 1 dargestellt. Details des Brennstoffzellensystems sind nicht dargestellt. Die gezeigte Prinzipschaltung ist besonders für den Sommerbetrieb geeignet, wenn bei hohen Außentemperaturen vor allem eine Kühlung im Fahrzeug erwünscht ist.
  • Ein erster Zweig 1 des Medienkreislaufs verläuft zwischen einer Zusammenführung 5 und einer Verzweigung 6. Der Medienkreislauf verzweigt an der Verzweigung 6 in einen ersten Teilkreislauf 2 und einen zweiten Teilkreislauf 3, die an der Zusammenführung 5 wieder zusammengeführt werden. Der erste Teilkreislauf 2 ist dem Brennstoffzellensystem und der zweite Teilkreislauf 3 der Klimaanlage des Fahrzeugs zugeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Kondensator als Komponente 8 zum Abkühlen von Kathodenabluft der Brennstoffzelleneinheit in der Kathodenabgasleitung angeordnet. Dieser Kondensator 8 wird durch das Medium gekühlt, welches den ersten Teilkreislaufs 2 durchströmt. Dabei wird Prozesswasser aus dem Brennstoffzellenabgas auskondensiert. Da das bei der Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit entstehende Produktwasser zum größten Teil in der Kathodenabluft anfällt, ist eine Kühlung der Kathodenabluft besonders günstig, um Prozesswasser zurückzugewinnen. Dieses kann dem Brennstoffzellensystem zur Prozessgasbefeuchtung oder zur Durchführung chemischer Reaktionen in bekannter Weise für bekannte Zwecke zurückgeführt werden. Eine entsprechende Komponente kann jedoch auch in der Anodenabgasleitung angeordnet sein. Gegenüber einem konventionellen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems kann gemäß der Erfindung die Kondensationsleistung des Kondensators präziser und spontaner geregelt werden.
  • Es kann jedoch auch eine wärmetauschende Komponente eines dem Brennstoffzellensystem zugeordneten Gaserzeugungssystems zur Erzeugung von Brennmittel für die Brennstoffzelleneinheit vom Medium des ersten Teilkreislaufs 2 durchströmt und in dieser Weise gekühlt werden, vorzugsweise eine Stufe zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxidverunreinigungen oder andere Komponenten, bei denen Abwärme anfällt, die entsorgt werden muss. Ebenso kann z. B. die Brennstoffzelleneinheit bereichsweise vom Medium des ersten Teilkreislaufs 2 durchströmt werden.
  • Im ersten Zweig 1 sind zwischen Zusammenführung 5 und Verzweigung 6 in Strömungsrichtung des Mediums aufeinander folgend ein Verdichter 10, ein erster Wärmetauscher 11 und ein drittes Ventil 12 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 11 ist vorzugsweise ein Luftkühler, bei dem Umgebungsluft durchströmt und mit dem Medium thermische Energie tauscht. Der Verdichter 10 verdichtet das Medium auf einen hohen Druck, wobei es sich entsprechend erwärmt. Im ersten Wärmetauscher 11 wird das Medium abgekühlt und Wärme an die Umgebung abgegeben. Dann passiert das Medium das dritte Ventil 12, vorzugsweise ein offenes Expansionsventil. Der Medienmassenstrom kann sich abhängig vom Kältebedarf in den Teilkreisläufen 2, 3 auf diese aufteilen.
  • Im ersten Teilkreislauf 2 ist in Strömungsrichtung des Mediums stromauf der Komponente 8 des Brennstoffzellensystems ein erstes Ventil 7 angeordnet. Dieses entspannt das Medium auf einen vorgegebenen ersten Druck p1. Dadurch wird das Medium auf eine erste Temperatur T1 abgekühlt. Stromab der Komponente 8 ist ein zweites Ventil 9 angeordnet, welches das Medium auf einen zweiten Druck p2 entspannt. Dieser zweite Druck entspricht dem Druck des Mediums im zweiten Teilkreislauf 3 im Bereich der Zusammenführung 5. Das vom ersten Ventil 7 auf ein Zwischendruckniveau entspannte Medium nimmt in der Komponente 8 Wärme auf, bevor es vom zweiten Ventil 9 auf den niedrigeren Druck p2 entspannt wird. In dem bevorzugten Kondensator 8 wird die feuchte Prozessluft abgekühlt und entfeuchtet. Ventil 7 kann regelbar sein oder ein einfaches, fest eingestelltes Ventil. Vorzugsweise ist Ventil 9 ein regelbares Ventil. Ist neben Ventil 9 auch das Ventil 7 regelbar, so kann dadurch die Kälteleistung an der Komponente 8 besser geregelt werden und eine Regelung der Anlage entweder auf den Betriebspunkt maximale Effizienz oder den Betriebspunkt maximale Kälte- bzw. Heizleistung erzielt werden. Dies gilt auch für weitere, der Komponente 8 entsprechende Wärmeverbraucher. Mittels regelbarer Ventile stromauf und stromab eines Wärmeverbrauchers kann die Kälteleistung am einzelnen Wärmeverbraucher gezielt eingestellt werden.
  • Im zweiten Teilkreislauf 3 sind, in Strömungsrichtung des Mediums aufeinander folgend, ein zweiter Wärmetauscher 13, ein viertes Ventil 14 und ein dritter Wärmetauscher 15 angeordnet, wobei das Medium durch einen ersten Bereich 13a des zweiten Wärmetauschers 13 strömt. Nach der Passage durch den dritten Wärmetauscher 15 strömt das Medium im Teilkreislauf 3 dann zwischen dem vierten Ventil 14 und der Zusammenführung 5 durch einen zweiten Bereich 13b des zweiten Wärmetauschers 13. Dieser zweite Wärmetauscher 13 dient als innerer Wärmetauscher und erwärmt das Medium auf dem Weg zum Verdichter 10 wieder auf und kühlt gleichzeitig das Medium, welches in den zweiten Teilkreislauf 3 eintritt, ab. Beim Passieren des vierten Ventils 14, vorzugsweise ein Expansionsventil, kühlt das Medium im inneren Wärmetauscher 13 abgekühlte Medium durch Entspannen weiter ab, bevor es den dritten Wärmetauscher 15 passiert. Ein bevorzugtes Temperaturniveau liegt zwischen 10°C und 0°C. Der dritte Wärmetauscher 15 ist vorzugsweise dem Innenraum des Fahrzeugs zugeordnet. In diesem dritten Wärmetauscher 15 nimmt das Medium Energie aus der Zuluft zum Innenraum auf, kühlt und trocknet diese, bevor es zum zweiten Mal den zweiten Wärmetauscher 13 im zweiten bereich 13b passiert, dort überhitzt wird und schließlich wieder zum Verdichter 10 gelangt.
  • Es können optional parallel zum dritten Wärmetauscher 15 weitere Wärmequellen angeschlossen und gekühlt werden. Eine solche weitere Wärmequelle kann eine Leistungselektronik im Fahrzeug sein.
  • Günstig ist, daß an jedem zusätzlichen Wärmetauscher mittels eines vorgeschalteten Expansionsventils das Medium bedarfsgerecht mit einer entsprechenden Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Über das vorgeschaltete Ventil lässt sich der Massenstrom des Mediums durch das Ventil und damit die Kälteleistung einstellen und über ein zweites, nachgeschaltetes Ventil gegebenenfalls ein gewünschtes Druckniveau einstellen.
  • Vorteilhaft ist, daß durch eine Veränderung der Ventilstellungen des vierten und in weiteren Teilkreisläufen 4 angeordneten weiteren Ventilen 14' und dem zweiten Ventil 9 zueinander die insgesamt verfügbare Kälteenergie im Medienkreislauf sowie das Temperaturniveau der Kälte bedarfsabhängig an einzelne Wärmequellen verteilt werden kann. Vorzugsweise sind die Ventile 9, 12, 14, 14' regelbar, auch Ventil 7 kann regelbar sein.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • In der gezeigten Prinzipskizze ist in Strömungsrichtung des Mediums stromab des Verdichters 10 ein Strömungsumlenkventil 16 angeordnet. Das Strömungsumlenkventil 16 verbindet den ersten Zweig 1 mit dem zweiten Teilkreislauf 3. Das Strömungsumlenkventil 16 zerteilt den ersten Zweig 1 in zwei Abschnitte 1a, 1b und den zweiten Teilkreislauf 3 in einen ersten Teilabschnitt 3a und einen zweiten Teilabschnitt 3b. Der erste Abschnitt 1a des ersten Zweigs 1 ist der Bereich zwischen Zusammenführung 5 und Strömungsumlenkventil 16, Abschnitt 1b der Bereich zwischen Strömungsumlenkventil 16 und Verzweigung 6. Der Abschnitt 3a des zweiten Teilkreislaufs 3 ist der Bereich zwischen Strömungsumlenkventil 16 und Verzweigung 6 und Abschnitt 3b der Bereich zwischen Strömungsumlenkventil 16 und der Zusammenführung 5.
  • Der Vorteil des Strömungsumlenkventil 16 ist, daß zwischen Betriebsmoden gewählt werden kann und das im Verdichter 10 komprimierte Medium in verschiedene Teile des Medienkreislaufs geleitet werden kann. Dadurch wird z. B. eine Beheizung verschiedener Komponenten des Fahrzeugs oder auch des Brennstoffzellensystems möglich.
  • Die Strömungsrichtung des Mediums in den einzelnen Teilen des Medienkreislaufs entspricht derjenigen aus der Fig. 1, da das Strömungsumlenkventil 16 im ersten Zweig 1 den ersten und zweiten Abschnitt 1a, 1b und im zweiten Teilkreislauf 3 den ersten und zweiten Abschnitt 3a, 3b verbindet. Diese Schaltstellung ist bevorzugt, wenn bei geringeren Außentemperaturen, aber betriebswarmem Brennstoffzellensystem ein Abwärmeüberschuss vorliegt.
  • Bei relativ geringer Umgebungstemperatur bis etwa 5°C hinunter kann auf diese Weise Zuluft entfeuchtet werden. Dabei kühlt der erste Wärmetauscher 11 das Medium auf die geringe Außentemperatur ab. Das Medium wird im vierten Ventil 14 auf Temperaturen zwischen Außentemperatur und Gefrierpunkt entspannt, um die Zuluft zu entfeuchten. Die getrocknete Zuluft kann sodann über eine Heizkomponente auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden. Vorteilhaft ist, überschüssige Abwärme des Brennstoffzellensystems zum Aufheizen zu verwenden. Ebenso kann Abwärme anderer Wärmequellen des Fahrzeugs verwendet werden.
  • Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts wird das vierte Ventil 14 zweckmäßigerweise gesperrt, um ein Vereisen des dritten Wärmetauschers 15 zu vermeiden. Bei Wärmeüberschuss z. B. des Brennstoffzellensystems kann die Zuluft in den Innenraum z. B. über einen Heizungswärmetauscher, wie in Fig. 3 dargestellt, problemlos erwärmt werden.
  • In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Anordnung dargestellt. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Dem dritten Wärmetauscher 15 ist ein Heizungswärmetauscher 17 zugeordnet. Beide Wärmetauscher 15, 17 können zur Beheizung des Innenraums eingesetzt werden. Der Heizungswärmetauscher 17 kann günstigerweise in einen weiteren etwaigen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems eingebunden sein, so dass der Heizungswärmetauscher 17 von Abwärme des Brennstoffzellensystems beaufschlagt wird, sofern das Brennstoffzellensystem über einen Wärmeüberschuss verfügt.
  • Die Anordnung ist besonders für den Winterbetrieb geeignet, wenn ein Wärmedefizit im Fahrzeug herrscht, oder etwa in der Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems.
  • Das Strömungsumlenkventil 16 wird in eine zweite Schaltstellung gebracht, bei der der erste Abschnitt 1a des ersten Zweigs 1 mit dem ersten Abschnitt 3a des zweiten Teilkreislaufs 3 und einen zweiten Abschnitt 1b des ersten Zweigs 1 mit einem zweiten Abschnitt 3b des zweiten Teilkreislaufs 3 verbindet. Dies führt zu einer bereichsweisen Strömungsumkehr des Mediums im zweiten Teilkreislauf 3. So strömt im Bereich 3b zwischen der Zusammenführung 5 und dem Strömungsumlenkventil 16 das Medium noch in derselben Richtung wie in den Fig. 1 und 2, die Strömungsrichtung ist jedoch im Abschnitt 3a zwischen der Verzweigung 6 und dem Strömungsumlenkventil 16 nunmehr umgekehrt.
  • Das Strömungsumlenkventil 16 ist so geschaltet, dass das heiße, komprimierte Medium direkt zum dritten Wärmetauscher 15gelangt, welcher dem Innenraum des Fahrzeugs zugeordnet ist, sich dort abkühlt und dabei die kalte Zuluft zum Innenraum erwärmt. Es können auch weitere Wärmesenken parallel zum dritten Wärmetauscher 15 angeschlossen und erwärmt werden.
  • Besonders günstig ist es etwa, als Wärmesenke einen Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems zu verwenden, welcher dadurch sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird. Dies kann eine Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems vorteilhaft verkürzen.
  • Im zweiten Wärmetauscher 13 kühlt sich das Medium bei der Passage des Bereichs 13a weiter ab und verzweigt sich schließlich an der Verzweigung 6 in den ersten Teilkreislauf 2 und den ersten Zweig 1. Im Zweig 1 entspannt sich das Medium im dritten Ventil 12 auf ein Temperaturniveau unterhalb der Umgebungstemperatur und nimmt im ersten Wärmetauscher 11 Energie aus der Umgebung auf.
  • Über das Strömungsumlenkventil 16 und den zweiten Wärmetauscher 13 gelangt das Medium zurück zum Verdichter 10.
  • Wie im Sommerbetrieb gemäß den voranstehend beschriebenen Figuren wird das Medium im ersten Teilkreislauf 2 über das erste Ventil 7 auf ein Zwischendruckniveau entspannt und nimmt in der Komponente 8 Wärme auf, bevor es über das zweite Ventil 9 auf das gleiche Druckniveau wie an der Zusammenführung 5 im zweiten Teilkreislauf 3 entspannt wird und zum Verdichter 10 zurück gelangt. Falls eine Entfeuchtung des Innenraums erwünscht ist, kann kurzzeitig das Strömungsumlenkventil 16 in die erste Schaltposition gemäß Fig. 2 gebracht werden. Anschließend kann wieder die zweite Schaltstellung eingestellt werden.
  • In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausgestaltung dargestellt, welche besonders zum Enteisen des ersten Wärmetauschers 11 bei niedrigen Außentemperaturen geeignet ist. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1-3 bezeichnet.
  • Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann die Luft, die durch den ersten Wärmetauscher 11 strömt, soweit abgekühlt werden, dass sie den Taupunkt unterschreitet. Dann besteht die Gefahr, dass der erste Wärmetauscher 11 sukzessive vereist und keine Wärme mehr aus der Umgebung aufnehmen kann. Durch Umstellung des Strömungsumlenkventils in die erste Schaltstellung gemäß der Figur wird der erste Wärmetauscher durch das heiße, vom Verdichter 10 komprimierte Medium abgetaut. Das Medium nimmt Wärme sowohl nach seiner Entspannung am ersten Ventil aus der Komponente 8 als auch im Verdichter 10 auf. Optional kann in einem anderen Teilkreislauf 4 Abwärme aus anderen Quellen, vorzugsweise aus der Leistungselektronik des Fahrzeugs, in den Medienkreislauf eingebunden werden.
  • Sobald die Temperatur des Mediums am Austritt des ersten Wärmetauschers 11 eine vorgegebene Temperaturschwelle überschreitet, vorzugsweise etwa 5°C, ist der Abtauprozess abgeschlossen und das Strömungsumlenkventil 16 kann wieder in seine zweite Schaltstellung gemäß Fig. 3 umgeschaltet werden. Bevorzugt wird dem ersten Wärmetauscher 11 ein Temperatursensor zugeordnet, welcher das Überschreiten der oberen Temperaturschwelle und ein Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle überwacht und abhängig von der Temperatur der Luft, die durch den ersten Wärmetauscher 11 strömt, die Schaltstellung des Strömungsumlenkventils 16 wählt.
  • Während der kurzen Abtauphase wird das vierte Ventil 14 zweckmäßigerweise geschlossen, so dass dem Medium keine Wärmeenergie über den dritten Wärmetauscher 15 entzogen wird. Dies verkürzt vorteilhaft die Abtauphase.
  • Über diesen Zeitraum erfolgt die Heizung der Zuluft über den Heizungswärmetauscher 17, der z. B. in einem Hochtemperatur- Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems eingebunden sein kann.
  • Besonders günstig ist, dass der erste Wärmetauscher 11 im Bereich des Fahrzeughecks angeordnet sein kann. Falls ein üblicher luftgekühlter Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf für das Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, befindet sich dessen Wärmetauscher üblicherweise im Fahrzeugkühlerbereich und ist dem Fahrtwind ausgesetzt. Ist der Wärmetauscher 11 der Klimaanlage lufthydraulisch vor diesem Kühler angeordnet, so verschlechtert sowohl die Wärmeabgabe der Klimaanlage als auch der Luftströmungswiderstand durch den Wärmetauscher 11 die Wärmeabfuhr am Wärmetauscher des Hochtemperatur- Kühlmittelkreislaufs. Dieses Problem entfällt, wenn der Wärmetauscher 11 ins Fahrzeugheck verlagert werden kann.
  • Gemäß der Erfindung kann ein Medium in parallelen Teilkreisläufen 2, 3, 4 zum Kühlen und/oder Heizen von Komponenten eines Brennstoffzellensystems und einer Kühleinrichtung und/oder einer Heizeinrichtung eines Fahrzeuginnenraums eingesetzt werden. Dabei kann die Durchlässigkeit des zweiten Ventils 9 und/oder des ersten Ventils 7 abhängig von einer gewünschten Heiz- oder Kühlleistung im ersten Teilkreislauf 2 eingestellt werden, wobei ein Temperaturniveau zum Kühlen einer wärmetauschenden Komponente 15, 15' im zweiten und/oder weiteren Teilkreislauf 3, 4 durch eine Ventilstellung eines der wärmetauschenden Komponenten stromauf vorgeschalteten Ventils 14, 14' eingestellt werden kann.
  • Bei ungünstigen Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellenfahrzeugs, etwa bei einem Überholmanöver, längerer Bergfahrt und dergleichen, kann es erforderlich sein, dass der Ausstoß an Prozesswasser im Abluftkondensator 8 kurzzeitig maximiert werden muss. Bei thermisch komfortablen Innenraumbedingungen kann die Leistung der Klimaanlage reduziert oder kurzzeitig ausgeschaltet werden, um die maximale Kälteleistung am Kondensator 8 zu erhalten. Durch Maßnahmen wie Umschaltung auf Umluftbetrieb im Innenraum kann der Klimakomfort in der Fahrgastzelle eine gewisse Zeit lang gehalten werden.
  • Eine bedarfsgerechte Rückgewinnung von Prozesswasser im Abluft- Kondensator 8 im kontinuierlichen Teillastbetrieb der Kälteanlage ist energetisch erheblich wirtschaftlicher als ein getakteter Ein/Aus-Kältebetrieb.
  • Bei kurzzeitiger Anforderung maximaler Fahrleistung etwa bei einem Überholmanöver, kann die Kälteanlage zusammen mit ihren Hilfsaggregaten ausgeschaltet werden. Die frei gewordene elektrische Leistung steht dann voll dem elektrischen Fahrmotor oder anderen Komponenten zur Verfügung. Diese Strategie ist günstig, wenn ein ausreichender Vorrat an Prozesswasser für das Brennstoffzellensystem während des unterbrochenen Kältebetriebs zur Verfügung steht.

Claims (29)

1. Fahrzeug mit einer Klimaanlage und einer Wärmequelle (8), wobei ein Medienkreislauf die Klimaanlage und die Wärmequelle (8) mit einem gemeinsamen Medium zum Kühlen und/oder Heizen beaufschlagt, wobei Mittel (10, 7, 8, 9, 12, 14, 14') zum Expandieren und zum Komprimieren des Mediums im Medienkreislauf vorgesehen sind.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zweig (1) des Medienkreislaufs zwischen einer Zusammenführung (5) und einer Verzweigung (6) verläuft und der Medienkreislauf an der Verzweigung (6) in einen ersten Teilkreislauf (2) und einen zweiten Teilkreislauf (3) verzweigt, die an der Zusammenführung (5) wieder zusammengeführt sind, wobei der erste Teilkreislauf (2) der Wärmequelle (8) und der zweite Teilkreislauf (3) der Klimaanlage zugeordnet ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Teilkreislauf (2) in Strömungsrichtung des Mediums stromauf der Wärmequelle (8) ein erstes Ventil (7) zum Entspannen des Mediums auf einen vorgegebenen ersten Druck (p1) und stromab der Wärmequelle (8) ein zweites Ventil (9) zum Entspannen des Mediums auf einen zweiten Druck (p2) angeordnet ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Zweig (1) zwischen Zusammenführung (5) und Verzweigung (6) in Strömungsrichtung des Mediums aufeinander folgend ein Verdichter (10), ein erster Wärmetauscher (11) und ein drittes Ventil (12) angeordnet sind.
5. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Teilkreislauf (3) in Strömungsrichtung des Mediums aufeinander folgend ein zweiter Wärmetauscher (13), ein viertes Ventil (14) und ein dritter Wärmetauscher (15) vorgesehen ist, wobei das Medium durch einen ersten Bereich (13a) des zweiten Wärmetauschers (13) geführt ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zwischen dem vierten Ventil (14) und der Zusammenführung (5) durch einen zweiten Bereich (13b) des zweiten Wärmetauschers (13) geführt ist.
7. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten Wärmetauscher (15) ein Heizungswärmetauscher (17) zugeordnet ist.
8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscher (17) von Abwärme der Wärmequelle (8) beaufschlagt ist.
9. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Verdichters (10) ein Strömungsumlenkventil (16) angeordnet ist, welches in einer zweiten Schaltstellung einen ersten Abschnitt (1a) des ersten Zweigs (1) mit einem ersten Abschnitt (3a) des zweiten Teilkreislaufs (3) und einen zweiten Abschnitt (1b) des ersten Zweigs (1) mit einem zweiten Abschnitt (3b) des zweiten Teilkreislaufs (3) verbindet.
10. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum zweiten Teilkreislauf (3) zumindest ein weiterer Teilkreislauf (4) zum Temperieren von weiteren Komponenten (15') des Fahrzeugs vorgesehen ist.
11. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium im Medienkreislauf unter Normalbedingungen gasförmig ist.
12. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Kohlendioxid aufweist.
13. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (11) im Bereich des Fahrzeughecks angeordnet ist.
14. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (8) Bestandteil eines Brennstoffzellensystems ist.
15. Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle (8) ein Kondensator zum Abkühlen von Kathodenabluft in einer Kathodenabgasleitung einer Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, wobei der Kondensator zum Kühlen vom Medium des ersten Teilkreislaufs (2) durchströmt ist.
16. Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle (8) eine wärmetauschende Komponente eines dem Brennstoffzellensystem zugeordneten Gaserzeugungssystems zur Erzeugung von Brennmittel für die Brennstoffzelleneinheit vom Medium des ersten Teilkreislaufs (2) durchströmt ist.
17. Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit bereichsweise vom Medium des ersten Teilkreislaufs (2) durchströmt ist.
18. Verfahren zum Temperieren eines Fahrzeugs nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Medium in parallelen Teilkreisläufen (2, 3, 4) zum Kühlen und/oder Heizen einer Wärmequelle (8) und einer Kühleinrichtung und/oder einer Heizeinrichtung eines Fahrzeuginnenraums eingesetzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässigkeit des ersten Ventils (7) und/oder des zweiten Ventils (9) abhängig von einer gewünschten Heiz- oder Kühlleistung im ersten Teilkreislauf (2) eingestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturniveau zum Kühlen einer wärmetauschenden Komponente (15, 15') im zweiten und/oder weiteren Teilkreislauf (3, 4) durch eine Ventilstellung eines der wärmetauschenden Komponenten stromauf vorgeschalteten Ventils (14, 14') eingestellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung der Ventilstellungen der vorgeschalteten Ventile (14, 14') relativ zum zweiten Ventil (9) das Temperaturniveau bedarfsabhängig an einzelne wärmetauschende Komponenten (15, 15') eingestellt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Heizen des Fahrzeuginnenraums bei geringen Außentemperaturen das Schaltventil (16) in seiner ersten Schaltstellung betrieben wird, so daß das komprimierte Medium dem dritten Wärmetauscher (15) zugeführt wird und diesen aufheizt.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringen Außentemperaturen zum Enteisen des ersten Wärmetauschers (11) das Schaltventil (16) in eine zweite Schaltstellung gebracht wird, bei der das komprimierte Medium den ersten Wärmetauscher (11) aufheizt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer dem ersten Wärmetauscher (11) zugeordneten vorgegebenen Temperaturschwelle das Schaltventil (16) von seiner zweiten in seine erste Schaltstellung umgeschaltet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass, solange das Schaltventil (16) in seiner zweiten Schaltstellung ist, die Heizung des Fahrzeuginnenraums über einen Heizungswärmetauscher (17) erfolgt, der in einen separaten Kühlmittelkreislauf eingebunden ist.
26. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfeuchten von Zuluft im Fahrzeuginnenraum bei betriebswarmem Brennstoffzellensystem und Umgebungstemperaturen oberhalb des Gefrierpunkts das Schaltventil (16) in seine zweite Ventilstellung gebracht wird und das Medium über das vierte Ventil (14) auf eine Temperatur zwischen Gefrierpunkt und Umgebungstemperatur entspannt wird, die Zuluft durch den dritten Wärmetauscher (15) entfeuchtet wird und anschließend durch einen weiteren Heizungswärmetauscher (17) aufgewärmt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Kondensator (8) in der Kathodenabgasleitung gekühlt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anforderung einer erhöhten Wasserabscheidung aus dem Brennstoffzellenabgas nur der erste Teilkreislauf (2) betrieben wird.
29. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anforderung einer hohen Fahrleistung der Medienkreislauf mit den zugehörigen elektrischen Verbrauchern (10, 7, 914, 14') kurzzeitig abgeschaltet wird.
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