WO2024033145A1 - Motor vehicle having a cooling system for cooling a fuel cell system - Google Patents

Motor vehicle having a cooling system for cooling a fuel cell system Download PDF

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WO2024033145A1
WO2024033145A1 PCT/EP2023/071222 EP2023071222W WO2024033145A1 WO 2024033145 A1 WO2024033145 A1 WO 2024033145A1 EP 2023071222 W EP2023071222 W EP 2023071222W WO 2024033145 A1 WO2024033145 A1 WO 2024033145A1
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WO
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circuit
motor vehicle
fuel cell
air flow
cell system
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PCT/EP2023/071222
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Peteranderl
Max WAGENBLAST
Jürgen Köhler
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Man Truck & Bus Se
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    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle, preferably a truck, in particular a tractor unit (e.g. a construction site truck such as, in particular, a tipper truck or concrete mixer truck), preferably with a fuel cell drive.
  • the motor vehicle includes a cooling system for cooling a fuel cell system, in particular for increasing cooling performance for the fuel cell system.
  • the waste heat that is dissipated into the environment via the exhaust gas is significantly lower in a fuel cell system than in an internal combustion engine. Almost all of the heat comes from the cooling system.
  • waste heat from a fuel cell system is usually higher than from a comparable internal combustion engine. With the same drive power, the heat flow given off to the coolant is significantly larger.
  • the maximum coolant temperature is usually lower in a fuel cell system, and so is the driving temperature difference of the heat released into the environment.
  • An increase in cooling performance would be, for example: B. can be achieved by increasing the cooling air mass flow, for example by increasing the cooler surface, using a larger fan or increasing the operating temperature. However, this is usually not feasible due to installation space, design, energy and/or degradation aspects.
  • DE 10 2017 218 142 A1 e.g. B. discloses a fuel cell vehicle with a cooling system to increase cooling performance for a drive unit.
  • An object of the invention is to provide a motor vehicle with an alternative and/or improved cooling system for cooling a fuel cell system, in particular a cooling system, by means of which a reduction in noise emissions and/or air and/or dust suction can be made possible despite adequate cooling of the fuel cell system, so that preferably the cooling system can be operated in different operating modes depending on the situation.
  • the invention relates to a motor vehicle, preferably a truck (e.g. a tractor unit), in particular a construction site truck (e.g. tipper truck or concrete mixer truck).
  • a truck e.g. a tractor unit
  • a construction site truck e.g. tipper truck or concrete mixer truck
  • the motor vehicle preferably includes a fuel cell drive, in particular for driving the motor vehicle.
  • the motor vehicle is therefore preferably a fuel cell motor vehicle.
  • the motor vehicle includes a cooling system for cooling at least one fuel cell system.
  • the at least one fuel cell system can z. B. be set up to supply the fuel cell drive with drive energy.
  • the cooling system comprises a first circuit (e.g. a coolant circuit, preferably with a refrigerant phase change) and a second circuit (e.g. a coolant circuit, preferably without a coolant phase change).
  • a first circuit e.g. a coolant circuit, preferably with a refrigerant phase change
  • a second circuit e.g. a coolant circuit, preferably without a coolant phase change
  • the first circuit and the second circuit are connected to one another, in particular thermally, via a heat exchanger (e.g. chiller, in particular evaporator).
  • the heat exchanger can e.g. B. act as an evaporator.
  • the cooling system is characterized in particular by the fact that the second circuit is connected, in particular thermally, to the at least one fuel cell system in order to cool the at least one fuel cell system.
  • the second circuit in particular its coolant, can thus preferably absorb reaction waste heat from the at least one fuel cell system and expediently dissipate it.
  • the coolant of the second circuit flows through one or more channels in and/or between bipolar plates of the fuel cell system in order to absorb and dissipate reaction waste heat.
  • the cooling system can also e.g. B. be set up to cool several fuel cell systems, which can preferably be connected in series.
  • the first circuit includes a capacitor.
  • the second circuit can z. B. include at least one cooler, preferably at least one high-temperature cooler.
  • the condenser serves in particular to convert the refrigerant of the first circuit from a gaseous state into a liquid state.
  • the motor vehicle can z. B. include an engine compartment, a front end area and / or a driver's cab.
  • the at least one cooler can z. B. be supported by at least one radiator fan (especially for heat dissipation).
  • the at least one radiator fan can z. B. be designed as a radiator fan.
  • the at least one cooler and / or the radiator fan can z. B. be arranged in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle.
  • the radiator fan can e.g. B. be arranged upstream or downstream of the at least one cooler.
  • the capacitor is supported by at least one fan (particularly for heat dissipation).
  • the fan can e.g. B. be a fan.
  • the fan can e.g. B. be arranged in a tower, in particular in a tower arranged behind a driver's cab of the motor vehicle.
  • the fan can therefore e.g. B. be a tower fan.
  • the capacitor and/or the fan can e.g. B. be arranged outside the engine compartment, outside the front end area and / or behind the driver's cab of the motor vehicle.
  • the at least one cooler and the capacitor are connected in series by means of an air flow path and/or can be cooled by means of a common (e.g. serial) air flow path (in particular by means of air flow).
  • the at least one cooler and the condenser can therefore z. B. be serially air-cooled. It is possible that the condenser can be cooled via a first air flow path (in particular by means of air flow) and the at least one cooler can be cooled via a second air flow path (in particular by means of air flow).
  • the first air flow path and the second air flow path are e.g. B. connected in parallel and / or separated from each other.
  • the heat exchanger and the at least one cooler can z. B. be connected in series.
  • the heat exchanger can be arranged in series downstream or upstream of the at least one cooler.
  • the air flow path prefferably has the at least one radiator fan, preferably for generating and/or amplifying an air flow in the air flow path. This makes it z. B. possible that at least one common radiator fan is assigned to the at least one cooler and the condenser.
  • the first air flow path prefferably has the fan (preferably for generating and/or amplifying an air flow in the first air flow path) and the second air flow path to have the at least one radiator fan (preferably for generating and/or amplifying an air flow in the second air flow path).
  • the condenser is assigned its own fan and the at least one cooler is assigned at least its own radiator fan.
  • the at least one cooler can preferably comprise several coolers.
  • At least two coolers in the second circuit are connected in parallel to each other, e.g. B. so that coolant of the second circuit flows through the at least two coolers in parallel.
  • the at least two coolers can preferably be connected in series by means of the air flow path or the second air flow path and thus z. B. be serially air-cooled.
  • At least two coolers in the second circuit are connected in series with one another, e.g. B. so that coolant of the second circuit flows through the at least two coolers one after the other.
  • the at least two coolers can preferably be connected in series by means of the air flow path or the second air flow path and thus z. B. be serially air-cooled.
  • a cooler is flowed through by means of the coolant of the second circuit, which is cooled lagging by means of the air flow path or the second air flow path (e.g. is cooled second), and then flows through a cooler by means of the coolant of the second circuit which is pre-cooled (e.g. cooled first) by means of the air flow path or the second air flow path.
  • the first circuit can e.g. B. include an expansion element (e.g. an expansion valve), preferably for controlling and / or regulating refrigerant subcooling downstream of the condenser and / or refrigerant superheating downstream of the heat exchanger.
  • the first circuit can alternatively or additionally include in particular a compressor (e.g. compressor).
  • the compressor can, in particular due to its design, e.g. B. have a minimum speed below which it cannot be operated.
  • the first circuit is preferably set up to actively generate cooling power for the second circuit.
  • the first cycle is in particular a refrigeration cycle.
  • the second circuit is z. B. a particularly passive cooling circuit.
  • the second circuit preferably does not include a compressor, a condenser and/or an expansion element.
  • the motor vehicle can include an engine compartment, a front end area and/or a driver's cab.
  • the at least one cooler, the radiator fan, the pump, the condenser, (expediently at least in sections) the air flow path and / or (expediently at least in sections) the second air flow path in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle is arranged.
  • the cooling system can preferably include different operating modes, e.g. B. a first operating mode, a second operating mode and / or a third operating mode.
  • different operating modes e.g. B. a first operating mode, a second operating mode and / or a third operating mode.
  • the first circuit can be activated (e.g. the capacitor, the expansion element, the compressor and / or the fan of the first circuit).
  • the at least one radiator fan can expediently be deactivated or operate at reduced power, preferably to reduce and/or avoid noise emissions and/or to reduce and/or avoid air and/or dust suction (e.g. dust and/or dirt stirring).
  • the first operating mode can e.g. B. be particularly advantageous in construction site vehicles in order to stir up little dust, or in general to reduce noise emissions from the motor vehicle, if necessary depending on the situation.
  • the second circuit can have at least one pump, in particular for conveying the coolant of the second circuit.
  • the second circuit can e.g. B. also include several pumps.
  • the pump can operate in the first operating mode (e.g. at least temporarily with reduced output and/or at maximum output), preferably to ensure sufficient cooling of the fuel station system, preferably despite the radiator fan being deactivated or operating at reduced output.
  • the first circuit e.g. the condenser, the expansion element, the compressor and / or the fan of the first circuit
  • the second circuit together with the radiator fan and / or the pump of the second circuit are preferably activated at the same time and preferably work in an energy-optimized manner (e.g. depending on one another), preferably to achieve maximum energy efficiency of the cooling system.
  • the relationship between cooling performance and the electrical power used should be maximized.
  • the fuel cell system is preferably in operation and (e.g. active) cooling of the fuel cell system is required.
  • a speed of the pump of the second circuit can be operated independently of the controlled variables and/or control strategies of the first operating mode and/or the second operating mode so that the fuel cell system is sufficiently cooled, e.g. B. required coolant temperature gradients can be achieved via one or more fuel cell stacks of the fuel cell system.
  • a third operating mode z. B. the compressor and / or the fan of the first circuit can be deactivated and / or the radiator fan and the pump of the second circuit can be activated, preferably for autonomous operation of the second circuit.
  • the motor vehicle can z. B. include a device (e.g. a button, a switch and / or a touchscreen, etc.) by means of which a vehicle driver can select at least one of the operating modes.
  • a device e.g. a button, a switch and / or a touchscreen, etc.
  • a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system serves as a controlled variable for controlling the radiator fan and the compressor, in particular a coolant temperature at or in the coolant inlet of the fuel cell system.
  • the second operating mode can preferably include different operating variants.
  • a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system serves as a controlled variable for controlling the radiator fan.
  • the coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system, in particular by means of a sensor.
  • the compressor can e.g. B. can be controlled and/or regulated depending on waste heat introduced into the cooling system. This can e.g. B. represent a first operating variant of the second operating mode.
  • a coolant temperature of the second circuit e.g. B. serves downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger (e.g. Figures 1 and 3).
  • a control variable for controlling the radiator fan Coolant temperature of the second circuit serves downstream of the at least one cooler and upstream of a coolant merging point (e.g. Figures 2 and 4).
  • the coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant outlet of the at least one cooler, in particular by means of a sensor.
  • a coolant temperature of the second circuit serves downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system.
  • the coolant merging point (e.g. a T or Y piece) serves in particular to bring together a line section downstream of the at least one cooler and a line section downstream of the heat exchanger.
  • the coolant merging point can preferably be arranged downstream of the at least one cooler and/or downstream of the heat exchanger. Alternatively or additionally, the coolant merging point can be arranged in particular upstream of the fuel cell system.
  • a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system can serve as a controlled variable for controlling the radiator fan and/or for the compressor to be controlled depending on a speed of the radiator fan and/or timer-dependent and /or is regulated.
  • the coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system, in particular by means of a sensor.
  • a speed of the radiator fan and/or a speed of the compressor is controlled and/or regulated.
  • the motor vehicle can z. B. include an electronic control and / or regulating device (e.g. a vehicle control unit) to control and / or regulate the circulatory system for executing the first operating mode, the second operating mode and / or the third operating mode.
  • the second circuit can e.g. B. include at least one valve for controlling and / or regulating a coolant flow rate between the at least one cooler and the fuel cell system.
  • the engine compartment can preferably also z. B. include a radiator compartment, which is usually part of the engine compartment and / or can be arranged adjacent to the engine compartment.
  • the fuel cell system can z. B. include at least one polymer electrolyte fuel cell and / or at least one proton exchange membrane fuel cell.
  • Hydrogen is preferably used as the fuel of the fuel cell system.
  • the second circuit is connected to the fuel cell system in particular in such a way that the coolant of the second circuit can flow through at least one channel into and/or between at least one bipolar plate and can thereby expediently absorb and dissipate reaction waste heat from the fuel cell system.
  • the condenser can preferably be a refrigerant-air heat exchanger.
  • the cooling system can e.g. B. be designed as a refrigeration and / or cooling system, in particular as a (high-temperature) refrigeration and / or cooling system.
  • the coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system can preferably be detected by means of a sensor at or in the coolant inlet of the fuel cell system.
  • the coolant temperature downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger or downstream of the at least one cooler and upstream of the coolant merging point can preferably be detected by means of a sensor on or in the coolant outlet of the at least one cooler.
  • the invention also relates to an operating method for a motor vehicle with a cooling system for cooling a fuel cell system, wherein the motor vehicle and/or the cooling system can expediently be designed as disclosed herein.
  • the operating method may be performed with a motor vehicle and/or a cooling system as disclosed herein.
  • a first circuit and a second circuit are used, with the first circuit and the second circuit in particular via a heat exchanger are thermally connected to each other.
  • the second circuit is in particular thermally connected to a fuel cell system in order to cool the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a cooling system according to an exemplary embodiment of the invention, in particular with parallel capacitor connection and serial heat exchanger connection,
  • FIG. 2 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with serial capacitor connection and parallel heat exchanger connection,
  • FIG. 3 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with serial capacitor connection and serial heat exchanger connection,
  • FIG. 4 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with parallel capacitor connection and parallel heat exchanger connection,
  • Figure 5 shows a side view of an exemplary motor vehicle, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system according to an exemplary embodiment of the invention
  • Figure 6 shows a side view of an exemplary motor vehicle, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, figure? illustrates an exemplary map to explain an energy-optimal combination of fan speed and compressor speed for a specific cooling capacity, and
  • FIG. 8 illustrates an embodiment of the invention with two coolers connected in series.
  • FIG 1 shows a cooling system 100 for a motor vehicle 200 (e.g. Figures 5 and 6) according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the motor vehicle 200 preferably includes a fuel cell drive for driving the motor vehicle 200.
  • the fuel cell drive can expediently be supplied with drive energy by means of at least one fuel cell system 40.
  • the motor vehicle 200 is in particular a truck (e.g. a tractor unit), in particular a construction site truck (e.g. tipper truck or concrete mixer truck).
  • the cooling system 100 is used in particular to cool the fuel cell system 40.
  • the cooling system 100 comprises a first circuit 10, which is preferably a refrigerant circuit and carries a refrigerant.
  • the cooling system 100 also includes a second circuit 20, which is preferably a coolant circuit and carries a coolant.
  • the temperature window required for operation must usually be maintained more precisely than with a conventional internal combustion engine.
  • the temperature control of a bipolar plate of the fuel cell system has a significant influence on the water balance of a membrane, especially a polymer electrolyte membrane. A temperature that is too high can initially lead to the membrane drying out and over a longer period of time to a continuous damage process. A temperature that is too low can lead to the water vapor in the exhaust gas condensing out within a fuel cell stack of the fuel cell system. As a result, gas channels can become blocked, meaning that a reaction in the fuel cell stack may no longer be able to take place.
  • the coolant temperature exceeds the regular temperature window for operation, a reduction in the performance of the fuel cell stack (in particular thermal derating) usually occurs first with the help of a protective function.
  • the electrical output of the fuel cell stack is usually reduced, as is the resulting waste heat.
  • the performance of the fuel cell system must be reduced to such an extent that the motor vehicle may no longer be able to provide the necessary drive power.
  • the first circuit 10 includes in particular a condenser 11, an expansion element 12 (e.g. an expansion valve) and a compressor 13 (e.g. a compressor).
  • a condenser 11 e.g. an expansion valve
  • a compressor 13 e.g. a compressor
  • the second circuit 20 includes in particular two coolers 21.1, 21.2 connected in parallel and a pump 23 for conveying the coolant.
  • exemplary embodiments with only one cooler are also possible and also possible with at least two coolers connected in series.
  • the coolers 21.1, 21.2 are preferably high-temperature coolers.
  • Figure 8 shows z. B. an embodiment with two coolers 21.1, 21.2 connected in series in the second circuit 20.
  • the first circuit 10 and the second circuit 20 are expediently thermally connected to one another via a heat exchanger 30.
  • the heat exchanger 30 can z. B. be a chiller and / or expediently act as an evaporator.
  • the second circuit 20 is expediently thermally connected to the fuel cell system 40 in order to be able to cool the fuel cell system 40.
  • At least one fan 22.1 is provided to support the capacitor 11, in particular for air cooling of the capacitor 11.
  • At least one radiator fan 22.2 is provided to support the coolers 21.1, 21.2, in particular for air cooling of the coolers 21.1, 21.2.
  • the capacitor 11 can expediently be cooled by means of an air flow via a first air flow path P1, the first air flow path P1 comprising the fan 22.1.
  • the coolers 21.1, 21.2 can expediently be cooled by means of an air flow via a second air flow path P2, the second air flow path P2 comprising the radiator fan 22.2.
  • the first air flow path P1 and the second air flow path P2 are connected in parallel and/or in particular spatially separated from one another.
  • the coolers 21.1, 21.2 on the one hand and the capacitor 11 on the other hand are connected in parallel by means of the two air flow paths P1, P2.
  • the coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in series.
  • cooling system 100 thus describes a cooling system 100 with, in particular, parallel capacitor interconnection and serial heat exchanger interconnection.
  • FIG. 2 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
  • the coolers 21.1, 21.2 and the condenser 11 are connected in series by means of an air flow path P and/or can expediently be cooled in series by means of an air flow by means of a common air flow path P.
  • the air flow path P includes at least one radiator fan 22, by means of which the cooler
  • a coolant merging point 24 (e.g. a T or Y piece) serves to merge a line section downstream of the coolers 21.1, 21.2 and a line section downstream of the heat exchanger 30.
  • the coolant merging point 24 can in particular downstream of the cooler 21.1,
  • the coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in parallel.
  • cooling system 100 with, in particular, serial capacitor connection and parallel heat exchanger connection.
  • FIG. 3 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
  • the coolers 21.1, 21.2 and the condenser 11 are connected in series by means of an air flow path P and/or can be expediently cooled by means of an air flow by means of a common air flow path P (see, for example, Figure 2).
  • the coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in series (see, for example, Figure 1).
  • cooling system 100 with, in particular, serial capacitor interconnection and serial heat exchanger interconnection.
  • FIG. 4 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
  • the condenser 11 can expediently be cooled by means of an air flow via a first air flow path P1
  • the coolers 21.1, 21.2 can expediently be cooled by means of an air flow via a second air flow path P2 (cf. e.g. FIG. 1) .
  • the first air flow path P1 and the second air flow path P2 are connected in parallel and/or in particular spatially separated from one another.
  • the coolers 21.1, 21.2 on the one hand and the capacitor 11 on the other hand are connected in parallel by means of the two air flow paths P1, P2.
  • the coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in parallel (see, for example, Figure 2).
  • a special feature of the cooling system 100 is that it can preferably be operated in different operating modes, e.g. B. a first operating mode, a second operating mode and z. B. a third operating mode.
  • the first circuit 10 in particular its capacitor 11, expansion element 12, compressor 13 and/or fan 22.1 is activated and the radiator fan 22, 22.2 is deactivated or operates at reduced power, but the pump 23 of the second Circuit 20, preferably to ensure sufficient cooling of the fuel point system 40, expediently operates at least temporarily with reduced power and / or at maximum power.
  • the first operating mode advantageously serves to reduce (e.g. essentially avoid) noise emissions and/or to reduce (e.g. essentially avoid) dust or air suction (e.g. dust turbulence).
  • a sensor-detected coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 can be used as a controlled variable for the radiator fan 22, 22.2 and the compressor 13.
  • the radiator fan 22, 22.2 and the compressor 13 can be regulated to a predetermined target temperature (e.g. separately by a PI controller each).
  • the radiator fan 22, 22.2 can remain deactivated. If the first circuit 10 reaches its maximum compressor speed and the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is above the target temperature, the radiator fan 22, 22.2 can be activated and its speed can be regulated to the coolant temperature T2. As long as the radiator fan 22, 22.2 is active, the compressor speed can preferably remain at its maximum, so that a control and/or regulation for the compressor 13 or generally the first circuit 10 can be expediently overridden.
  • the coolant temperature T2 can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system 40.
  • a timer with a predefined time period of e.g. B. Start 10 seconds (can be longer or shorter if necessary). If the predefined period of time elapses without the radiator fan 22, 22.2 being activated again, the compressor 13 or generally the first circuit 10 can be reactivated and the radiator fan 22, 22.2 can be deactivated.
  • the first circuit 10 in particular its capacitor 11, expansion element 12, compressor 13 and/or fan 22.1
  • the second circuit 20 together with the radiator fan 22, 22.2 and expediently the pump 23 are activated at the same time and preferably energy-optimized, especially working interdependently.
  • the second operating mode preferably serves to achieve maximum energy efficiency of the cooling system 100. Is the goal z. B. maximum energy efficiency, the ratio between cooling power for the fuel cell system 40 and the power used, in particular electrical power (e.g. for radiator fan 22, 22.2, fan 22.1, pump 23 and/or compressor 13) should be maximized. In particular, attempts are made to achieve an ideal combination of radiator fan and/or fan speed and compressor performance, which, for example, B. by an electronic control and / or regulating device of the motor vehicle, e.g. B. based on one or more maps can be realized.
  • the second operating mode can preferably be operated with different operating variants (in particular control strategies).
  • a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40, with a speed of the compressor 13 being controlled and/or regulated depending on waste heat introduced into the cooling system 100 can.
  • the current heat input can be e.g. B. be detected by sensors and/or be previously known and/or calculable via the current power requirement and/or the component efficiency.
  • the optimal compressor speed can be regulated and/or controlled.
  • the speed of the radiator fan 22, 22.2 can z. B. can be regulated to the coolant temperature T2 via a PI controller.
  • the optimal speed of the compressor 13 can be determined in various ways.
  • B. a map-based control and/or regulation.
  • B. maps for varying operating points can be stored, with z. B. can preferably be interpolated between maps.
  • an appropriately simplified simulation model of the cooling system 100 is stored in an electronic control and/or regulating device (e.g. in the vehicle control unit).
  • the optimum for the current operating condition can be calculated cyclically at certain intervals using an algorithm stored on the control and / or regulating device.
  • Another possibility is e.g. B. the use of a neural network, by means of which z. B. the cooling system 100 can be approached dynamically. This may have advantages in terms of computing time and required calculation performance.
  • the options can be used individually or in combination.
  • the cooling system 100 can be operated with optimal efficiency.
  • a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T1 of the second circuit 20, which is detected in particular by sensors, downstream of the cooler 21.1, 21.2 and upstream of the heat exchanger 30 (e.g. Figures 1 and 3).
  • a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T1 of the second circuit 20, which is detected in particular by sensors, downstream of the cooler 21.1, 21.2 and upstream of the coolant merging point 24 (e.g. Figures 2 and 4).
  • the coolant merging point 24 (e.g. a T or Y piece) serves in particular to bring together a line section downstream of the coolers 21.1, 21.2 and a line section downstream of the heat exchanger 30.
  • the coolant merging point 24 is preferably arranged downstream of at least one cooler 21.1, 21.2, downstream of the heat exchanger 30 and/or upstream of the fuel cell system 40.
  • the coolant temperature T1 can preferably be detected at or in the coolant outlet of at least one of the coolers 21.1, 21.2 by means of a sensor.
  • a speed of the compressor 13 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40.
  • the respective target temperatures can be varied accordingly if necessary.
  • the compressor 13 can be above the target temperature after activation (coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40), for example. B. only deactivated again when the regulated compressor speed is at the minimum speed for longer than a specified period of time (e.g. 10 seconds) and the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is below the target temperature during this period.
  • a specified period of time e.g. 10 seconds
  • a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40, z. B. a compressor speed can remain essentially at zero. If the radiator fan reaches 22, 22.2 z. B. its maximum speed, a timer can be started with a predefined period of time (e.g. 10 seconds).
  • the timer can be conveniently ended.
  • the speed of the radiator fan 22, 22.2 can be kept at its maximum and the compressor 13 and/or its control can be activated.
  • Another timer can be started.
  • the compressor 13 and/or its control can remain active until the compressor speed remains essentially at its minimum speed for a predefined period of time (e.g. more than 10 seconds) and the target temperature is determined by the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is undercut. Otherwise, the compressor 13 and/or its control can be deactivated.
  • the cooling system 100 can thus be operated in at least two operating modes, which are optimized with regard to achieving different operating goals, namely, on the one hand, a reduction in noise emissions and / or dust or air suction (expediently first operating mode), and on the other hand, a maximization of energy efficiency ( expediently second operating mode, which can preferably include different operating variants).
  • the basis is the assumption that the fuel cell system 40 is in operation (in particular in the first operating mode and/or in the second operating mode) and (in particular active) cooling of the fuel cell system 40 is required.
  • the speed of the pump 23 of the second circuit 20 can be regulated and/or controlled in such a way that the required coolant temperature gradients can be achieved via the fuel cell stacks in the fuel cell system 40.
  • the pump speed can preferably be operated independently, in particular separately from the operating and/or control strategies discussed herein.
  • the speed of the pump 23 can expediently be controlled and/or regulated to the required temperature gradient of the coolant across the fuel cell stacks of the fuel cell system 40.
  • the required coolant mass flow can be controlled and/or regulated in particular by the fuel cell system 40.
  • the motor vehicle may include an electronic control and/or regulating device to control and/or regulate the circulatory system 100 for executing the first operating mode, the second operating mode and/or the third operating mode.
  • the motor vehicle can include a device (e.g. button, switch, touchscreen, etc.) by means of which a vehicle driver can select at least one of the operating modes, e.g. B. can activate and deactivate the first operating mode.
  • a device e.g. button, switch, touchscreen, etc.
  • the cooling capacity of the second circuit 20 is in particular linearly proportional to the air mass flow that flows through the radiator fan 22, 22.2.
  • the cooling performance is also linearly proportional to the temperature difference between the coolant and the cooling air. An increase in the coolant temperature is usually not possible due to the maximum operating temperature of the fuel cell system 40.
  • the first circuit 10 usually reaches its optimum efficiency in the lower part-load range, as is the case, for example. B. from Figure 7.
  • the map shown in Figure 7 represents the most energy-optimal combination of fan and compressor speed for a specific cooling capacity. For each operating point there is an optimal combination of fan speed and compressor speed. It can expediently form the basis for the second operating mode and thus in particular an energy-efficient operating strategy.
  • Figure 7 illustrates in particular an efficiency of the overall cooling system consisting of two subsystems, with an exemplary operating point for an ambient temperature of z. B. 35 ° C and a vehicle speed of e.g. B. 10 km/h.
  • Figure 5 shows a view of an exemplary motor vehicle 200, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows in particular a truck in the form of a tractor unit.
  • the cooling system 100 can expediently be designed according to one of the previous exemplary embodiments.
  • the coolers 21.1, 21.2, the radiator fan 22, the condenser 11 and at least partially the air flow path P are arranged in an engine compartment, a front end area and/or under a driver's cab of the motor vehicle 20.
  • the heat exchanger 30, the expansion element 12, the compressor 13 and / or the pump 23 can preferably be arranged in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle 200.
  • Figure 6 shows a view of an exemplary motor vehicle 200, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system 100 according to another exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 6 shows in particular a truck in the form of a tractor unit.
  • the cooling system 100 can expediently be designed according to one of the previous exemplary embodiments.
  • the coolers 21.1, 21.2, the radiator fan 22.2 and preferably at least partially the air flow path P2 are arranged in an engine compartment, a front end area and/or under a driver's cab of the motor vehicle 200.
  • the condenser 11, the compressor 13, the fan 22.1 and preferably at least partially the air flow path P1 are arranged outside the engine compartment, outside the front end area and/or behind the driver's cab of the motor vehicle 200.
  • Figure 8 shows z. B. an embodiment of the invention that may be applied to a cooling system 100 as disclosed herein.
  • Figure 8 shows in particular an exemplary embodiment in which two coolers 21.2, 21.2 in the second circuit 20 are connected in series with one another, particularly in relation to the coolant.
  • the cooler 21.2 is cooled in advance relative to the cooler 21.1 by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2.
  • the cooler 21.1 is cooled lagging relative to the cooler 21.2 by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2.
  • a cooler 21.1 is flowed through by means of the coolant of the second circuit 20, which is cooled lagging by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2 (e.g. is cooled second), and then a cooler 21. 2 is flowed through by means of the coolant of the second circuit 20, which is cooled in advance (e.g. is cooled first) by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2.
  • the cooler 21.1 can therefore z. B. warmer coolant flows through than the cooler 21.2.
  • the cooler 21.1 can therefore z. B. can be cooled with a warmer air flow than the cooler 21.2.
  • radiator fans preferably for at least one radiator and condenser
  • coolant merging point preferably for merging a line section downstream of the at least one cooler and a line section downstream of the heat exchanger
  • T1 coolant temperature preferably downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger or upstream of the coolant merging point
  • T2 coolant temperature preferably downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system

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Abstract

The invention relates to a motor vehicle (200), preferably a truck, preferably with a fuel cell drive, comprising a cooling system (100) for cooling a fuel cell system (40), having a first circuit (10) and a second circuit (20), wherein the first circuit (10) and the second circuit (20) are connected to one another via a heat exchanger (30). The cooling system (100) is characterised in particular in that the second circuit (20) is connected to the fuel cell system (40) in order to cool the fuel cell system (40). The invention further relates to an associated operating method.

Description

Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems Motor vehicle with a cooling system for cooling a fuel cell system
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen, insbesondere eine Sattelzugmaschine (z. B. einen Baustellen-Lastkraftwagen wie insbesondere einen Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen), vorzugsweise mit Brennstoffzellenantrieb. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Steigerung einer Kühlleistung für das Brennstoffzellensystem. The invention relates to a motor vehicle, preferably a truck, in particular a tractor unit (e.g. a construction site truck such as, in particular, a tipper truck or concrete mixer truck), preferably with a fuel cell drive. The motor vehicle includes a cooling system for cooling a fuel cell system, in particular for increasing cooling performance for the fuel cell system.
Verglichen mit mittels Verbrennungskraftmaschinen konventionell angetriebenen Fahrzeugen besitzen Kraftfahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem wie z. B. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen einen erhöhten Kühlleistungsbedarf. Compared to vehicles powered by conventional combustion engines, motor vehicles with a fuel cell system such as: B. polymer electrolyte fuel cells have an increased cooling capacity requirement.
Dabei spielen drei wesentliche Effekte eine Rolle: Three main effects play a role:
Die Abwärme, die über das Abgas an die Umgebung abgeführt wird, ist bei einem Brennstoffzellensystem erheblich geringer als bei einer Verbrennungskraftmaschine. Nahezu die gesamte Wärmemenge entfällt auf das Kühlsystem. The waste heat that is dissipated into the environment via the exhaust gas is significantly lower in a fuel cell system than in an internal combustion engine. Almost all of the heat comes from the cooling system.
Zusätzlich ist die Abwärme eines Brennstoffzellensystems meist höher als bei einer vergleichbaren Verbrennungskraftmaschine. Bei gleicher Antriebsleistung ist der an das Kühlmittel abgegebene Wärmestrom deutlich größer. In addition, the waste heat from a fuel cell system is usually higher than from a comparable internal combustion engine. With the same drive power, the heat flow given off to the coolant is significantly larger.
Die maximale Kühlmitteltemperatur ist bei einem Brennstoffzellensystem üblicherweise geringer, und somit auch die treibende Temperaturdifferenz der Wärmeabgabe an die Umgebung. The maximum coolant temperature is usually lower in a fuel cell system, and so is the driving temperature difference of the heat released into the environment.
Eine Steigerung der Kühlleistung wäre z. B. durch eine Erhöhung des Kühlluftmassenstroms, beispielsweise durch Vergrößerung der Kühlerfläche, Verwendung eines größeren Lüfters oder Steigerung der Betriebstemperatur realisierbar. Das ist aber aufgrund von Bauraum-, Design-, Energetischen- und/oder Degradationsaspekten üblicherweise nicht umsetzbar. An increase in cooling performance would be, for example: B. can be achieved by increasing the cooling air mass flow, for example by increasing the cooler surface, using a larger fan or increasing the operating temperature. However, this is usually not feasible due to installation space, design, energy and/or degradation aspects.
DE 10 2017 218 142 A1 z. B. offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlsystem zur Steigerung einer Kühlleistung für ein Antriebsaggregat. DE 10 2017 218 142 A1 e.g. B. discloses a fuel cell vehicle with a cooling system to increase cooling performance for a drive unit.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem alternativen und/oder verbesserten Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, insbesondere einem Kühlsystem, mittels dessen vorteilhaft eine Reduzierung einer Geräuschemission und/oder einer Luft- und/oder Staubansaugung trotz zweckmäßig ausreichender Kühlung des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden kann, sodass vorzugsweise das Kühlsystem situationsabhängig in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann. An object of the invention is to provide a motor vehicle with an alternative and/or improved cooling system for cooling a fuel cell system, in particular a cooling system, by means of which a reduction in noise emissions and/or air and/or dust suction can be made possible despite adequate cooling of the fuel cell system, so that preferably the cooling system can be operated in different operating modes depending on the situation.
Diese Aufgabe kann mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart oder ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. This task can be solved with the features of the independent claims. Advantageous developments are disclosed in the subclaims or result from the following description of preferred exemplary embodiments of the invention.
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen (z. B. eine Sattelzugmaschine), insbesondere einen Baustellen-Lastkraftwagen (z. B. Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen). The invention relates to a motor vehicle, preferably a truck (e.g. a tractor unit), in particular a construction site truck (e.g. tipper truck or concrete mixer truck).
Das Kraftfahrzeug umfasst vorzugsweise einen Brennstoffzellenantrieb, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist somit vorzugsweise ein Brennstoffzellen- Kraftfahrzeug. The motor vehicle preferably includes a fuel cell drive, in particular for driving the motor vehicle. The motor vehicle is therefore preferably a fuel cell motor vehicle.
Das Kraftfahrzeug umfasst ein Kühlsystem zum Kühlen zumindest eines Brennstoffzellensystems. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann z. B. eingerichtet sein, um den Brennstoffzellenantrieb mit Antriebsenergie zu versorgen. The motor vehicle includes a cooling system for cooling at least one fuel cell system. The at least one fuel cell system can z. B. be set up to supply the fuel cell drive with drive energy.
Das Kühlsystem umfasst einen ersten Kreislauf (z. B. einen Kältemittelkreislauf, vorzugsweise mit Kältemittel-Phasenwechsel) und einen zweiten Kreislauf (z. B. einen Kühlmittelkreislauf, vorzugsweise ohne Kühlmittel-Phasenwechsel). The cooling system comprises a first circuit (e.g. a coolant circuit, preferably with a refrigerant phase change) and a second circuit (e.g. a coolant circuit, preferably without a coolant phase change).
Der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf sind über einen Wärmeübertrager (z. B. Chiller, insbesondere Verdampfer) insbesondere thermisch miteinander verbunden. Der Wärmeübertrager kann z. B. als Verdampfer wirken. The first circuit and the second circuit are connected to one another, in particular thermally, via a heat exchanger (e.g. chiller, in particular evaporator). The heat exchanger can e.g. B. act as an evaporator.
Das Kühlsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der zweite Kreislauf mit dem zumindest einen Brennstoffzellensystem insbesondere thermisch verbunden ist, um das zumindest eine Brennstoffzellensystem zu kühlen. Der zweite Kreislauf, insbesondere dessen Kühlmittel, kann somit vorzugsweise Reaktionsabwärme des zumindest einen Brennstoffzellensystems aufnehmen und zweckmäßig abführen. Hierfür kann z. B. das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs durch einen oder mehrere Kanäle in und/oder zwischen Bipolarplatten des Brennstoffzellensystems fliesen, um Reaktionsabwärme aufzunehmen und abzuführen. Das Kühlsystem kann auch z. B. zum Kühlen mehrerer Brennstoffzellensysteme eingerichtet sein, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sein können. The cooling system is characterized in particular by the fact that the second circuit is connected, in particular thermally, to the at least one fuel cell system in order to cool the at least one fuel cell system. The second circuit, in particular its coolant, can thus preferably absorb reaction waste heat from the at least one fuel cell system and expediently dissipate it. For this, e.g. B. the coolant of the second circuit flows through one or more channels in and/or between bipolar plates of the fuel cell system in order to absorb and dissipate reaction waste heat. The cooling system can also e.g. B. be set up to cool several fuel cell systems, which can preferably be connected in series.
Es ist möglich, dass der erste Kreislauf einen Kondensator umfasst. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Kreislauf z. B. zumindest einen Kühler umfassen, vorzugsweise zumindest einen Hochtemperatur-Kühler. It is possible that the first circuit includes a capacitor. Alternatively or additionally, the second circuit can z. B. include at least one cooler, preferably at least one high-temperature cooler.
Der Kondensator dient insbesondere dazu, das Kältemittel des ersten Kreislaufs von einem gasförmigen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand zu überführen. The condenser serves in particular to convert the refrigerant of the first circuit from a gaseous state into a liquid state.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. einen Motorraum, einen Frontendbereich und/oder eine Fahrerkabine umfassen. The motor vehicle can z. B. include an engine compartment, a front end area and / or a driver's cab.
Der zumindest eine Kühler kann z. B. durch zumindest einen Kühlerlüfter (insbesondere zur Wärmeabfuhr) unterstützt werden. Der zumindest eine Kühlerlüfter kann z. B. als Kühler-Ventilator ausgeführt sein. The at least one cooler can z. B. be supported by at least one radiator fan (especially for heat dissipation). The at least one radiator fan can z. B. be designed as a radiator fan.
Der zumindest eine Kühler und/oder der Kühlerlüfter kann z. B. im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. The at least one cooler and / or the radiator fan can z. B. be arranged in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle.
Der Kühlerlüfter kann z. B. stromaufwärts oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers angeordnet sein. The radiator fan can e.g. B. be arranged upstream or downstream of the at least one cooler.
Es ist möglich, dass der Kondensator durch zumindest einen Ventilator (insbesondere zur Wärmeabfuhr) unterstützt wird. Der Ventilator kann z. B. ein Lüfter sein. It is possible for the capacitor to be supported by at least one fan (particularly for heat dissipation). The fan can e.g. B. be a fan.
Der Ventilator kann z. B. in einem Turm angeordnet sein, insbesondere in einem hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnetem Turm. Der Ventilator kann somit z. B. ein Turmventilator sein. The fan can e.g. B. be arranged in a tower, in particular in a tower arranged behind a driver's cab of the motor vehicle. The fan can therefore e.g. B. be a tower fan.
Der Kondensator und/oder der Ventilator kann z. B. außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. The capacitor and/or the fan can e.g. B. be arranged outside the engine compartment, outside the front end area and / or behind the driver's cab of the motor vehicle.
Es ist möglich, dass der zumindest eine Kühler und der Kondensator mittels eines Luftströmungspfads in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen (z. B. seriellen) Luftströmungspfads (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar sind. Der zumindest eine Kühler und der Kondensator können somit z. B. seriell luftgekühlt werden. Es ist möglich, dass der Kondensator über einen ersten Luftströmungspfad (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar ist und der zumindest eine Kühler über einen zweiten Luftströmungspfad (insbesondere mittels Luftanströmung) kühlbar ist. It is possible that the at least one cooler and the capacitor are connected in series by means of an air flow path and/or can be cooled by means of a common (e.g. serial) air flow path (in particular by means of air flow). The at least one cooler and the condenser can therefore z. B. be serially air-cooled. It is possible that the condenser can be cooled via a first air flow path (in particular by means of air flow) and the at least one cooler can be cooled via a second air flow path (in particular by means of air flow).
Der erste Luftströmungspfad und der zweite Luftströmungspfad sind z. B. parallel geschaltet und/oder voneinander separiert. The first air flow path and the second air flow path are e.g. B. connected in parallel and / or separated from each other.
Der Wärmeübertrager und der zumindest eine Kühler können z. B. in Reihe geschaltet sein. Z. B. kann der Wärmeübertrager in Reihe stromabwärts oder stromaufwärts des zumindest einen Kühlers angeordnet sein. The heat exchanger and the at least one cooler can z. B. be connected in series. For example, the heat exchanger can be arranged in series downstream or upstream of the at least one cooler.
Es ist aber auch möglich, dass der Wärmeübertrager und der zumindest eine Kühler parallel geschaltet sind. But it is also possible for the heat exchanger and the at least one cooler to be connected in parallel.
Es ist möglich, dass der Luftströmungspfad den zumindest einen Kühlerlüfter aufweist, vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im Luftströmungspfad. Dadurch ist es z. B. möglich, dass dem zumindest einen Kühler und dem Kondensator zumindest ein gemeinsamer Kühlerlüfter zugeordnet ist. It is possible for the air flow path to have the at least one radiator fan, preferably for generating and/or amplifying an air flow in the air flow path. This makes it z. B. possible that at least one common radiator fan is assigned to the at least one cooler and the condenser.
Es ist möglich, dass der erste Luftströmungspfad den Ventilator (vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im ersten Luftströmungspfad) aufweist und der zweite Luftströmungspfad den zumindest einen Kühlerlüfter (vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung im zweiten Luftströmungspfad) aufweist. Dadurch ist es z. B. möglich, dass dem Kondensator ein eigener Ventilator zugeordnet ist und dem zumindest einen Kühler zumindest ein eigener Kühlerlüfter zugeordnet ist. It is possible for the first air flow path to have the fan (preferably for generating and/or amplifying an air flow in the first air flow path) and the second air flow path to have the at least one radiator fan (preferably for generating and/or amplifying an air flow in the second air flow path). This makes it z. B. possible that the condenser is assigned its own fan and the at least one cooler is assigned at least its own radiator fan.
Der zumindest eine Kühler kann vorzugsweise mehrere Kühler umfassen. The at least one cooler can preferably comprise several coolers.
Es ist möglich, dass zumindest zwei Kühler im zweiten Kreislauf (insbesondere Kühlmittelbezogen) z. B. parallel zueinander geschaltet sind, z. B. so, dass Kühlmittel des zweiten Kreislaufs die zumindest zwei Kühler parallel durchströmt. Dabei können die zumindest zwei Kühler mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorzugsweise in Reihe geschaltet sein und somit z. B. seriell luftgekühlt werden. It is possible for at least two coolers in the second circuit (particularly coolant-related) e.g. B. are connected in parallel to each other, e.g. B. so that coolant of the second circuit flows through the at least two coolers in parallel. The at least two coolers can preferably be connected in series by means of the air flow path or the second air flow path and thus z. B. be serially air-cooled.
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass z. B. zumindest zwei Kühler im zweiten Kreislauf (insbesondere Kühlmittel-bezogen) in Reihe zueinander geschaltet sind, z. B. so, dass Kühlmittel des zweiten Kreislaufs die zumindest zwei Kühler nacheinander durchströmt. Dabei können die zumindest zwei Kühler mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorzugsweise in Reihe geschaltet sein und somit z. B. seriell luftgekühlt werden. Alternatively or additionally, it is possible that e.g. B. at least two coolers in the second circuit (in particular coolant-related) are connected in series with one another, e.g. B. so that coolant of the second circuit flows through the at least two coolers one after the other. Included The at least two coolers can preferably be connected in series by means of the air flow path or the second air flow path and thus z. B. be serially air-cooled.
Somit ist es z. B. möglich, dass zunächst ein Kühler mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads nacheilend gekühlt wird (z. B. als zweites gekühlt wird), und danach ein Kühler mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads oder des zweiten Luftströmungspfads vorauseilend gekühlt wird (z. B. als erstes gekühlt wird). So it is e.g. B. possible that first a cooler is flowed through by means of the coolant of the second circuit, which is cooled lagging by means of the air flow path or the second air flow path (e.g. is cooled second), and then flows through a cooler by means of the coolant of the second circuit which is pre-cooled (e.g. cooled first) by means of the air flow path or the second air flow path.
Der erste Kreislauf kann z. B. ein Expansionsorgan (z. B. ein Expansionsventil) umfassen, vorzugsweise zum Steuern und/oder Regeln einer Kältemittel-Unterkühlung stromabwärts des Kondensators und/oder einer Kältemittel-Überhitzung stromabwärts des Wärmeübertragers. Der erste Kreislauf kann alternativ oder ergänzend insbesondere einen Verdichter (z. B. Kompressor) umfassen. The first circuit can e.g. B. include an expansion element (e.g. an expansion valve), preferably for controlling and / or regulating refrigerant subcooling downstream of the condenser and / or refrigerant superheating downstream of the heat exchanger. The first circuit can alternatively or additionally include in particular a compressor (e.g. compressor).
Der Verdichter kann insbesondere bauartbedingt z. B. eine Mindestdrehzahl aufweisen, unterhalb dieser er nicht betrieben werden kann. The compressor can, in particular due to its design, e.g. B. have a minimum speed below which it cannot be operated.
Der erste Kreislauf ist vorzugsweise zur aktiven Kälteleistungserzeugung für den zweiten Kreislauf eingerichtet. The first circuit is preferably set up to actively generate cooling power for the second circuit.
Der erste Kreislauf ist insbesondere ein Kältekreislauf. The first cycle is in particular a refrigeration cycle.
Der zweite Kreislauf ist z. B. ein insbesondere passiver Kühlkreislauf. The second circuit is z. B. a particularly passive cooling circuit.
Der zweite Kreislauf umfasst vorzugsweise keinen Verdichter, keinen Kondensator und/oder kein Expansionsorgan. The second circuit preferably does not include a compressor, a condenser and/or an expansion element.
Das Kraftfahrzeug kann wie schon erwähnt einen Motorraum, einen Frontendbereich und/oder eine Fahrerkabine umfassen. As already mentioned, the motor vehicle can include an engine compartment, a front end area and/or a driver's cab.
Es ist möglich, dass der zumindest eine Kühler, der Kühlerlüfter, die Pumpe, der Kondensator, (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der Luftströmungspfad und/oder (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der zweite Luftströmungspfad im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. It is possible for the at least one cooler, the radiator fan, the pump, the condenser, (expediently at least in sections) the air flow path and / or (expediently at least in sections) the second air flow path in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle is arranged.
Es ist möglich, dass der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter, der Ventilator und/oder (zweckmäßig zumindest abschnittsweise) der erste Luftströmungspfad außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. It is possible that the condenser, the expansion element, the compressor, the fan and / or (expediently at least in sections) the first air flow path outside of the engine compartment, outside the front end area and / or behind the driver's cab of the motor vehicle.
Das Kühlsystem kann vorzugsweise unterschiedliche Betriebsmodi umfassen, z. B. einen ersten Betriebsmodus, einen zweiten Betriebsmodus und/oder einen dritten Betriebsmodus. The cooling system can preferably include different operating modes, e.g. B. a first operating mode, a second operating mode and / or a third operating mode.
In einem ersten Betriebsmodus kann z. B. der erste Kreislauf aktiviert sein (z. B. der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs). Im ersten Betriebsmodus kann der zumindest eine Kühlerlüfter zweckmäßig deaktiviert sein oder leistungsreduziert arbeiten, vorzugsweise zur Reduzierung und/oder Vermeidung einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung und/oder Vermeidung einer Luft- und/oder Staubansaugung (z. B. Staub- und/oder Schmutzaufwirbelung). In a first operating mode z. B. the first circuit can be activated (e.g. the capacitor, the expansion element, the compressor and / or the fan of the first circuit). In the first operating mode, the at least one radiator fan can expediently be deactivated or operate at reduced power, preferably to reduce and/or avoid noise emissions and/or to reduce and/or avoid air and/or dust suction (e.g. dust and/or dirt stirring).
Der erste Betriebsmodus kann z. B. besonders bei Baustellenfahrzeugen vorteilhaft sein, um wenig Staub aufzuwirbeln, oder aber eben allgemein, um eine Geräuschemission des Kraftfahrzeugs zu reduzieren, falls situationsabhängig erforderlich. The first operating mode can e.g. B. be particularly advantageous in construction site vehicles in order to stir up little dust, or in general to reduce noise emissions from the motor vehicle, if necessary depending on the situation.
Der zweite Kreislauf kann zumindest eine Pumpe aufweisen, insbesondere zum Fördern des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs. Der zweite Kreislauf kann z. B. auch mehrere Pumpen umfassen. The second circuit can have at least one pump, in particular for conveying the coolant of the second circuit. The second circuit can e.g. B. also include several pumps.
Es ist möglich, dass die Pumpe, vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems, im ersten Betriebsmodus (z. B. zumindest zeitweise leistungsreduziert und/oder mit Maximalleistung) arbeitet, vorzugsweise trotz deaktiviertem oder leistungsreduziert arbeitendem Kühlerlüfter. It is possible for the pump to operate in the first operating mode (e.g. at least temporarily with reduced output and/or at maximum output), preferably to ensure sufficient cooling of the fuel station system, preferably despite the radiator fan being deactivated or operating at reduced output.
In einem zweiten Betriebsmodus ist es z. B. möglich, dass der erste Kreislauf (z. B. der Kondensator, das Expansionsorgan, der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs) und der zweite Kreislauf mitsamt dem Kühlerlüfter und/oder der Pumpe des zweiten Kreislaufs vorzugsweise gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert (z. B. in Abhängigkeit voneinander) arbeiten, vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems. In a second operating mode it is z. B. possible that the first circuit (e.g. the condenser, the expansion element, the compressor and / or the fan of the first circuit) and the second circuit together with the radiator fan and / or the pump of the second circuit are preferably activated at the same time and preferably work in an energy-optimized manner (e.g. depending on one another), preferably to achieve maximum energy efficiency of the cooling system.
Hierbei soll insbesondere das Verhältnis zwischen Kühlleistung und eingesetzter insbesondere elektrischer Leistung maximiert werden. Es wird versucht, eine ideale Kombination insbesondere aus der Drehzahl des Kühlerlüfters und der Leistung des Verdichters zu erreichen. Im ersten Betriebsmodus und/oder im zweiten Betriebsmodus ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise in Betrieb und eine (z. B. aktive) Kühlung des Brennstoffzellensystems ist erforderlich. Eine Drehzahl der Pumpe des zweiten Kreislaufs kann unabhängig von den Regelgrößen und/oder Regelstrategien des ersten Betriebsmodus und/oder des zweiten Betriebsmodus so betrieben werden, dass das Brennstoffzellensystem ausreichend gekühlt wird, z. B. erforderliche Kühlmitteltemperaturgradienten über einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erreicht werden können. In particular, the relationship between cooling performance and the electrical power used should be maximized. An attempt is made to achieve an ideal combination, particularly of the speed of the radiator fan and the performance of the compressor. In the first operating mode and/or in the second operating mode, the fuel cell system is preferably in operation and (e.g. active) cooling of the fuel cell system is required. A speed of the pump of the second circuit can be operated independently of the controlled variables and/or control strategies of the first operating mode and/or the second operating mode so that the fuel cell system is sufficiently cooled, e.g. B. required coolant temperature gradients can be achieved via one or more fuel cell stacks of the fuel cell system.
In einem dritten Betriebsmodus kann z. B. der Verdichter und/oder der Ventilator des ersten Kreislaufs deaktiviert sein und/oder der Kühlerlüfter und die Pumpe des zweiten Kreislaufs aktiviert sein, vorzugsweise zum autonomen Betreiben des zweiten Kreislaufs. In a third operating mode z. B. the compressor and / or the fan of the first circuit can be deactivated and / or the radiator fan and the pump of the second circuit can be activated, preferably for autonomous operation of the second circuit.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. eine Einrichtung (z. B. einen Taster, einen Schalter und/oder einen Touchscreen etc.) umfassen, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann. Damit sind insbesondere Ausführungsbeispiele umfasst, in denen der Fahrzeugführer insbesondere den ersten Betriebsmodus mittels der Einrichtung aktivieren und/oder deaktivieren kann. The motor vehicle can z. B. include a device (e.g. a button, a switch and / or a touchscreen, etc.) by means of which a vehicle driver can select at least one of the operating modes. This particularly includes exemplary embodiments in which the vehicle driver can activate and/or deactivate the first operating mode in particular using the device.
Es ist möglich, dass, insbesondere im ersten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters und des Verdichters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient, insbesondere eine Kühlmitteltemperatur am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems. It is possible that, in particular in the first operating mode, a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system serves as a controlled variable for controlling the radiator fan and the compressor, in particular a coolant temperature at or in the coolant inlet of the fuel cell system.
Der zweite Betriebsmodus kann vorzugsweise verschiedene Betriebsvarianten umfassen. The second operating mode can preferably include different operating variants.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient. Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden. Alternativ oder ergänzend kann der Verdichter z. B. in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt werden. Das kann z. B. eine erste Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen. It is possible that, particularly in the second operating mode, a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system serves as a controlled variable for controlling the radiator fan. The coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system, in particular by means of a sensor. Alternatively or additionally, the compressor can e.g. B. can be controlled and/or regulated depending on waste heat introduced into the cooling system. This can e.g. B. represent a first operating variant of the second operating mode.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs z. B. stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers dient (z. B. Figuren 1 und 3). Alternativ oder ergänzend kann z. B. als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts einer Kühlmittel-Zusammenführungsstelle dienen (z. B. Figuren 2 und 4). Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmittelaustritt des zumindest einen Kühlers insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden. It is possible, particularly in the second operating mode, to use a coolant temperature of the second circuit, e.g. B. serves downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger (e.g. Figures 1 and 3). Alternatively or additionally, e.g. B. as a control variable for controlling the radiator fan Coolant temperature of the second circuit serves downstream of the at least one cooler and upstream of a coolant merging point (e.g. Figures 2 and 4). The coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant outlet of the at least one cooler, in particular by means of a sensor.
Alternativ oder ergänzend kann als Regelgröße zum Regeln des Verdichters z. B. eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dienen. Alternatively or additionally, e.g. can be used as a controlled variable for controlling the compressor. B. a coolant temperature of the second circuit serves downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient insbesondere zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts des zumindest einen Kühlers und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers. The coolant merging point (e.g. a T or Y piece) serves in particular to bring together a line section downstream of the at least one cooler and a line section downstream of the heat exchanger.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle kann vorzugsweise stromabwärts des zumindest einen Kühlers und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. The coolant merging point can preferably be arranged downstream of the at least one cooler and/or downstream of the heat exchanger. Alternatively or additionally, the coolant merging point can be arranged in particular upstream of the fuel cell system.
Das kann z. B. eine zweite Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen. This can e.g. B. represent a second operating variant of the second operating mode.
Es ist möglich, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters eine Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems dient und/oder der Verdichter in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Kühlerlüfters und/oder Timer-abhängig gesteuert und/oder geregelt wird. Die Kühlmitteltemperatur kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems insbesondere mittels eines Sensors erfasst werden. It is possible, in particular in the second operating mode, for a coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system to serve as a controlled variable for controlling the radiator fan and/or for the compressor to be controlled depending on a speed of the radiator fan and/or timer-dependent and /or is regulated. The coolant temperature can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system, in particular by means of a sensor.
Das kann z. B. eine dritte Betriebsvariante des zweiten Betriebsmodus darstellen. This can e.g. B. represent a third operating variant of the second operating mode.
Zu erwähnen ist, dass insbesondere eine Drehzahl des Kühlerlüfters und/oder eine Drehzahl des Verdichters gesteuert und/oder geregelt wird. It should be mentioned that in particular a speed of the radiator fan and/or a speed of the compressor is controlled and/or regulated.
Das Kraftfahrzeug kann z. B. eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung (z. B. ein Fahrzeugsteuergerät) umfassen, um das Kreislaufsystem zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln. Der zweite Kreislauf kann z. B. zumindest ein Ventil zum Steuern und/oder Regeln einer Kühlmittel-Durchflussmenge zwischen dem zumindest einen Kühler und dem Brennstoffzellensystem umfassen. The motor vehicle can z. B. include an electronic control and / or regulating device (e.g. a vehicle control unit) to control and / or regulate the circulatory system for executing the first operating mode, the second operating mode and / or the third operating mode. The second circuit can e.g. B. include at least one valve for controlling and / or regulating a coolant flow rate between the at least one cooler and the fuel cell system.
Der Motorraum kann vorzugsweise auch z. B. einen Kühlerraum umfassen, der üblicherweise Teil des Motorraums ist und/oder benachbart zum Motorraum angeordnet sein kann. The engine compartment can preferably also z. B. include a radiator compartment, which is usually part of the engine compartment and / or can be arranged adjacent to the engine compartment.
Das Brennstoffzellensystem kann z. B. zumindest eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und/oder zumindest eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfassen. The fuel cell system can z. B. include at least one polymer electrolyte fuel cell and / or at least one proton exchange membrane fuel cell.
Als Brennstoff des Brennstoffzellensystems dient vorzugsweise Wasserstoff. Hydrogen is preferably used as the fuel of the fuel cell system.
Es ist möglich, dass der zweite Kreislauf mit dem Brennstoffzellensystem insbesondere so verbunden ist, dass das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs durch zumindest einen Kanal in und/oder zwischen zumindest einer Bipolarplatte fließen und dadurch zweckmäßig Reaktionsabwärme des Brennstoffzellensystems aufnehmen und abführen kann. It is possible for the second circuit to be connected to the fuel cell system in particular in such a way that the coolant of the second circuit can flow through at least one channel into and/or between at least one bipolar plate and can thereby expediently absorb and dissipate reaction waste heat from the fuel cell system.
Der Kondensator kann vorzugsweise ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sein. The condenser can preferably be a refrigerant-air heat exchanger.
Das Kühlsystem kann z. B. als Kälte- und/oder Kühlanlage ausgeführt sein, insbesondere als (Hochtemperatur-) Kälte- und/oder Kühlanlage. The cooling system can e.g. B. be designed as a refrigeration and / or cooling system, in particular as a (high-temperature) refrigeration and / or cooling system.
Zu erwähnen ist, dass die Kühlmitteltemperatur des zweiten Kreislaufs stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems vorzugsweise mittels eines Sensors am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems erfasst werden kann. It should be mentioned that the coolant temperature of the second circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system can preferably be detected by means of a sensor at or in the coolant inlet of the fuel cell system.
Zu erwähnen ist auch, dass die Kühlmitteltemperatur stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle vorzugsweise mittels eines Sensors am oder im Kühlmittelaustritt des zumindest einen Kühlers erfasst werden kann. It should also be mentioned that the coolant temperature downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger or downstream of the at least one cooler and upstream of the coolant merging point can preferably be detected by means of a sensor on or in the coolant outlet of the at least one cooler.
Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, wobei das Kraftfahrzeug und/oder das Kühlsystem zweckmäßig wie hierin offenbart ausgeführt sein kann. Das Betriebsverfahren kann mit einem Kraftfahrzeug und/oder einem Kühlsystem wie hierin offenbart ausgeführt werden. The invention also relates to an operating method for a motor vehicle with a cooling system for cooling a fuel cell system, wherein the motor vehicle and/or the cooling system can expediently be designed as disclosed herein. The operating method may be performed with a motor vehicle and/or a cooling system as disclosed herein.
Bei dem Betriebsverfahren werden somit ein erster Kreislauf und ein zweiter Kreislauf genutzt, wobei der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf über einen Wärmeübertrager insbesondere thermisch miteinander verbunden sind. Der zweite Kreislauf ist insbesondere thermisch mit einem Brennstoffzellensystem verbunden, um das Brennstoffzellensystem zu kühlen. In the operating method, a first circuit and a second circuit are used, with the first circuit and the second circuit in particular via a heat exchanger are thermally connected to each other. The second circuit is in particular thermally connected to a fuel cell system in order to cool the fuel cell system.
Die Offenbarung zum Kraftfahrzeug und/oder zum Kühlsystem gilt zweckmäßig ebenfalls für das Betriebsverfahren. The disclosure regarding the motor vehicle and/or the cooling system also applies expediently to the operating method.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele und Merkmale der Erfindung können zweckmäßig miteinander kombiniert werden. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart oder ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren. The preferred exemplary embodiments and features of the invention described above can be expediently combined with one another. Other advantageous developments of the invention are disclosed in the subclaims or result from the following description of preferred exemplary embodiments of the invention in conjunction with the attached figures.
Figur 1 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärme- übertrager- erschaltung, Figure 1 shows a cooling system according to an exemplary embodiment of the invention, in particular with parallel capacitor connection and serial heat exchanger connection,
Figur 2 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Serieller-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärme- übertrager- Verschaltung, Figure 2 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with serial capacitor connection and parallel heat exchanger connection,
Figur 3 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Serieller-Kondensator-Verschaltung und Serieller-Wärme- übertrager- Verschaltung, Figure 3 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with serial capacitor connection and serial heat exchanger connection,
Figur 4 zeigt ein Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit Paralleler-Kondensator-Verschaltung und Paralleler-Wärme- übertrager- Verschaltung, Figure 4 shows a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, in particular with parallel capacitor connection and parallel heat exchanger connection,
Figur 5 zeigt eine Seitensicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figure 5 shows a side view of an exemplary motor vehicle, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system according to an exemplary embodiment of the invention,
Figur 6 zeigt eine Seitensicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur ? illustriert ein beispielhaftes Kennfeld zur Erläuterung einer energieoptimalen Kombination aus Lüfterdrehzahl und Verdichterdrehzahl für eine bestimmte Kühlleistung, und Figure 6 shows a side view of an exemplary motor vehicle, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system according to another exemplary embodiment of the invention, figure? illustrates an exemplary map to explain an energy-optimal combination of fan speed and compressor speed for a specific cooling capacity, and
Figur 8 illustriert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Reihe geschalteten Kühlern. Figure 8 illustrates an embodiment of the invention with two coolers connected in series.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele stimmen teilweise überein, wobei ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele verwiesen werden kann, um Wiederholungen zu vermeiden. The exemplary embodiments shown in the figures partially correspond, with similar or identical parts being provided with the same reference numerals, and for their explanation reference can also be made to the description of other exemplary embodiments in order to avoid repetitions.
Figur 1 zeigt ein Kühlsystem 100 für ein Kraftfahrzeug 200 (z. B. Figuren 5 und 6) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 200 umfasst vorzugsweise einen Brennstoffzellenantrieb zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200. Der Brennstoffzellenantrieb kann zweckmäßig mittels zumindest eines Brennstoffzellensystems 40 mit Antriebsenergie versorgt werden. Das Kraftfahrzeug 200 ist insbesondere ein Lastkraftwagen (z. B. eine Sattelzugmaschine), insbesondere ein Baustellen-Lastkraftwagen (z. B. Kipper-Lastkraftwagen oder Betonmischer-Lastkraftwagen). Figure 1 shows a cooling system 100 for a motor vehicle 200 (e.g. Figures 5 and 6) according to an exemplary embodiment of the invention. The motor vehicle 200 preferably includes a fuel cell drive for driving the motor vehicle 200. The fuel cell drive can expediently be supplied with drive energy by means of at least one fuel cell system 40. The motor vehicle 200 is in particular a truck (e.g. a tractor unit), in particular a construction site truck (e.g. tipper truck or concrete mixer truck).
Das Kühlsystem 100 dient insbesondere zum Kühlen des Brennstoffzellensystems 40. Das Kühlsystem 100 umfasst einen ersten Kreislauf 10, der vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf ist und ein Kältemittel führt. Das Kühlsystem 100 umfasst auch einen zweiten Kreislauf 20, der vorzugsweise ein Kühlmittelkreislauf ist und ein Kühlmittel führt. The cooling system 100 is used in particular to cool the fuel cell system 40. The cooling system 100 comprises a first circuit 10, which is preferably a refrigerant circuit and carries a refrigerant. The cooling system 100 also includes a second circuit 20, which is preferably a coolant circuit and carries a coolant.
Bei einem Brennstoffzellensystem wie z. B. dem Brennstoffzellensystem 40 muss das für den Betrieb erforderliche Temperaturfenster üblicherweise präziser eingehalten werden als bei einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine. Die Temperierung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellensystems hat einen erheblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt einer Membran, insbesondere einer Polymereelektrolytmembran. Eine zu hohe Temperatur kann zunächst zu einem Austrocknen der Membran führen und über einen längeren Zeitraum zu einem kontinuierlichem Schädigungsprozess. Eine zu niedrige Temperatur kann zum Auskondensieren des Wasserdampfes im Abgas innerhalb eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems führen. In Folge dessen können Gaskanäle blockiert werden, sodass möglicherweise eine Reaktion im Brennstoffzellenstapel nicht mehr stattfinden kann. Übersteigt die Kühlmitteltemperatur das reguläre Temperaturfenster für den Betrieb, so kommt es üblicherweise zunächst mit Hilfe einer Schutzfunktion zu einer Leistungsreduktion des Brennstoffzellenstapels (insbesondere thermisches Derating). Die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels wird üblicherweise reduziert, dadurch auch die entstehende Abwärme. In anspruchsvollen Fahrsituationen muss die Leistung des Brennstoffzellensystems so stark reduziert werden, dass das Kraftfahrzeug die nötige Antriebsleistung möglicherweise nicht mehr zur Verfügung stellen kann. In a fuel cell system such as B. the fuel cell system 40, the temperature window required for operation must usually be maintained more precisely than with a conventional internal combustion engine. The temperature control of a bipolar plate of the fuel cell system has a significant influence on the water balance of a membrane, especially a polymer electrolyte membrane. A temperature that is too high can initially lead to the membrane drying out and over a longer period of time to a continuous damage process. A temperature that is too low can lead to the water vapor in the exhaust gas condensing out within a fuel cell stack of the fuel cell system. As a result, gas channels can become blocked, meaning that a reaction in the fuel cell stack may no longer be able to take place. If the coolant temperature exceeds the regular temperature window for operation, a reduction in the performance of the fuel cell stack (in particular thermal derating) usually occurs first with the help of a protective function. The electrical output of the fuel cell stack is usually reduced, as is the resulting waste heat. In demanding driving situations, the performance of the fuel cell system must be reduced to such an extent that the motor vehicle may no longer be able to provide the necessary drive power.
Der erste Kreislauf 10 umfasst insbesondere einen Kondensator 11 , ein Expansionsorgan 12 (z. B. ein Expansionsventil) und einen Verdichter 13 (z. B. einen Kompressor). The first circuit 10 includes in particular a condenser 11, an expansion element 12 (e.g. an expansion valve) and a compressor 13 (e.g. a compressor).
Der zweite Kreislauf 20 umfasst insbesondere zwei parallel geschaltete Kühler 21.1 , 21.2 und eine Pumpe 23 zum Fördern des Kühlmittels. Es sind alternativ oder ergänzend auch Ausführungsbeispiele mit nur einem Kühler möglich und auch mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Kühlern möglich. Die Kühler 21.1 , 21.2 sind vorzugsweise Hochtemperatur-Kühler. Figur 8 zeigt z. B. ein Ausführungsbeispiel mit zwei im zweiten Kreislauf 20 in Reihe geschalteten Kühlern 21.1 , 21.2. The second circuit 20 includes in particular two coolers 21.1, 21.2 connected in parallel and a pump 23 for conveying the coolant. Alternatively or additionally, exemplary embodiments with only one cooler are also possible and also possible with at least two coolers connected in series. The coolers 21.1, 21.2 are preferably high-temperature coolers. Figure 8 shows z. B. an embodiment with two coolers 21.1, 21.2 connected in series in the second circuit 20.
Der erste Kreislauf 10 und der zweite Kreislauf 20 sind über einen Wärmeübertrager 30 zweckmäßig thermisch miteinander verbunden. Der Wärmeübertrager 30 kann z. B. ein Chiller sein und/oder zweckmäßig als Verdampfer wirken. The first circuit 10 and the second circuit 20 are expediently thermally connected to one another via a heat exchanger 30. The heat exchanger 30 can z. B. be a chiller and / or expediently act as an evaporator.
Der zweite Kreislauf 20 ist mit dem Brennstoffzellensystem 40 zweckmäßig thermisch verbunden, um das Brennstoffzellensystem 40 kühlen zu können. The second circuit 20 is expediently thermally connected to the fuel cell system 40 in order to be able to cool the fuel cell system 40.
Zumindest ein Ventilator 22.1 ist bereitgestellt zur Unterstützung des Kondensators 11 , insbesondere zur Luftkühlung des Kondensators 11. At least one fan 22.1 is provided to support the capacitor 11, in particular for air cooling of the capacitor 11.
Zumindest ein Kühlerlüfter 22.2 ist bereitgestellt zur Unterstützung der Kühler 21.1 , 21.2, insbesondere zur Luftkühlung der Kühler 21.1 , 21.2. At least one radiator fan 22.2 is provided to support the coolers 21.1, 21.2, in particular for air cooling of the coolers 21.1, 21.2.
Der Kondensator 11 ist über einen ersten Luftströmungspfad P1 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei der erste Luftströmungspfad P1 den Ventilator 22.1 umfasst. The capacitor 11 can expediently be cooled by means of an air flow via a first air flow path P1, the first air flow path P1 comprising the fan 22.1.
Die Kühler 21.1 , 21.2 sind über einen zweiten Luftströmungspfad P2 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei der zweite Luftströmungspfad P2 den Kühlerlüfter 22.2 umfasst. Der erste Luftströmungspfad P1 und der zweite Luftströmungspfad P2 sind parallel geschaltet und/oder insbesondere räumlich voneinander separiert. Dadurch sind die Kühler 21.1 , 21.2 einerseits und der Kondensator 11 andererseits mittels der zwei Luftströmungspfade P1 , P2 parallel verschaltet. The coolers 21.1, 21.2 can expediently be cooled by means of an air flow via a second air flow path P2, the second air flow path P2 comprising the radiator fan 22.2. The first air flow path P1 and the second air flow path P2 are connected in parallel and/or in particular spatially separated from one another. As a result, the coolers 21.1, 21.2 on the one hand and the capacitor 11 on the other hand are connected in parallel by means of the two air flow paths P1, P2.
Die Kühler 21.1 , 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind in Reihe geschaltet. The coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in series.
Figur 1 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Paralleler-Kondensator- Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung. 1 thus describes a cooling system 100 with, in particular, parallel capacitor interconnection and serial heat exchanger interconnection.
Figur 2 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure 2 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Kühlsystem 100 sind die Kühler 21.1 , 21.2 und der Kondensator 11 mittels eines Luftströmungspfads P in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads P zweckmäßig mittels einer Luftströmung seriell kühlbar. In the cooling system 100 shown in Figure 2, the coolers 21.1, 21.2 and the condenser 11 are connected in series by means of an air flow path P and/or can expediently be cooled in series by means of an air flow by means of a common air flow path P.
Der Luftströmungspfad P umfasst zumindest einen Kühlerlüfter 22, mittels dessen die KühlerThe air flow path P includes at least one radiator fan 22, by means of which the cooler
21.1. 21.2 und der Kondensator 11 gemeinsam unterstützt und/oder gekühlt werden können. 21.1. 21.2 and the capacitor 11 can be supported and/or cooled together.
Eine Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts der Kühler 21.1 , 21.2 und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers 30. A coolant merging point 24 (e.g. a T or Y piece) serves to merge a line section downstream of the coolers 21.1, 21.2 and a line section downstream of the heat exchanger 30.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 kann insbesondere stromabwärts der Kühler 21.1 ,The coolant merging point 24 can in particular downstream of the cooler 21.1,
21.2 und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffenzellensystems 40 angeordnet sein. 21.2 and/or downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40.
Die Kühler 21.1 , 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind parallel geschaltet. The coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in parallel.
Figur 2 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Serieller-Kondensator- erschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung. 2 thus describes a cooling system 100 with, in particular, serial capacitor connection and parallel heat exchanger connection.
Figur 3 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure 3 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Kühlsystem 100 sind die Kühler 21.1 , 21.2 und der Kondensator 11 mittels eines Luftströmungspfads P in Reihe geschaltet und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads P zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar (vgl. z. B. Figur 2). Die Kühler 21.1 , 21.2 und der Wärmeübertrager 30 sind in Reihe geschaltet (vgl. z. B. Figur 1). In the cooling system 100 shown in Figure 3, the coolers 21.1, 21.2 and the condenser 11 are connected in series by means of an air flow path P and/or can be expediently cooled by means of an air flow by means of a common air flow path P (see, for example, Figure 2). The coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in series (see, for example, Figure 1).
Figur 3 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Serieller-Kondensator- Verschaltung und Serieller-Wärmeübertrager-Verschaltung. 3 thus describes a cooling system 100 with, in particular, serial capacitor interconnection and serial heat exchanger interconnection.
Figur 4 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure 4 shows a cooling system 100 according to another embodiment of the invention.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Kühlsystem 100 ist der Kondensator 11 über einen ersten Luftströmungspfad P1 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar, wobei die Kühler 21.1 , 21.2 über einen zweiten Luftströmungspfad P2 zweckmäßig mittels einer Luftströmung kühlbar sind (vgl. z. B. Figur 1). Der erste Luftströmungspfad P1 und der zweite Luftströmungspfad P2 sind parallel geschaltet und/oder insbesondere räumlich voneinander separiert. Dadurch sind die Kühler 21.1 , 21.2 einerseits und der Kondensator 11 andererseits mittels der zwei Luftströmungspfade P1 , P2 parallel verschaltet. 4, the condenser 11 can expediently be cooled by means of an air flow via a first air flow path P1, the coolers 21.1, 21.2 can expediently be cooled by means of an air flow via a second air flow path P2 (cf. e.g. FIG. 1) . The first air flow path P1 and the second air flow path P2 are connected in parallel and/or in particular spatially separated from one another. As a result, the coolers 21.1, 21.2 on the one hand and the capacitor 11 on the other hand are connected in parallel by means of the two air flow paths P1, P2.
Die Kühler 21.1 , 21 .2 und der Wärmeübertrager 30 sind parallel geschaltet (vgl. z. B. Figur 2). The coolers 21.1, 21.2 and the heat exchanger 30 are connected in parallel (see, for example, Figure 2).
Figur 4 beschreibt somit ein Kühlsystem 100 mit insbesondere Paralleler-Kondensator- erschaltung und Paralleler-Wärmeübertrager-Verschaltung. 4 thus describes a cooling system 100 with, in particular, parallel capacitor connection and parallel heat exchanger connection.
Eine Besonderheit des Kühlsystems 100 ist, dass es vorzugsweise in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann, z. B. einem ersten Betriebsmodus, einem zweiten Betriebsmodus und z. B. einem dritten Betriebsmodus. A special feature of the cooling system 100 is that it can preferably be operated in different operating modes, e.g. B. a first operating mode, a second operating mode and z. B. a third operating mode.
Es ist möglich, dass in einem ersten Betriebsmodus der erste Kreislauf 10 (insbesondere dessen Kondensator 11 , Expansionsorgan 12, Verdichter 13 und/oder Ventilator 22.1) aktiviert ist und der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert ist oder leistungsreduziert arbeitet, aber die Pumpe 23 des zweiten Kreislaufs 20, vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems 40, zweckmäßig zumindest zeitweise leistungsreduziert und/oder mit Maximalleistung arbeitet. Der erste Betriebsmodus dient vorteilhaft zur Reduzierung (z. B. im Wesentlichen Vermeidung) einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung (z. B. im Wesentlichen Vermeidung) einer Staub- oder Luftansaugung (z. B. Staubverwirbelung). It is possible that in a first operating mode the first circuit 10 (in particular its capacitor 11, expansion element 12, compressor 13 and/or fan 22.1) is activated and the radiator fan 22, 22.2 is deactivated or operates at reduced power, but the pump 23 of the second Circuit 20, preferably to ensure sufficient cooling of the fuel point system 40, expediently operates at least temporarily with reduced power and / or at maximum power. The first operating mode advantageously serves to reduce (e.g. essentially avoid) noise emissions and/or to reduce (e.g. essentially avoid) dust or air suction (e.g. dust turbulence).
Im ersten Betriebsmodus kann z. B. eine sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 als Regelgröße für den Kühlerlüfter 22, 22.2 und den Verdichter 13 genutzt werden. Der Kühlerlüfter 22, 22.2 und der Verdichter 13 können (z. B. durch jeweils einen PI-Regler getrennt voneinander) auf eine vorgegebene Solltemperatur geregelt werden. In the first operating mode z. B. a sensor-detected coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 can be used as a controlled variable for the radiator fan 22, 22.2 and the compressor 13. The radiator fan 22, 22.2 and the compressor 13 can be regulated to a predetermined target temperature (e.g. separately by a PI controller each).
Im Kühlbedarfsfall kann z. B. zunächst lediglich der erste Kreislauf 10 aktiviert werden, wobei der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert bleiben kann. Erreicht der erste Kreislauf 10 seine maximale Verdichterdrehzahl und liegt die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 über der Solltemperatur, so kann der Kühlerlüfter 22, 22.2 aktiviert und dessen Drehzahl auf die Kühlmitteltemperatur T2 geregelt werden. Solange der Kühlerlüfter 22, 22.2 aktiv ist, kann die Verdichterdrehzahl vorzugsweise bei ihrem Maximum bleiben, sodass eine Steuerung und/oder Regelung für den Verdichter 13 oder allgemein den ersten Kreislauf 10 zweckmäßig übersteuert werden kann. If cooling is required, e.g. B. initially only the first circuit 10 can be activated, whereby the radiator fan 22, 22.2 can remain deactivated. If the first circuit 10 reaches its maximum compressor speed and the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is above the target temperature, the radiator fan 22, 22.2 can be activated and its speed can be regulated to the coolant temperature T2. As long as the radiator fan 22, 22.2 is active, the compressor speed can preferably remain at its maximum, so that a control and/or regulation for the compressor 13 or generally the first circuit 10 can be expediently overridden.
Die Kühlmitteltemperatur T2 kann vorzugsweise am oder im Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellensystems 40 erfasst werden. The coolant temperature T2 can preferably be detected at or in the coolant inlet of the fuel cell system 40.
Fällt eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf ungefähr Null, kann z. B. ein Timer mit einer vordefinierten Zeitdauer von z. B. 10 Sekunden starten (kann ggf. länger oder kürzer werden). Verstreicht die vordefinierte Zeitdauer, ohne dass der Kühlerlüfter 22, 22.2 wieder aktiviert wird, kann der Verdichter 13 oder allgemein der erste Kreislauf 10 wieder aktiviert und der Kühlerlüfter 22, 22.2 deaktiviert werden. If the speed of the radiator fan 22, 22.2 drops to approximately zero, z. B. a timer with a predefined time period of e.g. B. Start 10 seconds (can be longer or shorter if necessary). If the predefined period of time elapses without the radiator fan 22, 22.2 being activated again, the compressor 13 or generally the first circuit 10 can be reactivated and the radiator fan 22, 22.2 can be deactivated.
Es ist möglich, dass in einem zweiten Betriebsmodus der erste Kreislauf 10 (insbesondere dessen Kondensator 11 , Expansionsorgan 12, Verdichter 13 und/oder Ventilator 22.1) und der zweite Kreislauf 20 mitsamt des Kühlerlüfters 22, 22.2 und zweckmäßig der Pumpe 23 gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert, insbesondere in Abhängigkeit voneinander arbeiten. It is possible that in a second operating mode the first circuit 10 (in particular its capacitor 11, expansion element 12, compressor 13 and/or fan 22.1) and the second circuit 20 together with the radiator fan 22, 22.2 and expediently the pump 23 are activated at the same time and preferably energy-optimized, especially working interdependently.
Der zweite Betriebsmodus dient vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems 100. Ist das Ziel z. B. maximale Energieeffizienz, so soll das Verhältnis zwischen Kühlleistung für das Brennstoffzellensystem 40 und eingesetzter, insbesondere elektrischer Leistung (z. B. für Kühlerlüfter 22, 22.2, Ventilator 22.1 , Pumpe 23 und/oder Verdichter 13) maximiert werden. Es wird insbesondere versucht, eine ideale Kombination aus Kühlerlüfter- und/oder Ventilator-Drehzahl und Verdichterleistung zu erreichen, was z. B. durch eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Kraftfahrzeugs, z. B. basierend auf einem oder mehreren Kennfeldern, realisiert werden kann. Der zweite Betriebsmodus kann vorzugsweise mit unterschiedlichen Betriebsvarianten (insbesondere Regelstrategien) betrieben werden. The second operating mode preferably serves to achieve maximum energy efficiency of the cooling system 100. Is the goal z. B. maximum energy efficiency, the ratio between cooling power for the fuel cell system 40 and the power used, in particular electrical power (e.g. for radiator fan 22, 22.2, fan 22.1, pump 23 and/or compressor 13) should be maximized. In particular, attempts are made to achieve an ideal combination of radiator fan and/or fan speed and compressor performance, which, for example, B. by an electronic control and / or regulating device of the motor vehicle, e.g. B. based on one or more maps can be realized. The second operating mode can preferably be operated with different operating variants (in particular control strategies).
In einer ersten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden, wobei eine Drehzahl des Verdichters 13 in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem 100 eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt werden kann. In a first operating variant, a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40, with a speed of the compressor 13 being controlled and/or regulated depending on waste heat introduced into the cooling system 100 can.
Für jede Komponente im Kühlsystem 100 (z. B. Brennstoffzellensystem 40, Leistungselektronik, etc.) kann der aktuelle Wärmeeintrag z. B. durch Sensoren erfasst werden und/oder über den aktuellen Leistungsbedarf und/oder den Komponentenwirkungsgrad vorbekannt und/oder berechenbar sein. For each component in the cooling system 100 (e.g. fuel cell system 40, power electronics, etc.), the current heat input can be e.g. B. be detected by sensors and/or be previously known and/or calculable via the current power requirement and/or the component efficiency.
In Abhängigkeit anfallender Abwärmen insbesondere des Brennstoffzellensystems 40, auch optional weiterer Komponenten im Kühlsystems 100, kann die optimale Verdichterdrehzahl geregelt und/oder gesteuert werden. Die Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 kann hierbei z. B. über einen PI-Regler auf die Kühlmitteltemperatur T2 geregelt werden. Depending on the waste heat generated, in particular from the fuel cell system 40, and also optionally from other components in the cooling system 100, the optimal compressor speed can be regulated and/or controlled. The speed of the radiator fan 22, 22.2 can z. B. can be regulated to the coolant temperature T2 via a PI controller.
Die optimale Drehzahl des Verdichters 13 kann hierbei auf verschiedene Weisen bestimmt werden. The optimal speed of the compressor 13 can be determined in various ways.
Eine Möglichkeit ist z. B. eine Kennfelder-basierte Steuerung und/oder Regelung. So können z. B. Kennfelder für variierende Betriebspunkte hinterlegt sein, wobei z. B. zwischen Kennfeldern vorzugsweise interpoliert werden kann. One possibility is e.g. B. a map-based control and/or regulation. For example, B. maps for varying operating points can be stored, with z. B. can preferably be interpolated between maps.
Eine andere Möglichkeit ist z. B. dass in einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung (z. B. im Fahrzeugsteuergerät) ein zweckmäßig vereinfachtes Simulationsmodell des Kühlsystems 100 hinterlegt ist. Während des Betriebs kann z. B. in gewissen Abständen zyklisch über einen auf der Steuer- und/oder Regeleinrichtung hinterlegten Algorithmus das Optimum für die aktuelle Betriebsbedingung berechnet werden. Another possibility is e.g. B. that an appropriately simplified simulation model of the cooling system 100 is stored in an electronic control and/or regulating device (e.g. in the vehicle control unit). During operation z. B. the optimum for the current operating condition can be calculated cyclically at certain intervals using an algorithm stored on the control and / or regulating device.
Eine andere Möglichkeit ist z. B. die Nutzung eines neuronalen Netzes, mittels dessen z. B. das Kühlsystem 100 dynamisch angenähert werden kann. Dies hat ggf. Vorteile hinsichtlich Rechenzeit und erforderliche Berechnungsperformance. Another possibility is e.g. B. the use of a neural network, by means of which z. B. the cooling system 100 can be approached dynamically. This may have advantages in terms of computing time and required calculation performance.
Die Möglichkeiten können zweckmäßig einzeln oder auch kombiniert genutzt werden. Bei dieser Betriebsvariante kann das Kühlsystem 100 mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. The options can be used individually or in combination. In this operating variant, the cooling system 100 can be operated with optimal efficiency.
In einer zweiten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine insbesondere sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T1 des zweiten Kreislaufs 20 stromabwärts der Kühler 21.1 , 21.2 und stromaufwärts des Wärmeübertragers 30 geregelt werden (z. B. Figuren 1 und 3). Alternativ kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine insbesondere sensorisch erfasste Kühlmitteltemperatur T1 des zweiten Kreislaufs 20 stromabwärts der Kühler 21.1 , 21.2 und stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 geregelt werden (z. B. Figuren 2 und 4). Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 (z. B. ein T- oder Y-Stück) dient insbesondere zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts der Kühler 21.1 , 21.2 und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers 30. In a second operating variant, a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T1 of the second circuit 20, which is detected in particular by sensors, downstream of the cooler 21.1, 21.2 and upstream of the heat exchanger 30 (e.g. Figures 1 and 3). Alternatively, a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T1 of the second circuit 20, which is detected in particular by sensors, downstream of the cooler 21.1, 21.2 and upstream of the coolant merging point 24 (e.g. Figures 2 and 4). The coolant merging point 24 (e.g. a T or Y piece) serves in particular to bring together a line section downstream of the coolers 21.1, 21.2 and a line section downstream of the heat exchanger 30.
Die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle 24 ist vorzugsweise stromabwärts zumindest eines Kühlers 21.1 , 21.2, stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und/oder stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 angeordnet. The coolant merging point 24 is preferably arranged downstream of at least one cooler 21.1, 21.2, downstream of the heat exchanger 30 and/or upstream of the fuel cell system 40.
Die Kühlmitteltemperatur T1 kann vorzugsweise am oder im Kühlmittelaustritt zumindest eines der Kühler 21.1 , 21.2 mittels eines Sensors erfasst werden. The coolant temperature T1 can preferably be detected at or in the coolant outlet of at least one of the coolers 21.1, 21.2 by means of a sensor.
Eine Drehzahl des Verdichters 13 kann auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden. Dabei können die jeweiligen Ziel-Solltemperaturen ggf. entsprechend variiert werden. A speed of the compressor 13 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40. The respective target temperatures can be varied accordingly if necessary.
Um eine Anschalthysterese durch eine Mindestdrehzahl des Verdichters 13 zu verhindern, kann der Verdichter 13 nach einer Aktivierung (Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 über Solltemperatur) z. B. erst wieder deaktiviert, wenn die geregelte Verdichterdrehzahl länger als ein festgelegten Zeitraum (z. B. 10 Sekunden) an der Mindestdrehzahl anliegt und die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 in diesem Zeitraum unter der Solltemperatur liegt. In order to prevent a switch-on hysteresis due to a minimum speed of the compressor 13, the compressor 13 can be above the target temperature after activation (coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40), for example. B. only deactivated again when the regulated compressor speed is at the minimum speed for longer than a specified period of time (e.g. 10 seconds) and the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is below the target temperature during this period.
In einer dritten Betriebsvariante kann eine Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf eine Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 geregelt werden, wobei z. B. eine Verdichterdrehzahl im Wesentlichen bei null bleiben kann. Erreicht der Kühlerlüfter 22, 22.2 z. B. seine maximale Drehzahl, kann ein Timer mit einer vordefinierten Zeitdauer (z. B. 10 Sekunden) gestartet werden. In a third operating variant, a speed of the radiator fan 22, 22.2 can be regulated to a coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40, z. B. a compressor speed can remain essentially at zero. If the radiator fan reaches 22, 22.2 z. B. its maximum speed, a timer can be started with a predefined period of time (e.g. 10 seconds).
Fällt eine Solldrehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 während der Zeitdauer unter eine Maximaldrehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2, kann der Timer zweckmäßig beendet werden. If a target speed of the radiator fan 22, 22.2 falls below a maximum speed of the radiator fan 22, 22.2 during the period of time, the timer can be conveniently ended.
Läuft der Timer ab, kann die Drehzahl des Kühlerlüfters 22, 22.2 auf ihrem Maximum gehalten werden und der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung aktiviert werden. If the timer expires, the speed of the radiator fan 22, 22.2 can be kept at its maximum and the compressor 13 and/or its control can be activated.
Ein weiterer Timer kann gestartet werden. Der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung kann so lange aktiv bleiben, bis die Verdichterdrehzahl für einen vordefinierten Zeitraum (z. B. mehr als 10 Sekunden) im Wesentlichen an ihrer Mindestdrehzahl bleibt und die Solltemperatur durch die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts des Wärmeübertragers 30 und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 40 unterschritten wird. Ansonsten kann der Verdichter 13 und/oder dessen Regelung deaktiviert werden. Another timer can be started. The compressor 13 and/or its control can remain active until the compressor speed remains essentially at its minimum speed for a predefined period of time (e.g. more than 10 seconds) and the target temperature is determined by the coolant temperature T2 downstream of the heat exchanger 30 and upstream of the fuel cell system 40 is undercut. Otherwise, the compressor 13 and/or its control can be deactivated.
Das Kühlsystem 100 kann somit in zumindest zwei Betriebsmodi betrieben werden, die hinsichtlich der Erreichung unterschiedlicher Betriebsziele optimiert sind, nämlich zum einen eine Reduzierung einer Geräuschemission und/oder einer Staub- oder Luftansaugung (zweckmäßig erster Betriebsmodus), und zum anderen eine Maximierung der Energieeffizienz (zweckmäßig zweiter Betriebsmodus, der vorzugsweise unterschiedliche Betriebsvarianten umfassen kann). The cooling system 100 can thus be operated in at least two operating modes, which are optimized with regard to achieving different operating goals, namely, on the one hand, a reduction in noise emissions and / or dust or air suction (expediently first operating mode), and on the other hand, a maximization of energy efficiency ( expediently second operating mode, which can preferably include different operating variants).
Zu Grunde liegt die Annahme, dass das Brennstoffzellensystem 40 (insbesondere im ersten Betriebsmodus und/oder im zweiten Betriebsmodus) in Betrieb ist und eine (insbesondere aktive) Kühlung des Brennstoffzellensystems 40 erforderlich ist. Die Drehzahl der Pumpe 23 des zweiten Kreislaufs 20 kann so geregelt und/oder gesteuert werden, dass im Brennstoffzellensystem 40 die erforderlichen Kühlmitteltemperaturgradienten über die Brennstoffzellenstapel erreicht werden können. Die Pumpendrehzahl kann hierbei vorzugsweise unabhängig betrieben werden, insbesondere losgelöst von den hierin erörterten Betriebs- und/oder Regelstrategien. The basis is the assumption that the fuel cell system 40 is in operation (in particular in the first operating mode and/or in the second operating mode) and (in particular active) cooling of the fuel cell system 40 is required. The speed of the pump 23 of the second circuit 20 can be regulated and/or controlled in such a way that the required coolant temperature gradients can be achieved via the fuel cell stacks in the fuel cell system 40. The pump speed can preferably be operated independently, in particular separately from the operating and/or control strategies discussed herein.
Insbesondere kann der Ventilator 22.1 für den Kondensator 11 bei Aktivierung des ersten Kältekreislaufs 10 zugeschaltet werden, wobei eine Drehzahl des Ventilators 11 z. B. konstant gehalten werden kann oder auf eine für eine Kondensation mindestens erforderliche Drehzahl gesteuert und/oder geregelt werden kann. Ist der erste Kreislauf 10 z. B. deaktiviert (z. B. Verdichterdrehzahl = 0), kann der VentilatorIn particular, the fan 22.1 for the capacitor 11 can be switched on when the first refrigeration circuit 10 is activated, with a speed of the fan 11 z. B. can be kept constant or can be controlled and / or regulated to a minimum speed required for condensation. If the first circuit is 10 z. B. deactivated (e.g. compressor speed = 0), the fan can
22.1 ebenfalls deaktiviert werden. 22.1 can also be deactivated.
Es ist möglich, dass in einem dritten Betriebsmodus der Kondensator 11 , der Verdichter 13 und/oder der Ventilator 22.1 des ersten Kreislaufs 10 und damit zweckmäßig der erste Kreislauf 10 deaktiviert ist und der Kühlerlüfter 22, 22.2 und die Pumpe 23 und damit zweckmäßig der zweite Kreislauf 20 aktiviert sind, um das Brennstoffzellensystem 40 zu kühlen, ohne dass im ersten Kreislauf 10 und/oder im zweiten Kreislauf 20 ein Phasenwechsel des Kühl- und/oder Kältemittels stattfindet. It is possible that in a third operating mode the capacitor 11, the compressor 13 and/or the fan 22.1 of the first circuit 10 and thus expediently the first circuit 10 is deactivated and the radiator fan 22, 22.2 and the pump 23 and thus expediently the second Circuit 20 are activated to cool the fuel cell system 40 without a phase change of the coolant and / or refrigerant taking place in the first circuit 10 and / or in the second circuit 20.
Zu erwähnen ist noch, dass die Drehzahl der Pumpe 23 zweckmäßig auf den erforderlichen Temperaturgradienten des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellensystems 40 gesteuert und/oder geregelt werden kann. Der erforderliche Kühlmittelmassenstrom kann insbesondere vom Brennstoffzellensystemen 40 gesteuert und/oder geregelt werden. It should also be mentioned that the speed of the pump 23 can expediently be controlled and/or regulated to the required temperature gradient of the coolant across the fuel cell stacks of the fuel cell system 40. The required coolant mass flow can be controlled and/or regulated in particular by the fuel cell system 40.
Das Kraftfahrzeug kann eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfassen, um das Kreislaufsystem 100 zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln. The motor vehicle may include an electronic control and/or regulating device to control and/or regulate the circulatory system 100 for executing the first operating mode, the second operating mode and/or the third operating mode.
Das Kraftfahrzeug kann eine Einrichtung (z. B. Taster, Schalter, Touchscreen etc.) umfassen, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann, z. B. den ersten Betriebsmodus aktivieren und deaktivieren kann. The motor vehicle can include a device (e.g. button, switch, touchscreen, etc.) by means of which a vehicle driver can select at least one of the operating modes, e.g. B. can activate and deactivate the first operating mode.
Die Kühlleistung des zweiten Kreislaufs 20 ist insbesondere linear proportional zum Luftmassenstrom, der den Kühlerlüfter 22, 22.2 durchströmt. Die Kühlleistung ist ebenfalls insbesondere linear proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Kühlluft. Eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur ist aufgrund der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 40 üblicherweise nicht möglich. The cooling capacity of the second circuit 20 is in particular linearly proportional to the air mass flow that flows through the radiator fan 22, 22.2. The cooling performance is also linearly proportional to the temperature difference between the coolant and the cooling air. An increase in the coolant temperature is usually not possible due to the maximum operating temperature of the fuel cell system 40.
Eine Steigerung des Luftmassenstroms führt insbesondere zu einer Steigerung der Kühlleistung. Der Leistungsbedarf des Kühlerlüfters 22, 22.2 nimmt jedoch z. B. proportional zur dritten Potenz des geforderten Luftmassenstroms zu. Der abgeführte Wärmestrom erhöht sich jedoch z. B. linear proportional zum Luftmassenstrom. Mit zunehmender Kühlleistung nimmt der Wirkungsgrad, definiert als Verhältnis abgeführter Wärmeleistung zu eingesetzter, insbesondere elektrischer Leistung, üblicherweise stark ab. Der Wirkungsgrad des ersten Kreislaufs 10 hingegen nimmt typischerweise mit einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl zu und erreicht je nach Betriebspunkt (z. B. charakterisiert durch Umgebungstemperatur und Kraftfahrzeuggeschwindigkeit) bei einer Verdichterdrehzahl von z. B. ca. 50% sein Maximum. Bei weiterer Erhöhung der Verdichterdrehzahl nimmt typischerweise die Kühlleistung zu, der Wirkungsgrad jedoch ab. Der erste Kreislauf 10 erreicht sein Wirkungsgradoptimum üblicherweise im unteren Teillastbereich, wie sich das z. B. aus Figur 7 ergibt. Das in Figur 7 dargestellte Kennfeld stellt die energieoptimalste Kombination aus Lüfter- und Verdichterdrehzahl für eine bestimmte Kühlleistung dar. Für jeden Betriebspunkt gibt es eine optimale Kombination aus Lüfterdrehzahl und Verdichterdrehzahl. Sie kann zweckmäßig die Grundlage für den zweiten Betriebsmodus und somit insbesondere eine energieeffiziente Betriebsstrategie bilden. An increase in the air mass flow leads in particular to an increase in cooling performance. However, the power requirement of the radiator fan 22, 22.2 increases z. B. proportional to the cube of the required air mass flow. However, the heat flow dissipated increases z. B. linearly proportional to the air mass flow. As the cooling capacity increases, the efficiency, defined as the ratio of thermal power dissipated to the power used, especially electrical power, usually decreases sharply. The efficiency of the first circuit 10, on the other hand, typically increases with an increase in the compressor speed and, depending on the operating point (e.g. characterized by ambient temperature and vehicle speed), reaches a compressor speed of e.g. B. approx. 50% be maximum. If the compressor speed is increased further, the cooling capacity typically increases, but the efficiency decreases. The first circuit 10 usually reaches its optimum efficiency in the lower part-load range, as is the case, for example. B. from Figure 7. The map shown in Figure 7 represents the most energy-optimal combination of fan and compressor speed for a specific cooling capacity. For each operating point there is an optimal combination of fan speed and compressor speed. It can expediently form the basis for the second operating mode and thus in particular an energy-efficient operating strategy.
Figur 7 illustriert insbesondere einen Wirkungsgrad des Gesamtkühlsystems bestehend aus zwei Teilsystemen, mit exemplarischem Betriebspunkt für eine Umgebungstemperatur von z. B. 35°C und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von z. B. 10 km/h. Figure 7 illustrates in particular an efficiency of the overall cooling system consisting of two subsystems, with an exemplary operating point for an ambient temperature of z. B. 35 ° C and a vehicle speed of e.g. B. 10 km/h.
Figur 5 zeigt eine Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs 200, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 5 zeigt insbesondere einen Lastkraftwagen in Form einer Sattelzugmaschine. Figure 5 shows a view of an exemplary motor vehicle 200, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system 100 according to an exemplary embodiment of the invention. Figure 5 shows in particular a truck in the form of a tractor unit.
Das Kühlsystem 100 kann hierbei zweckmäßig gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. The cooling system 100 can expediently be designed according to one of the previous exemplary embodiments.
Insbesondere die Kühler 21.1 , 21.2, der Kühlerlüfter 22, der Kondensator 11 und zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P sind in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 20 angeordnet. Auch z. B. der Wärmeübertrager 30, das Expansionsorgan 12, der Verdichter 13 und/oder die Pumpe 23 kann vorzugsweise im Motorraum, im Frontendbereich und/oder unter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet sein. In particular, the coolers 21.1, 21.2, the radiator fan 22, the condenser 11 and at least partially the air flow path P are arranged in an engine compartment, a front end area and/or under a driver's cab of the motor vehicle 20. Also e.g. B. the heat exchanger 30, the expansion element 12, the compressor 13 and / or the pump 23 can preferably be arranged in the engine compartment, in the front end area and / or under the driver's cab of the motor vehicle 200.
Figur 6 zeigt eine Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs 200, insbesondere einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens, mit einem Kühlsystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 6 zeigt insbesondere einen Lastkraftwagen in Form einer Sattelzugmaschine. Das Kühlsystem 100 kann hierbei zweckmäßig gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. Figure 6 shows a view of an exemplary motor vehicle 200, in particular a driver's cab of a truck, with a cooling system 100 according to another exemplary embodiment of the invention. Figure 6 shows in particular a truck in the form of a tractor unit. The cooling system 100 can expediently be designed according to one of the previous exemplary embodiments.
Insbesondere die Kühler 21.1 , 21.2, der Kühlerlüfter 22.2 und vorzugsweise zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P2 sind in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet. Der Kondensator 11 , der Verdichter 13, der Ventilator 22.1 und vorzugsweise zumindest abschnittsweise der Luftströmungspfad P1 sind außerhalb des Motorraums, außerhalb des Frontendbereichs und/oder hinter der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 200 angeordnet. In particular, the coolers 21.1, 21.2, the radiator fan 22.2 and preferably at least partially the air flow path P2 are arranged in an engine compartment, a front end area and/or under a driver's cab of the motor vehicle 200. The condenser 11, the compressor 13, the fan 22.1 and preferably at least partially the air flow path P1 are arranged outside the engine compartment, outside the front end area and/or behind the driver's cab of the motor vehicle 200.
Figur 8 zeigt z. B. ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das bei einem wie hierin offenbarten Kühlsystem 100 Anwendung finden kann. Figure 8 shows z. B. an embodiment of the invention that may be applied to a cooling system 100 as disclosed herein.
Figur 8 zeigt insbesondere ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Kühler 21.2, 21.2 im zweiten Kreislauf 20 insbesondere Kühlmittel-bezogen in Reihe zueinander geschaltet sind. Figure 8 shows in particular an exemplary embodiment in which two coolers 21.2, 21.2 in the second circuit 20 are connected in series with one another, particularly in relation to the coolant.
Der Kühler 21.2 wird mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 relativ zum Kühler 21.1 vorauseilend gekühlt. Der Kühler 21.1 wird mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 relativ zum Kühler 21.2 nacheilend gekühlt. The cooler 21.2 is cooled in advance relative to the cooler 21.1 by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2. The cooler 21.1 is cooled lagging relative to the cooler 21.2 by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2.
Somit ist es z. B. möglich, dass zunächst ein Kühler 21.1 mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs 20 durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 nacheilend gekühlt wird (z. B. als zweites gekühlt wird), und danach ein Kühler 21 .2 mittels des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs 20 durchströmt wird, der mittels des Luftströmungspfads P oder mittels des zweiten Luftströmungspfads P2 vorauseilend gekühlt wird (z. B. als erstes gekühlt wird). So it is e.g. B. possible that first a cooler 21.1 is flowed through by means of the coolant of the second circuit 20, which is cooled lagging by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2 (e.g. is cooled second), and then a cooler 21. 2 is flowed through by means of the coolant of the second circuit 20, which is cooled in advance (e.g. is cooled first) by means of the air flow path P or by means of the second air flow path P2.
Der Kühler 21.1 kann somit z. B. mit wärmerem Kühlmittel durchströmt werden als der Kühler 21.2. The cooler 21.1 can therefore z. B. warmer coolant flows through than the cooler 21.2.
Der Kühler 21.1 kann somit z. B. mit einem wärmeren Luftstrom gekühlt werden als der Kühler 21.2. The cooler 21.1 can therefore z. B. can be cooled with a warmer air flow than the cooler 21.2.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Merkmalen und Ansprüchen. The invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope of protection. In addition, the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the referenced features and claims.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 erster Kreislauf, vorzugsweise Kältekreislauf 10 first circuit, preferably refrigeration circuit
11 Kondensator 11 capacitor
12 Expansionsorgan 12 expansion organ
13 Verdichter 13 compressors
20 zweiter Kreislauf, vorzugsweise Kühlkreislauf 20 second circuit, preferably cooling circuit
21.1 Kühler 21.1 Cooler
21.2 Kühler 21.2 Cooler
22 Kühlerlüfter, vorzugsweise für zumindest einen Kühler und Kondensator 22 radiator fans, preferably for at least one radiator and condenser
22.1 Ventilator, vorzugsweise für Kondensator 22.1 Fan, preferably for condenser
22.2 Kühlerlüfter, vorzugsweise für zumindest einen Kühler 22.2 Radiator fan, preferably for at least one radiator
23 Pumpe 23 pump
24 Kühlmittel-Zusammenführungsstelle, vorzugsweise zum Zusammenführen eines Leitungsabschnitts stromabwärts des zumindest einen Kühlers und eines Leitungsabschnitts stromabwärts des Wärmeübertragers 24 coolant merging point, preferably for merging a line section downstream of the at least one cooler and a line section downstream of the heat exchanger
T1 Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise stromabwärts des zumindest einen Kühlers und stromaufwärts des Wärmeübertragers oder stromaufwärts der Kühlmittel-Zusammenführungsstelle T1 coolant temperature, preferably downstream of the at least one cooler and upstream of the heat exchanger or upstream of the coolant merging point
T2 Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise stromabwärts des Wärmeübertragers und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems T2 coolant temperature, preferably downstream of the heat exchanger and upstream of the fuel cell system
30 Wärmeübertrager 30 heat exchangers
P Luftströmungspfad P air flow path
P1 erster Luftströmungspfad P1 first airflow path
P2 zweiter Luftströmungspfad P2 second airflow path
40 Brennstoffzellensystem 40 fuel cell system
100 Kühlsystem 100 cooling system
200 Kraftfahrzeug 200 motor vehicle

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Kraftfahrzeug (200), vorzugsweise Lastkraftwagen, vorzugsweise mit Brennstoffzellenantrieb, aufweisend ein Kühlsystem (100) zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (40), mit: einem ersten Kreislauf (10) und einem zweiten Kreislauf (20), wobei der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) über einen Wärmeübertrager (30) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) mit dem Brennstoffzellensystem (40) verbunden ist, um das Brennstoffzellensystem (40) zu kühlen. 1 . Motor vehicle (200), preferably a truck, preferably with a fuel cell drive, having a cooling system (100) for cooling a fuel cell system (40), with: a first circuit (10) and a second circuit (20), the first circuit (10) and the second circuit (20) are connected to one another via a heat exchanger (30), characterized in that the second circuit (20) is connected to the fuel cell system (40) in order to cool the fuel cell system (40).
2. Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (10) einen Kondensator (11) umfasst und/oder der zweite Kreislauf (20) zumindest einen Kühler (21.1 , 21.2) umfasst, vorzugsweise zumindest einen Hochtemperatur-Kühler (21.1 , 21.2). 2. Motor vehicle (200) according to claim 1, characterized in that the first circuit (10) comprises a condenser (11) and / or the second circuit (20) comprises at least one cooler (21.1, 21.2), preferably at least one high-temperature Radiator (21.1, 21.2).
3. Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlerlüfter (22, 22.2) zur Unterstützung des zumindest einen Kühlers (21.1 , 21.2) bereitgestellt ist. 3. Motor vehicle (200) according to claim 2, characterized in that at least one radiator fan (22, 22.2) is provided to support the at least one cooler (21.1, 21.2).
4. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ventilator (22.1) zur Unterstützung des Kondensators (11) bereitgestellt ist, wobei vorzugsweise der Ventilator (22.1) in einem Turm, insbesondere hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs (200) angeordnet ist. 4. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 3, characterized in that at least one fan (22.1) is provided to support the capacitor (11), the fan (22.1) preferably being located in a tower, in particular behind a driver's cab Motor vehicle (200) is arranged.
5. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1 , 21.2) und der Kondensator (11) mittels eines Luftströmungspfads (P) in Reihe geschaltet sind und/oder mittels eines gemeinsamen Luftströmungspfads (P) kühlbar sind. 5. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the at least one cooler (21.1, 21.2) and the condenser (11) are connected in series by means of an air flow path (P) and / or by means of a common air flow path (P) can be cooled.
6. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (11) über einen ersten Luftströmungspfad (P1) kühlbar ist und der zumindest eine Kühler (21.1 , 21.2) über einen zweiten Luftströmungspfad (P2) kühlbar ist und vorzugsweise der erste Luftströmungspfad (P1) und der zweite Luftströmungspfad (P2) parallel geschaltet und/oder voneinander separiert sind. 6. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 5, characterized in that the condenser (11) can be cooled via a first air flow path (P1) and the at least one cooler (21.1, 21.2) can be cooled via a second air flow path (P2). is and preferably the first air flow path (P1) and the second air flow path (P2) are connected in parallel and / or separated from each other.
7. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der zumindest eine Kühler (21.1 , 21.2) in Reihe geschaltet sind. 7. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 6, characterized in that the heat exchanger (30) and the at least one cooler (21.1, 21.2) are connected in series.
8. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der zumindest eine Kühler (21.1 , 21.2) parallel geschaltet sind. 8. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 7, characterized in that the heat exchanger (30) and the at least one cooler (21.1, 21.2) are connected in parallel.
9. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftströmung, der Luftströmungspfad (P) den zumindest eine Kühlerlüfter (22) aufweist, vorzugsweise sodass dem zumindest einen Kühler (21.1 , 21.2) und dem Kondensator (11) ein gemeinsamer Kühlerlüfter (22) zugeordnet ist, oder der erste Luftströmungspfad (P1) den Ventilator (22.1) aufweist und der zweite Luftströmungspfad (P2) den zumindest einen Kühlerlüfter (22.2) aufweist, vorzugsweise sodass dem Kondensator (11) ein eigener Ventilator (22.1) zugeordnet ist und dem zumindest einen Kühler (21.1 , 21.2) ein eigener Kühlerlüfter (22.2) zugeordnet ist. 9. Motor vehicle (200) according to one of claims 5 to 8, characterized in that, preferably for generating and / or amplifying an air flow, the air flow path (P) has the at least one radiator fan (22), preferably so that the at least one radiator ( 21.1, 21.2) and the condenser (11) are assigned a common radiator fan (22), or the first air flow path (P1) has the fan (22.1) and the second air flow path (P2) has the at least one radiator fan (22.2), preferably so the condenser (11) is assigned its own fan (22.1) and the at least one cooler (21.1, 21.2) is assigned its own radiator fan (22.2).
10. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1 , 21.2) zumindest zwei parallel geschaltete Kühler (21.1 , 21.2) und/oder zumindest zwei in Reihe geschaltete Kühler (21.1 , 21.2) umfasst. 10. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 9, characterized in that the at least one cooler (21.1, 21.2) has at least two coolers (21.1, 21.2) connected in parallel and / or at least two coolers (21.1, 21.2) connected in series ).
11. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (10) ein Expansionsorgan (12) und/oder einen Verdichter (13) aufweist. 11. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the first circuit (10) has an expansion element (12) and / or a compressor (13).
12. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühler (21.1 , 21 .2), der Kühlerlüfter (22, 22.2), der Kondensator (11), der Luftströmungspfad (P) und/oder der zweite Luftströmungspfad (P2) in einem Motorraum, einem Frontendbereich und/oder unter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs (200) angeordnet ist. 12. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 11, characterized in that the at least one cooler (21.1, 21.2), the radiator fan (22, 22.2), the condenser (11), the air flow path (P) and / or the second air flow path (P2) is arranged in an engine compartment, a front end area and / or under a driver's cab of the motor vehicle (200).
13. Kraftfahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (11), das Expansionsorgan (12), der Verdichter (13), der Ventilator (22.1) und/oder der erste Luftströmungspfad (P1) außerhalb eines Motorraums, außerhalb eines Frontendbereichs und/oder hinter einer Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. 13. Motor vehicle (200) according to one of claims 2 to 12, characterized in that the capacitor (11), the expansion element (12), the compressor (13), the fan (22.1) and / or the first air flow path (P1) is arranged outside an engine compartment, outside a front end area and / or behind a driver's cab of the motor vehicle.
14. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (10) ein Kältekreislauf ist und zur aktiven Kälteleistungserzeugung für den zweiten Kreislauf (20) eingerichtet ist und der zweite Kreislauf (20) ein Kühlkreislauf ist. 14. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the first circuit (10) is a refrigeration circuit and is set up to actively generate cooling power for the second circuit (20) and the second circuit (20) is a cooling circuit.
15. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen ersten Betriebsmodus aufweist, in dem der erste Kreislauf (10) aktiviert ist und der zumindest eine Kühlerlüfter (22, 22.2) deaktiviert ist oder leistungsreduziert arbeitet, vorzugsweise zur Reduzierung einer Geräuschemission und/oder zur Reduzierung einer Staub- oder Luftansaugung. 15. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system (100) has a first operating mode in which the first circuit (10) is activated and the at least one radiator fan (22, 22.2) is deactivated or has reduced power works, preferably to reduce noise emissions and/or to reduce dust or air suction.
16. Kraftfahrzeug (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) eine Pumpe (23) aufweist und die Pumpe (23), vorzugsweise zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung des Brennstoffstellensystems (40), im ersten Betriebsmodus arbeitet. 16. Motor vehicle (200) according to claim 15, characterized in that the second circuit (20) has a pump (23) and the pump (23), preferably to ensure sufficient cooling of the fuel station system (40), works in the first operating mode.
17. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen zweiten Betriebsmodus aufweist, in dem der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) mitsamt des Kühlerlüfters (22, 22.2) und/oder der Pumpe (23) gleichzeitig aktiviert sind und vorzugsweise energieoptimiert arbeiten, vorzugsweise zur Erzielung einer maximalen Energieeffizienz des Kühlsystems (100). 17. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system (100) has a second operating mode in which the first circuit (10) and the second circuit (20) together with the radiator fan (22, 22.2) and / or the pump (23) are activated at the same time and preferably work in an energy-optimized manner, preferably to achieve maximum energy efficiency of the cooling system (100).
18. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (100) einen dritten Betriebsmodus aufweist, in dem der Verdichter (13) und/oder der Ventilator (22.1) des ersten Kreislaufs (10) deaktiviert ist und der Kühlerlüfter (22, 22.2) und die Pumpe (23) des zweiten Kreislaufs (20) aktiviert sind. 18. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system (100) has a third operating mode in which the compressor (13) and / or the fan (22.1) of the first circuit (10) is deactivated and the radiator fan (22, 22.2) and the pump (23) of the second circuit (20) are activated.
19. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (200) eine Einrichtung umfasst, mittels derer ein Fahrzeugführer zumindest einen der Betriebsmodi auswählen kann. 19. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the motor vehicle (200) comprises a device by means of which a vehicle driver can select at least one of the operating modes.
20. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im ersten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) und des Verdichters (13) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient. 20. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in the first operating mode, a coolant temperature (T2) of the second circuit (20) is used as a controlled variable for controlling the radiator fan (22, 22.2) and the compressor (13). downstream of the heat exchanger (30) and upstream of the fuel cell system (40).
21. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient, und/oder der Verdichter (13) in Abhängigkeit von einer in das Kühlsystem (100) eingetragenen Abwärme gesteuert und/oder geregelt wird. 21. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in the second operating mode, a coolant temperature (T2) of the second circuit (20) downstream of the heat exchanger (30) is used as a controlled variable for controlling the radiator fan (22, 22.2). and serves upstream of the fuel cell system (40), and/or the compressor (13) is controlled and/or regulated depending on waste heat introduced into the cooling system (100).
22. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T1) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des zumindest einen Kühlers (21.1 , 21.2) und stromaufwärts des Wärmeübertragers (30) oder stromabwärts des zumindest einen Kühlers (21.1 , 21.2) und stromaufwärts einer Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (24) dient, wobei vorzugsweise die Kühlmittel-Zusammenführungsstelle (24) stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) angeordnet ist, und/oder als Regelgröße zum Regeln des Verdichters (13) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient. 22. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in the second operating mode, a coolant temperature (T1) of the second circuit (20) downstream of the at least one cooler (22, 22.2) is used as a controlled variable for controlling the radiator fan (22, 22.2). 21.1, 21.2) and upstream of the heat exchanger (30) or downstream of the at least one cooler (21.1, 21.2) and upstream of a coolant merging point (24), wherein preferably the coolant merging point (24) is arranged upstream of the fuel cell system (40). , and/or a coolant temperature (T2) of the second circuit (20) downstream of the heat exchanger (30) and upstream of the fuel cell system (40) serves as a control variable for controlling the compressor (13).
23. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, als Regelgröße zum Regeln des Kühlerlüfters (22, 22.2) eine Kühlmitteltemperatur (T2) des zweiten Kreislaufs (20) stromabwärts des Wärmeübertragers (30) und stromaufwärts des Brennstoffzellensystems (40) dient, und/oder eine Drehzahl des Verdichters (13) in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Kühlerlüfters (22, 22.2) und/oder Timer-abhängig gesteuert und/oder geregelt wird. 23. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in the second operating mode, a coolant temperature (T2) of the second circuit (20) downstream of the heat exchanger (30) is used as a controlled variable for controlling the radiator fan (22, 22.2). and serves upstream of the fuel cell system (40), and/or a speed of the compressor (13) is controlled and/or regulated depending on a speed of the radiator fan (22, 22.2) and/or timer-dependent.
24. Kraftfahrzeug (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung bereitgestellt ist, um das Kreislaufsystem (100) zum Ausführen des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus und/oder des dritten Betriebsmodus zu steuern und/oder zu regeln. 24. Motor vehicle (200) according to one of the preceding claims, characterized in that an electronic control and / or regulating device is provided to control the circulatory system (100) for executing the first operating mode, the second operating mode and / or the third operating mode and/or to regulate.
25. Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug (200) mit einem Kühlsystem (100) zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (40), vorzugsweise ausgeführt mit einem Kraftfahrzeug (200) und/oder einem Kühlsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: einem ersten Kreislauf (10) und einem zweiten Kreislauf (20), wobei der erste Kreislauf (10) und der zweite Kreislauf (20) über einen Wärmeübertrager (30) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (20) mit dem Brennstoffzellensystem (40) verbunden ist und das Brennstoffzellensystem (40) kühlt. 25. Operating method for a motor vehicle (200) with a cooling system (100) for cooling a fuel cell system (40), preferably carried out with a motor vehicle (200) and / or a cooling system (100) according to one of the preceding claims, with: a first circuit (10) and a second circuit (20), wherein the first circuit (10) and the second circuit (20) are connected to one another via a heat exchanger (30), characterized in that the second circuit (20) is connected to the fuel cell system (40 ) is connected and the fuel cell system (40) cools.
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