DE102011015427A1

DE102011015427A1 - Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102011015427A1
Application number: DE201110015427
Authority: DE
Inventors: Mark Hanke; Torsten Langeheine; Henning Meht
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-09-13

Abstract

Bei einem Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers (6) und mindestens einer Leistungselektronik (19) der mobilen Arbeitsmaschine (1) bestehend aus einem Kühlkreis (13) für ein Kältemittel mit einem Kompressor (14), einem Kondensator (15), einem ersten Expansionsventil (20), einem Verdampfer (18) für eine Leistungselektronik (19) und einem Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) sind nach dem ersten Expansionsventil (20) der Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) und danach der Verdampfer oder Wärmetauscher (18) für die Leistungselektronik (19) in Reihe angeordnet, oder nach dem ersten Expansionsventil (20) der Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) und parallel hierzu nach einem zweiten Expansionsventil (17) der Verdampfer (18) für die Leistungselektronik (19) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, bevorzugt ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers und mindestens einer Leistungselektronik der mobilen Arbeitsmaschine, wobei das Kühlsystem aus einem Kühlkreis für ein Kältemittel mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem ersten Expansionsventil, einem Verdampfer oder Wärmetauscher für eine Leistungselektronik und einem Verdampfer für einen elektrischen Energiespeicher besteht.
Bei mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeugen, die zur Energieversorgung elektrische Leistungsbatterien verwenden, ist es erforderlich, die Leistungsbatterie möglichst in einem optimalen Bereich einer Betriebstemperatur zu halten. Als Leistungsbatterien kommen aufgrund der Ansprüche an die Energiedichte und die möglichen hohen Stromstärken zumeist Hochleistungsbatterien, wie Lithiumionenbatterien oder Nickel-Wasserstoffbatterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien, zum Einsatz, die große Strommengen rasch abgeben, aber auch aufnehmen können und eine hohe Energiespeicherdichte aufweisen.
Eine Kühlung ist auch für Bauelemente einer Leistungselektronik erforderlich, insbesondere für Steuerungen, die die hohen Ströme für elektrische Antriebe schalten, um die dort auftretenden Verlustleistungen abzuführen und die Halbleiterbauelemente auf einem zulässigen Temperaturniveau zu halten. Bei einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb als Fahrantrieb und/oder für eine Arbeitshydraulik der Arbeitsmaschine ist die Leistungselektronik mit dem größten Anfall an Abwärme zumeist der oder die Umrichter für einen oder mehrere Drehstrommotoren des Fahrantriebs und/oder der Arbeitshydraulik der Arbeitsmaschine.
Viele mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere Flurförderzeuge, weisen eine Fahrerkabine auf, um den die mobile Arbeitsmaschine bedienenden Fahrer vor Witterungseinflüssen, insbesondere Hitze und Kälte, zu schützen. Bei Flurförderzeugen wird oft die Fahrerkabine klimatisiert, indem diese sowohl beheizt, wie auch gekühlt werden kann. Dadurch können die Arbeitsbedingungen des Fahrers verbessert werden, wenn das Flurförderzeug z. B. in einem Freigelände ganzjährig eingesetzt wird.
Bekannt ist dabei, bei mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeugen eine Klimaanlage zur Kühlung vorzusehen, die mit einem weiteren Wärmetauscher, der in der Fahrerkabine bzw. in einem Belüftungssystem für die Fahrerkabine angeordnet ist, die Luft kühlen kann. Dabei kommen Klimaanlagen zum Einsatz, in denen ein gasförmiges Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet wird und das heiße verdichtete Gas in einem Kondensator gekühlt wird, bis es kondensiert. Das unter Druck stehende flüssige Kältemittel wird dem Wärmetauscher über ein Expansionsventil zugeleitet. In dem Expansionsventil fällt der Druck des Kältemittels rasch ab und das Kältemittel verdampft, wobei die Temperatur stark abfällt und der Wärmetauscher eine Kühlleistung erbringt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, mit einer Leistungsbatterie und einer Leistungselektronik zur Verfügung zu stellen, mit dem diese in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch eine mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers und mindestens einer Leistungselektronik der mobilen Arbeitsmaschine gelöst. Das Kühlsystem besteht aus einem Kühlkreis für ein Kältemittel mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einem Verdampfer für eine Leistungselektronik und einem Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher, wobei nach dem ersten Expansionsventil der Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher und danach der Verdampfer oder Wärmetauscher für die Leistungselektronik in Reihe angeordnet sind, oder nach dem ersten Expansionsventil der Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher und parallel hierzu nach einem zweiten Expansionsventil der Verdampfer für die Leistungselektronik angeordnet sind.
Durch den Kühlkreislauf mit einem Kältemittel, wie bekannt nach dem Stand der Technik für Fahrzeugklimaanlagen, kann auf oder unter das Temperaturniveau der Umgebungstemperatur gekühlt werden. Dadurch lässt sich für viele Arten von elektrischen Energiespeichern eine besonders günstige Betriebstemperatur erreichen. Mögliche Kältemittel sind dabei „Rxx” Kohlenwasserstoffe mit einem C-Atom, „R1xx”–„R3xx” Kohlenwasserstoffe mit einem bis mehreren C-Atomen, „R4xx” zeotrope Gemische, „R5xx” azeotrope Gemische, „R6xx” Kältemittel und anorganische Verbindungen. Durch eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung des elektrischen Energiespeichers und der Leistungselektronik in einem Kältemittel-Kühlkreis kann eine Kühlung des elektrischen Energiespeichers und der Leistungselektronik in einem gemeinsamen Kühlkreis erfolgen. Elektrische Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte und hohen Lade- sowie Entladeströmen, die z. B. Hochleistungsbatterien wie Lithiumionenbatterien sein können, benötigen eine niedrigere Betriebstemperatur als die Leistungselektronik, z. B. einer Motoransteuerung eines Elektromotors. Daher ist in dem Umlauf des Kältemittels als erstes der Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher angeordnet. Nachfolgend wird von dem bereits durch die Abwärme des elektrischen Energiespeichers erwärmten Kältemittel der Verdampfer oder Wärmetauscher für die Leistungselektronik durchströmt und dadurch die Leistungselektronik gekühlt. Vorteilhaft werden durch die erfindungsgemäße Lösung mit einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung des Energiespeichers und der Leistungselektronik in einem gemeinsamen Kältemittel-Kühlkreis zwei Kühlkreisläufe vermieden. Es müssen dadurch die Schlauchleitungen, Kondensatoren und Kompressoren nicht doppelt vorhanden sein, wie bei getrennten Kühlkreisläufen. Durch die geringere Anzahl an Schlauchverbindungen und insbesondere Anschlüssen für diese Schlauchverbindungen wie auch die insgesamt geringere Anzahl an Bauteilen wird die Zuverlässigkeit des Kühlsystems erhöht und sinkt die Gefahr von Ausfällen. Das Kühlsystem beansprucht auch erheblich weniger Bauraum durch den erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem die Bauteile nur einmal vorhanden sein müssen.
Zwischen dem Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher und dem in Reihe angeordneten Verdampfer für die Leistungselektronik kann ein Zwischenexpansionsventil angeordnet sein.
Das Zwischenexpansionsventil kann regelbar sein.
Vorteilhaft ist parallel zu dem Verdampfer für den elektrischen Energiespeicher sowie dem Verdampfer oder Wärmetauscher für die Leistungselektronik ein drittes Expansionsventil und ein dritter Verdampfer zur Kühlung einer Fahrerkabine angeordnet.
Dadurch kann eine Klimatisierung einer Fahrerkabine verwirklicht werden, ohne dass großer Mehraufwand entsteht.
Die Leistungselektronik kann ein Umrichter für einen Elektromotor sein, der Teil des Fahrantriebs oder integrierten Starter-Generators der mobilen Arbeitsmaschine ist.
Vor allem der oder die Umrichter der Fahrantriebe einer elektrisch angetriebenen mobilen Arbeitsmaschine weisen eine hohe Leistung auf und erzeugen somit auch bei guten Wirkungsgraden Verlustleistungen in Form von Abwärme. Wenn diese durch Luft und Kühlkörper abgeführt werden soll, wird eine aufwendige Luftführung erforderlich oder der Umrichter muss mit langen und somit ungünstigen Kabelführungen allein in Hinblick auf die Kühlung optimiert im Fahrzeug angeordnet werden. Die Kühlung durch einen Kältemittelkreis bietet eine zuverlässige und ausreichende Kühlung der Umrichter bei geringem Bauvolumen. Dabei kann der Elektromotor Teil eines Fahrantriebes oder Hubantriebs einer als Flurförderzeug ausgebildeten mobilen Arbeitsmaschine sein, beispielsweise, wenn die mobile Arbeitsmaschine ein Hybridfahrzeug ist. Bei einem solchen Hybridfahrzeug kann der Elektromotor allein die Antriebsräder antreiben und ein Verbrennungsmotor erzeugt durch einen Generator elektrische Energie für den Elektromotor, die zusätzlich auch dem elektrischen Energiespeicher entnommen wird. Im Gegensatz zu diesem seriellen Hybrid wirkt bei einem parallelen Hybrid der Elektromotor zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor und gleichzeitig mit diesem auf den Antriebsstrang. In einer alternativen Ausführungsform weist das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor mit einem Starter-Generator auf und der Verbrennungsmotor bzw. der als Elektromotor betriebene Starter-Generator treiben einen hydrostatischen Fahrantrieb an, der bevorzugt eine hydraulische Verstellpumpe und mindestens einen im geschlossenen Kreislauf an die Pumpe angeschlossenen hydraulischen Fahrmotor umfasst. Der Verbrennungsmotor und der Starter-Generator können jeweils einzeln oder gemeinsam die Verstellpumpe sowie weitere Hydraulikpumpen, insbesondere für eine Arbeitshydraulik, antreiben. In einem Rekuperationsbetrieb kann der Starter-Generator über die als hydraulischen Motor betriebene Verstellpumpe angetrieben werden und als Generator wirken. Der dabei erzeugte Strom wird in den elektrischen Energiespeicher gespeist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrische Energiespeicher eine Leistungsbatterie, insbesondere eine Lithiumionenbatterie, eine Nickel-Wasserstoffbatterie oder eine Nickel-Metallhydridbatterie.
Vor allem Lithiumionenbatterien und Nickel-Metallhydridbatterien sind in ihrem Leistungsverhalten sehr temperaturabhängig und die erfindungsgemäße Lösung wirkt sich bei diesen Akkumulatoren besonders vorteilhaft aus.
Die Aufgabe wird auch durch eine mobile Arbeitsmaschine mit einem wie zuvor beschriebenen Kühlsystem gelöst.
Eine solche mobile Arbeitsmaschine weist die bereits genannten Vorteile auf.
Die mobile Arbeitsmaschine kann ein Hybridfahrzeug sein.
Vorteilhaft ist die mobile Arbeitsmaschine ein Flurförderzeug, insbesondere ein Gegengewichtsgabelstapler.
Vor allem bei Hybridfahrzeugen ist für deren Effizienz eine hohe Stromaufnahme und im Bedarfsfall hohe Stromabgabe des elektrischen Energiespeichers erforderlich. Dabei wirken sich bei den typischen Arbeitsspielen der Gegengewichtsgabelstapler die Vorteile eines Hybridfahrzeuges besonders stark aus.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
1 ein Flurförderzeug als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine,
2 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems und
3 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.
Die 1 zeigt eine mobile Arbeitsmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, die als Flurförderzeug, hier als Gegengewichtsgabelstapler 2, ausgebildet ist, mit einer Fahrerkabine 3, in dem sich ein Fahrerarbeitsplatz 4 mit einem Fahrersitz 5 befindet. Der Gegengewichtsgabelstapler 2 weist als elektrisch angetriebenes Fahrzeug, das über nicht dargestellte Elektromotoren als elektrische Maschinen angetrieben wird, zur Energieversorgung einen elektrischen Energiespeicher 6 auf, der beispielsweise als Lithiumionenbatterie 7 ausgebildet ist. Ebenso kann das Fahrzeug alternativ als Parallelhybrid ausgeführt sein, bei dem beispielsweise ein hydrostatischer Fahrantrieb zum Einsatz kommt und ein Verbrennungsmotor mit einem gekoppelten Starter-Generator als elektrische Maschine eine hydrostatische Pumpe des hydrostatischen Fahrantriebs antreibt, wobei der elektrische Energiespeicher 6 mit dem Starter-Generator in Wirkverbindung steht. Weiterhin weist die Arbeitsmaschine eine Leistungselektronik auf, die als Umrichter zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. An einem Hubmast 8 ist eine Lastgabel 9 zur Aufnahme einer Last angeordnet, wobei das Gewicht dieser Last durch ein Gegengewicht 10 ausgeglichen wird. Der Fahrerarbeitsplatz 4 weist ein Lenkrad 11 auf. Ein Kühler 12, der an der Dachrückseite der Fahrerkabine 3 oder in dem Gegengewicht 10 angeordnet ist, wird von Umgebungsluft, beispielsweise mittels eines weiteren nicht dargestellten Lüfters, durchströmt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Der Kühler 12 dient als Kondensator 15 eines mit einem Kältemittel betrieben Kühlkreislaufs, dessen weitere Bauteile hier nicht dargestellt sind, und der über einen ebenfalls nicht dargestellten Verdampfer die Lithiumionenbatterie 7 und die Leistungselektronik kühlt.
In der 2 ist eine erste Ausführungsform eines Kühlsystems dargestellt. In einem Kühlkreis 13 läuft ein Kältemittel um, das von einem Kompressor 14, der druckseitig an einen Kondensator 15 angeschlossen ist, verdichtet wird. Das von dem Kompressor 14 verdichtete und flüssige Kältemittel strömt über ein Ventil 21 sowie ein erstes Expansionsventil 20 zu dem Verdampfer 16 des zu kühlenden elektrischen Energiespeichers 6 und parallel hierzu über ein Ventil 21 und ein zweites Expansionsventil 17 zu einem Verdampfer 18 einer zu kühlenden Leistungselektronik 19.
Die 3 zeigt ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems des Gabelstaplers 2 der 1. Dieses entspricht in einem großen Teil dem Ausführungsbeispiel der 2. Mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem weist den Kühlkreis 13 auf, in dem ein Kältemittel umläuft, das von dem Kompressor 14, der druckseitig an den Kondensator 15 angeschlossen ist, verdichtet wird. Das von dem Kompressor 14 verdichtete und flüssige Kältemittel strömt über das Ventil 21 sowie ein erstes Expansionsventil 20 zu dem Verdampfer 16 des zu kühlenden elektrischen Energiespeichers 6.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 sind der Verdampfer 16 des zu kühlenden elektrischen Energiespeichers 6 und der Verdampfer oder Wärmetauscher 18 der Leistungselektronik 19 in Reihe angeordnet.
Weiterhin kann bei dem Kältemittel-Kühlkreis 13 der 2 und 3 über ein Ventil 21 ein drittes Expansionsventil 22 mit einem dritten Verdampfer 23 parallel zu dem Verdampfer 16 des zu kühlenden elektrischen Energiespeichers 6 und dem Verdampfer oder Wärmetauscher 18 der Leistungselektronik 19 angeordnet werden.
Durch den parallelen dritten Verdampfer 23 kann die Fahrerkabine 3 klimatisiert werden.
Der Kompressor 14 des Kältemittel-Kühlkreises 13 kann elektrisch angetrieben werden. Hierzu kann ein nicht näher dargestellter Elektromotor vorgesehen werden, der direkt mit dem Kompressor 14 in trieblicher Verbindung stehen kann oder den Kompressor 14 unter Zwischenschaltung eines Getriebes, beispielsweise eines Keilriementriebs, antreiben kann. Alternativ kann der Kompressor von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden.

Claims

Kühlsystem für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, zur Temperaturregelung eines elektrischen Energiespeichers (6) und mindestens einer Leistungselektronik (19) der mobilen Arbeitsmaschine (1) bestehend aus einem Kühlkreis (13) für ein Kältemittel mit einem Kompressor (14), einem Kondensator (15), einem ersten Expansionsventil (20), einem Verdampfer oder Wärmetauscher (18) für eine Leistungselektronik (19) und einem Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6), dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Expansionsventil (20) der Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) und danach der Verdampfer oder Wärmetauscher (18) für die Leistungselektronik (19) in Reihe angeordnet sind, oder nach dem ersten Expansionsventil (20) der Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) und parallel hierzu nach einem zweiten Expansionsventil (17) der Verdampfer (18) für die Leistungselektronik (19) angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) und dem in Reihe angeordneten Verdampfer (18) für die Leistungselektronik (19) ein Zwischenexpansionsventil angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenexpansionsventil regelbar ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Verdampfer (16) für den elektrischen Energiespeicher (6) sowie dem Verdampfer oder Wärmetauscher (18) für die Leistungselektronik (19) ein drittes Expansionsventil (22) und ein dritter Verdampfer (23) zur Kühlung einer Fahrerkabine (3) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (19) ein Umrichter für einen Elektromotor ist, der Teil des Fahrantriebs oder integrierten Starter-Generators der mobilen Arbeitsmaschine (1) ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (6) eine Leistungsbatterie, insbesondere eine Lithiumionenbatterie (7), eine Nickel-Wasserstoffbatterie oder eine Nickel-Metallhydridbatterie ist.
Mobile Arbeitsmaschine mit einem Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine (1) ein Hybridfahrzeug ist.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine (1) ein Flurförderzeug, insbesondere ein Gegengewichtsgabelstapler (2), ist.