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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang mit einer solchen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Die Alltagstauglichkeit von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen ist heute gegenüber verbrennungsmotorischen Fahrzeugen aus mehreren Gründen noch stark eingeschränkt. Der darstellbare Energieinhalt eines elektrischen Traktionsspeichers (bei dem es sich insbesondere um eine Batterie oder einen Akkumulator handelt) erlaubt nur vergleichsweise geringe Reichweiten. Gleichzeitig sind die Ladezeiten sehr lang. Ferner unterliegt der elektrische Traktionsspeicher starken temperaturbedingten Limitierungen. Als elektrochemischer Energiespeicher und -wandler liegt die bevorzugte Betriebstemperatur für den Traktionsspeicher im Bereich zwischen 20°C und 30°C. Bei extremen Betriebsbedingungen, wie etwa Betriebstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ist der elektrische Traktionsspeicher derzeit stark leistungslimitiert und kann auch nicht ohne Lebensdauernachteile geladen werden. Zudem erfolgt die Selbsterwärmung eines tiefkalten Traktionsakkumulators nur äußerst langsam, da die Wärmekapazität sehr groß und gleichzeitig die Lade- und Entladewirkungsgrade noch vergleichsweise hoch sind. Aus heutiger Sicht ist bei winterlichen Umgebungstemperaturen eine thermische Konditionierung (aktive Beheizung) des Traktionsakkumulators vor Fahrtantritt oder vor Beginn des Ladevorgangs erforderlich. Eine weitere Einschränkung der Alltagstauglichkeit von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen ergibt sich aus dem Umstand, dass die Umwandlungswirkungsgrade des Antriebssystems derart hoch und die Betriebstemperaturen gleichzeitig derart niedrig sind, dass die Verlustwärmeleistungen des Antriebssystems für die Versorgung der Fahrzeugkabine mit Heizwärme unzureichend sind. Schließlich ergibt sich eine weitere Einschränkung der Alltagstauglichkeit von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen dadurch, dass die Beheizung der Fahrgastzelle - ebenso wie deren Kühlung - durch zusätzlichen Einsatz elektrischer Energie erfolgen muss, so dass die Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge insbesondere bei sehr niedrigem oder sehr hohem Umgebungstemperaturen signifikant reduziert wird. Bei aktivierter Fahrgastzellenheizung kann die Reichweitenverkürzung fahrzyklusabhängig bis etwa 40% betragen.
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Die zuvor beschriebenen Einschränkungen der batterieelektrischen Kraftfahrzeuge sind auf die speziellen Eigenschaften des Traktionsakkumulators (derzeit wird die Li-Ionen-Akkutechnologie favorisiert) zurückzuführen. Sie sind prinzipieller Natur und werden aus heutiger Sicht grundsätzlich weiter bestehen.
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Um das Reichweitenproblem abzuschwächen und damit die Praxistauglichkeit zu erhöhen, werden batterieelektrische Kraftfahrzeuge teils um ein Zusatzmodul zur Reichweitenverlängerung erweitert (sogenanntes Range-Extender-Konzept). Bei einem Antriebsystem mit Range-Extender-Modul handelt es sich um ein seriellhybrides Antriebskonzept, d.h. das Range-Extender-Modul dient allein der Onboard-Erzeugung von elektrischer Leistung, welche in das elektrische Traktionsbordnetz des Range-Extender-Fahrzeugs eingespeist wird. Dadurch kann der Traktionsakkumulator während der Fahrt nachgeladen, die Entladung des Traktionsakkumulator während der Fahrt reduziert oder die verfügbare elektrische Antriebsleistung gegenüber dem reinen Batteriebetrieb erhöht werden (Boost-Betrieb).
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Von den Fahrzeugherstellern werden heute überwiegend verbrennungsmotorische Range-Extender-Module verfolgt, bei denen ein kleinerer Verbrennungsmotor (typische Leistungsklasse zwischen 5 und 30 kW) einen elektrischen Generator antreibt. Gründe hierfür sind relativ geringe Kosten des Verbrennungsmotors infolge von Skaleneffekten sowie die nachgewiesene Robustheit solcher konventionellen Antriebe. Eher am Rande werden auch brennstoffzellenbasierte Range-Extender-Module betrachtet, bei denen die Onboard-Erzeugung von elektrischer Leistung durch elektrochemische Wandlung erfolgt.
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Der Einsatz von Brennstoffzellen im Kraftfahrzeug wird seit langem verfolgt bzw. entwickelt, sei es als primärer Energiewandler, oder sei es zur Unterstützung eines bereits vorhandenen Antriebssystems (zum Beispiel ein Verbrennungsmotor). Für diese Anwendungen haben sich in den zurückliegenden Jahren die sogenannten H2-Direkt-Brennstoffzellensysteme auf Basis einer Niedertemperatur-PEM-(Polymer-Elektrolytmembran) -Brennstoffzelle als Technologie der Wahl praktisch durchgesetzt.
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Bei den unterstützenden Brennstoffzellenanordnungen sind zwei Hauptanwendungsgebiete bekannt: Zum einen die APU-(Auxiliary Power Unit)-Anwendung bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, zum anderen die Anwendung als Range-Extender-Modul zur Reichweitenverlängerung von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen. In beiden Fällen zielt der Brennstoffzelleneinsatz primär auf die Erzeugung elektrischer Energie: Bei der Brennstoffzellen-APU geht es um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes, primär getrieben durch die immer leistungshungrigeren Komfortfunktionen wie die elektrische Standklimatisierung.
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Bei dem Brennstoffzellen-Range-Extender-Konzept wird auf die Kompensation des Reichweitendefizits des aktuell sehr großen, sehr schweren und sehr teuren Energiespeichers (Traktionsakkumulator) in Elektrofahrzeugen abgezielt. Hingegen wurde die gezielte Nutzung der Verlustwärmeleistung der Brennstoffzellenanordnung im PKW-Bereich bisher nicht verfolgt. Im Nutzfahrzeugsegment war die Verlustwärme auch zur Beheizung der Fahrkabine bei langen Fahrtunbrechungen (Standheizung) attraktiv.
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Offenbarung der Erfindung
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Die eingangs beschriebenen Nachteile des Standes der Technik lassen sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeiden.
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Hierbei ist vorgesehen, dass ein elektrischer Energiespeicher mit einer Brennstoffzellenanordnung mittels einer Wärmeübertragungsanordnung thermisch gekoppelt ist oder koppelbar ist. Unter einer Wärmeübertragungsanordnung ist in diesem Text insbesondere ein Mittel zu verstehen, über das eine Wärmeleitung zwischen der Brennstoffzelle und dem elektrischen Energiespeicher hergestellt wird. Ein Kerngedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten in der Anwendung von unterstützenden Brennstoffzellenanordnungen für Aufgaben der thermischen Konditionierung insbesondere innerhalb eines Antriebssystems eines Fahrzeugs oder des Fahrzeugs selbst.
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Der elektrische Energiespeicher ist beispielsweise ein elektrochemischer Energiespeicher. Dabei ist im Wortlaut dieses Textes unter einem elektrochemischen Energiespeicher jede Einrichtung zu verstehen, die dazu ausgebildet ist, chemische Energie mittelbar oder unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln und einer Anwendung zuzuführen.
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Der elektrochemische Energiespeicher kann dem Antrieb des Fahrzeugs dienen, den Antrieb unterstützen oder zur Energieversorgung anderer Anwendungen bzw. Funktionen des Fahrzeugs dienen.
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Die thermische Kopplung kann grundsätzlich auf jede nur denkbare Weise erfolgen, im einfachsten Fall zum Beispiel durch eine Montage der Brennstoffzelle in dichter Nachbarschaft zum elektrischen Energiespeicher, insbesondere an einer Stelle, an der eventuell eine konstruktionsbedingt vergleichsweise schwache Wärmedämmung gegeben ist, wodurch die gewünschten Wärmeaustauscheffekte begünstigt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf, von denen einige im Folgenden angegeben werden. Durch die thermische Kopplung zwischen der Brennstoffzellenanordnung und dem elektrischen Energiespeicher wird durch die Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle die Leistungsfähigkeit der Batterie bzw. des Traktionsakkumulators verbessert. Die thermische Kopplung des Traktionsakkumulators mit der Brennstoffzelle ist bei einem batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug in mehrerer Hinsicht vorteilhaft. Die bei niedrigen Systemtemperaturen schlechten Lade- und Entladeleistungen des Traktionsakkumulators können durch das gute Tieftemperaturstartverhalten aktueller Brennstoffzellensysteme kompensiert werden. Das Wärmeangebot im Fahrzeug wird insgesamt verbessert, die Nutzbarkeit der Wärme wird gesteigert. Der in einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle eingesetzte Treibstoff (H2) wird exzellent ausgenutzt, da nur geringe Abgasverluste an die Umgebung abgeführt werden. Nahezu die gesamten thermodynamischen Umwandlungsverluste können über das Brennstoffzellenkühlsystem im Fahrzeug verteilt und für Heiz- und Konditionierungsaufgaben genutzt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektro- Hybrid- oder Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit einem Elektroantrieb, der zumindest zeitweilig mit mindestens einem Antriebsrad verbindbar ist. Der Antriebsstrang weist mindestens einen elektrischen Energiespeicher auf, der elektrischen Strom liefert.
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Hinsichtlich der Vorteile des Antriebsstrangs wird auf die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung verwiesen.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die von der Brennstoffzellenanordnung abgebbare Wärme dem elektrischen Energiespeicher zuführbar, der in räumlicher Nähe zur Brennstoffzellenanordnung, insbesondere in unmittelbarer Nachbarschaft zur Brennstoffzellenanordnung angeordnet ist.
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Durch die Anordnung des Bauteils in räumlicher Nähe zur Brennstoffzellenanordnung kann der Wärmetransport mit möglichst geringen Verlusten im einfachsten über einen Bereich mit einer konstruktionsbedingt schwächeren Wärmedämmung transportiert werden.
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Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Brennstoffzellenanordnung dazu ausgebildet, in einem Betriebsmodus Wärmeenergie abzugeben. Ferner ist die Brennstoffzellenanordnung mit dem elektrischen Energiespeicher derart thermisch gekoppelt, dass zumindest ein Teil der Wärmeenergie von der Brennstoffzellenanordnung dem elektrischen Energiespeicher zuführbar ist.
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Hierdurch wird der in der Brennstoffzelle eingesetzte Treibstoff (H2) exzellent ausgenutzt, da nur geringe Abgasverluste an die Umgebung abgeführt werden. Nahezu die gesamten thermodynamischen Umwandlungsverluste können zur Konditionierung des elektrischen Energiespeichers genutzt werden.
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Ein elektrochemischer Energiespeicher, wie insbesondere ein Traktionsakkumulator unterliegt starken temperaturbedingten Limitierungen. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ist der Traktionsakkumulator derzeit stark leistungslimitiert und kann auch nicht ohne Lebensdauernachteile geladen werden. Zudem erfolgt die Selbsterwärmung eines tiefkalten Traktionsakkumulators nur äußerst langsam, da die Wärmekapazität sehr groß und gleichzeitig die Lade- und Entladewirkungsgrade noch vergleichsweise hoch sind. Bei winterlichen Umgebungstemperaturen ist deshalb eine thermische Konditionierung (in Form einer aktiven Beheizung) des Traktionsakkumulators vor Fahrtantritt oder vor Beginn des Ladevorgangs erforderlich. Daher ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Brennstoffzellenanordnung mit dem elektrischen Energiespeicher zur Vorwärmung des elektrischen Energiespeichers in einem Vorwärmmodus ist.
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Dadurch kann die Aufwärmdauer der Batterie insbesondere bei einem Kaltstart deutlich verringert werden. Die Brennstoffzelle ist auch bei sehr niedrigen Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes (-30°C) sehr startwillig und kann signifikante elektrische Leistungen sowie hohe Wärmeleistungen bereitstellen. Die Brennstoffzelle ist daher prinzipiell gut geeignet, die thermische Konditionierung eines Traktionsakkus eines BEV-(Battery Electric Vehicle)-Antriebssystems unmittelbar vor der Fahrfreigabe zu übernehmen, ohne dass das Antriebssystem dauerhaft mit einer elektrischen Ladestation verbunden war und ohne dass die thermische Konditionierung des Traktionsakkus aus dem Inhalt des Akkumulators gespeist werden muss.
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Unter dem Begriff Vorwärmung bzw. Vorwärmmodus ist im Wortlaut dieses Textes grundsätzlich jede Erwärmung des elektrischen Energiespeichers auf eine für Letzteren günstige Arbeitstemperatur gegenüber einer niedrigen Umgebungstemperatur (insbesondere einer Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunktes) vor einer funktionsgemäßen Verwendung als Energiequelle oder Energiesenke zu verstehen.
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Die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen ist eine wichtige Prozessbedingung, da der elektrochemische Prozess mit dem größten Wirkungsgrad in einem optimalen Temperaturbereich, bei Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen typischerweise um 80°C, abläuft. Der Gefrierstart von Brennstoffzellen mit Temperaturen unter 0°C, ist ein bekanntes Problem, bei dem die Leistungsverminderung der Brennstoffzellenstapel signifikant hoch ist. Die Voraussetzungen für einen energieeffizienten Start, insbesondere Kaltstart der Brennstoffzelle werden dadurch geschaffen, dass die Vorrichtung einen elektrischen Verbraucher aufweist, mit dem die Brennstoffzelle in einer Betriebsphase, insbesondere einer Aufwärmphase elektrisch verbindbar ist. Dabei ist von einer Abwärme des elektrischen Verbrauchers zumindest ein Wärmeanteil dem elektrischen Energiespeicher und/oder der Fahrzeugkabine zuführbar. Durch die Nutzung der Abwärme wird die Energieeffizienz bzw. der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Die Zuschaltung der Last ermöglicht einen zügigen und energieeffizienten Kaltstart.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind der elektrische Energiespeicher und die Brennstoffzelle einem gemeinsamen Fluidkreis zugeordnet.
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Somit wird eine kompakte Bauweise bzw. ein kleines Einbauvolumen erreicht, da der Bedarf für separate Temperiersysteme für die Brennstoffzelle und den elektrischen Energiespeicher entfällt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung einen ersten Fluidkreislauf aufweist, dem der elektrische Energiespeicher zugeordnet ist. Dabei ist der erste Fluidkreislauf von einem ersten Fluid durchströmbar. Der erste Fluidkreislauf ist über wenigstens einen ersten Wärmetauscher mit der Brennstoffzellenanordnung thermisch gekoppelt. Die Führung des eingesetzten Fluids in einem Kreislauf hat den Vorteil, dass das Fluid nach jedem Umlauf wiederverwendet werden kann und für einen erneuten Temperierzyklus zur Verfügung steht.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung einen zweiten Fluidkreislauf aufweist, dem die Brennstoffzelle zugeordnet ist. Dabei ist der zweite Fluidkreislauf von einem zweiten Fluid durchströmbar. Die Vorrichtung weist ferner einen Wärmetauscher auf, mit dem eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid erzeugbar ist.
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Durch die Kopplung der beiden Fluidkreisläufe wird eine kontinuierliche Zuführung von Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher ohne Verlust an zirkulierendem Fluid ermöglicht.
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Zum Kühlen oder Heizen bzw. Vorwärmen einzelner Funktionskomponenten sind moderne Kraftfahrzeuge mit einem komplexen Fluidleitsystem mit mehreren Teilkreisläufen ausgestattet. Daher weist die Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung Steuervorrichtungen auf. Die Fluidkreisläufe stellen jeweils einen Teilkreislauf eines Fluidleitsystems mit mehreren Teilkreisläufen dar, deren Volumenströme durch die Steuervorrichtungen steuerbar sind.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind eine Heizeinrichtung der Brennstoffzelle und der elektrische Energiespeicher in einem ersten Fluidleitsystem und die Brennstoffzelle in einem zweiten Fluidleitsystem angeordnet.
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Durch die thermische Kopplung der beiden Fluidleitsysteme über den Wärmetauscher kann das im ersten Fluidleitsystem zirkulierende Fluid in einem gewünschten Maße direkt (d.h. ohne hierfür weitere Fluidströme zwischenschalten zu müssen) die Temperatur des im ersten Fluidleitsystem zirkulierenden Fluids beeinflussen. Damit können letztlich die gewünschten Wärmeaustauscheffekte zwischen der Brennstoffzelle bzw. der Heizeinrichtung und dem elektrischen Energiespeicher erzielt werden. Durch die Trennung der beiden Fluidleitsysteme kann die Fluidtemperatur an die jeweiligen Anforderungen des jeweils zu temperierenden Funktionsbauteils angepasst werden.
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Durch die thermische Kopplung der beiden Fluidleitsysteme wird auch die Fahrgastraumheizung in das Temperiersystem des Fahrzeugs eingebunden und kann abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs und bei einem Wärmebedarf im Fahrgastraum thermisch mit der Brennstoffzelle gekoppelt werden und so die Wärme der Brennstoffzelle zum Heizen des Fahrgastraums nutzen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein PTC-Heizer. Eine elektrische Heizeinrichtung erlaubt ein schnelles Erwärmen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Heizeinrichtung ein Brenner ist, welcher mit Wasserstoff betrieben wird.
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Damit kann der Heizer mit dem sowieso als Treibstoff für die Brennstoffzelle vorhandenen Wasserstoff betrieben werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Heizeinrichtung als elektrische Last mit der Brennstoffzelle elektrisch verbindbar. Die elektrische Heizeinrichtung erhält somit eine Doppelfunktion, wodurch der Bedarf für ein sonst erforderliches zusätzliches separates Bauteil entfällt. So wird ein geringes Einbauvolumen und eine Kostenersparnis durch Einsparen von Komponenten erreicht.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen mit der Brennstoffzelle verbundenen oder verbindbaren Wärmespeicher auf, der von der Brennstoffzelle mit Wärmeenergie gespeist wird. Dabei ist der Wärmespeicher mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt oder koppelbar, um die gespeicherte Wärmeenergie auf den elektrischen Energiespeicher zu übertragen.
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Die gespeicherte Energie kann in Zeiten, in denen die Brennstoffzelle nur wenig oder keine Wärme produziert, an den elektrischen Energiespeicher abgegeben werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Systems insgesamt erhöht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Kühlsystems, einer ersten Variante eines Fahrzeuges mit batterieelektrischem Antrieb; und
- 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Kühlsystems, einer zweiten Variante eines Fahrzeuges mit batterieelektrischem Antrieb.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 als Blockschaltbild dargestellte Kühlsystem 10, einer ersten Variante eines Fahrzeuges mit batterieelektrischem Antrieb weist ein erstes Fluidleitsystem12, einer ersten Variante auf, in dem ein erstes Fluid geführt wird.
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In das erste Fluidleitsystem 12, der ersten Variante sind die einzelnen Komponenten eines batterieelektrischen Fahrzeugantriebssystems eingebunden. Das erste Fluidleitsystem 12, der ersten Variante weist mehrere parallel zueinander geschaltete Parallelstränge P1, P2, P3, P4 auf, die beidseits jeweils an eine Längsleitung L1, L2 angeschlossen sind.
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Ein Traktionsakkumulator 14, ein erster Teil 17 eines Prozesskühlers 16, sowie ein erster Teil 19 eines Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauschers 18 sind seriell nacheinander im Parallelstrang P4 des ersten Fluidleitsystems 12, der ersten Variante angeordnet.
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In einem weiteren Parallelstrang P2 ist ein erster Teil 20 eines Innenraumwärmetauschers 22 zur Abgabe zugeführter Wärme in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Genauer gesagt kann über den Innenraumwärmetauscher 22 Wärme auf Luft übertragen werden, die in den Fahrgastraum einzuleiten ist.
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Ein Elektroantrieb 24 ist gemeinsam mit einem Wechselrichter 26 im Parallelstrang P3 des ersten Fluidleitsystems 12, der ersten Variante angeordnet. Der Wechselrichter 26 empfängt elektrische Leistung von dem Traktionsakkumulator 14, der an den DCDC-Wandler 80 angeschlossen ist. Der Wechselrichter 26 steuert unter der Verwendung der so zugeführten Leistung den Elektroantrieb 24 an, um Antriebskraft für das Fahrzeug zu liefern.
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In dem Parallelstrang P1 ist ein erster Teil 28 eines Fahrzeugkühlers 30 angeordnet. In das erste Fluidleitsystem, der ersten Variante 12 ist ferner eine Widerstandsheizung unter Verwendung von PTC-Elementen integriert. Die aus den PTC-Elementen aufgebaute Elektrische Heizeinrichtung 32 ist gemeinsam mit einer ersten Förderpumpe 34 im Parallelstrang P5 angeordnet. Die erste Förderpumpe 34 fördert das erste Fluid insbesondere innerhalb eines unten näher beschriebenen Minikreislaufes M. Eine zweite Förderpumpe 36 zum Zirkulieren des ersten Fluids entlang definierter Zirkulationspfade ist in der Längsleitung L1 angeordnet.
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Durch die Erfassung der Fluidtemperatur an verschiedenen Stellen innerhalb der vorhandenen Fluidteilkreisläufe mittels einer ersten Temperaturerfassungseinrichtung 38 und einer zweiten Temperaturerfassungseinrichtung 40 kann zum Beispiel ein Thermostatventil an die variierenden Anforderungen der im ersten Fluidleitsystem 12, der ersten Variante zirkulierenden Fluidteilkreisläufe während des Betriebs angepasst werden.
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Wenn der Ladezustand des Traktionsakkumulators 14 unter einen vorbestimmten Wert fällt, speist eine Ladeeinrichtung 42 den Traktionsakkumulator 14, um diesen mit elektrischer Energie aus dem externen öffentlichen Netz aufzuladen.
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An einer Abzweigestelle der Längsleitung L1 vom Parallelstrang P2 ist ein erstes Kühlmittel-Regelventil, z.B. ein Dreiwegeventil 44 angeordnet, das bekanntermaßen zur Steuerung der Volumenströme des ersten Fluids durch das erste Dreiwegeventil 44 in eine von zwei Leitungen dient. Ein Schaltventil 46 verbindet den Parallelstrang P4 alternativ mit der Längsleitung L2 oder dem Parallelstrang P5. Mit dem ersten Abschaltventil 48, das mit dem Elektroantrieb 24 und dem Umrichter 26 seriell im Parallelstrang P3 eingebunden ist, kann beispielweise ein Fluidteilkreislauf abgeschaltet oder ein Fluidteilkreislauf von einem anderen Fluidteilkreislauf getrennt werden.
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Zur Steuerung und/oder Regelung der Ventile 44, 46, 48 und beispielsweise auch der Förderpumpen 34,36 weist das erste Fluidleitsystem12, der ersten Variante eine (nicht dargestellte) Steuereinheit auf.
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Mit den angegebenen Positionen und Strömungsverbindungen der vorstehenden Funktionsbauteile können durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Ventile 44, 46, 48 und/oder Förderpumpen 34,36 eine Reihe unterschiedlicher Fluidteilkreisläufe im ersten Fluidleitsystem 12, der ersten Variante situationsabhängig -also abhängig von den jeweiligen gegenwärtigen Temperaturen der Umgebung, der einzelnen Bauteile und den zu erreichenden optimalen Temperaturen- geschaltet werden. Insbesondere kann der Minikreislauf um den Traktionsakkumulator 14 herum aufgebaut und von dem übrigen Fluidteilkreislauf oder Fluidteilkreisläufen fluidisch und/oder thermisch entkoppelt werden.
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Ein Kältemittelkreislauf 50, einer ersten Variante einer Klimaanlage umfasst einen Kompressor 52 der dazu ausgebildet ist, ein zweites Fluid innerhalb des Kältemittelkreislaufes 50, der ersten Variante zu zirkulieren. Der Kältemittelkreislauf 50, der ersten Variante weist drei parallel zueinander geschaltet Parallelzweige Z1, Z2, Z3 auf. In dem Parallelzweig Z2 ist ein Verdampfer 58 angeordnet. Über den Gaskühler/Kondensator 54 kann das zirkulierende zweite Fluid (das Kältemittel) Wärme an die Umgebung (Kühlluft, die anschließend dem Kühler 28 zugeführt wird) abgeben.
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Ein dem Fahrzeugkühler 30 zugeordneter erster Lüfter 56 dient dazu, eine ausreichende Kühlluftströmung bei Stillstand des Fahrzeuges oder bei einer langsamen Fahrt zu gewährleisten, wenn der Fahrtwind nicht ausreicht.
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Eine Fahrzeugheizung weist eine dem Fachmann bekannte Luftgebläseeinheit 60 auf, die dem Innenraumwärmetauscher 22 zugeordnet und in dessen Nähe angeordnet ist. Im Parallelzweig Z3 ist ein zweiter Teil 66 des Prozesskühlers 16 angeordnet.
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Die Ventile 62, 64 werden angesteuert, wenn Kühlbedarf besteht, entweder für die Klimatisierungsluft oder für das Kühlmittel des Traktionsakkumulators 14. Bei einem Heizbedarf koppelt der Wärmetauscher 18 Wärme aus dem dritten Fluid in das erste Fluid ein.
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Ein eigenständiges separates zweites Fluidleitsystems 70, einer ersten Variante, in dem ein drittes Fluid geführt ist, dient zur Temperierung eines Range-Extender-Moduls 72 mit Kühlsystem und weist wiederum zwei Längsstränge L1', L2' sowie vier Parallelstränge P1', P2', P3', P4' auf, in die die einzelnen Komponenten des Range-Extender-Moduls 72 mit Kühlsystem eingebunden sind. In einem der Parallelstränge ist eine Brennstoffzelle 74 angeordnet.
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Das eigenständige Range-Extender-Modul 72 mit Kühlsystem ist beispielsweise für den optionalen Einbau, gegebenenfalls sogar nachträglichen Einbau in ein Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Die als Range-Extender eingesetzte Brennstoffzelle 74 erzeugt aus chemischer Energie mittels eines elektrochemischen Prozesses zusätzliche elektrische Energie, die je nach der Strategie des Fahrzeugbetriebs zum Nachladen des Traktionsakkumulators 14 verwendet oder auch direkt in den Antriebskreislauf des Fahrzeugs eingespeist werden kann. Bei dem elektrochemischen Prozess wird ein Brennstoff, etwa Wasserstoff mit einem Oxidanten, etwa Umgebungsluft unter Bildung der elektrischen Energie verarbeitet.
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Beispielsweise wird das Range- Extender-Modul 72 mit Kühlsystem wieder deaktiviert, wenn der automatisch überwachte Ladezustand des Traktionsakkumulators 14 zum Erreichen eines Fahrtziels ausreicht. Mögliche Brennstoffzellen 74 sind beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, Nieder- und Mitteltemperaturbrennstoffzellen auf der Basis einer Polymer-Elektrolytmembran.
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Das dritte Fluid, das insbesondere zur Abfuhr der Wärme von der Brennstoffzelle 74 dient, sollte nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, da andernfalls der Isolationswiderstand des elektrischen Bordnetzes unzulässig niedrige Werte annehmen kann. Hierzu nimmt ein Ionentauscher 76 im dritten Fluid gelöste Ionen auf, die die Leitfähigkeit steigern und stellt somit sicher, dass ein maximal zulässiger Leitwert des dritten Fluids nicht überschritten wird.
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Das beispielsweise als Dreiwegeventil 78 ausgebildete Kühlmittel-Regelventil dient der Temperaturregelung im Kreislauf und stellt den Anteil des Fluidstroms über den Kühler 88 ein. Der Fluidstrom durch den Ionentauscher 76 wird in erster Linie durch die Pumpe 87 bestimmt.
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Im Parallelstrang P1' ist ein Kühler 88 mit Gebläse 90 angeordnet.
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Der elektrische Strom der Brennstoffzelle wird durch den DCDC-Wandler 80 eingestellt, der seinerseits im Parallelzweig P4' des zweiten Fluidleitsystems 70, der ersten Variante angeordnet ist.
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Ein in Reihe zur Brennstoffzelle 74 geschaltetes Filterelement 82 filtert Partikel aus einem Zulaufstrom für die Brennstoffzelle 74 aus.
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Die Brennstoffzelle 74 ist über eine Anschlussleitung für das Betriebsmedium der Brennstoffzelle 96 mit einem ersten Teil 98 eines Kühlmittel/Betriebsmedium-Koppelwärmetauschers 100 verbunden, dessen zweiter Teil 102 im Parallelstrang P3' liegt.
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Im Parallelstrang P2' ist der zweite Teil 84 des Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauschers 18 angeordnet. Durch die thermische Kopplung der beiden Fluidleitsysteme, der ersten Variante über den Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauscher 18 kann das im zweiten Fluidleitsystem, der ersten Variante zirkulierende dritte Fluid in einem gewünschten Maße direkt (d.h. ohne hierfür weitere Fluidströme zwischenschalten zu müssen) die Temperatur des ersten Fluids beeinflussen.
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Eine erste Temperaturerfassungseinrichtung 86, das in der Längsleitung L1' angeordnet ist, regelt einen Fluidstrom in Abhängigkeit der Temperatur. Die Zirkulation des Fluids innerhalb des zweiten Fluidleitsystems 70, der ersten Variante wird von einer dritten Förderpumpe 87 angetrieben, die zwischen den beiden Anschlussstellen des Ionentauschers 76 an die Längsleitung L1' angeordnet ist.
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Im Folgenden wird eine Funktionsweise des Kühlsystems 10, der ersten Variante in einer Aufwärmphase unmittelbar nach einem Gefrierstart beschrieben. Die Teilfluidkreisläufe im ersten Fluidleitsystem 12, der ersten Variante sind zunächst durch die Konfiguration der einzelnen Ventile 44, 46, 48 dergestalt geschaltet, dass um den Traktionsakkumulator 14 herum der Minikreislauf M entsteht, der von den anderen vorhandenen Teilfluidkreisläufen des ersten Fluidleitsystems 12, der ersten Variante thermisch entkoppelt ist. Der Minikreislauf M dient zum Erwärmen des Traktionsakkumulators 14 und durchläuft gegen den Uhrzeigersinn in dieser Reihenfolge die erste Förderpumpe 34, den Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauscher 18, den Prozesskühler 16, die PTC- Heizung 32 den Traktionsakkumulator 14 und erneut die erste Förderpumpe 34.
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In dieser Phase wird die Brennstoffzellenanordnung 74 gestartet, die für den Gefrierstart eine genügend große elektrische Last benötigt. Diese elektrische Last wird durch den elektrischen PTC-Heizer 32 im Minikreislauf M dargestellt. Die bei Gefrierstart sehr große Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle 74 wird von dem zweiten Fluidleitsystem 70, der ersten Variante aufgenommen (der Kühler 30' ist in dieser Phase abgetrennt) und über den Kühlmittel/Kühlmittel Koppelwärmetauscher 18 auf den Minikreislauf M übertragen. Der Traktionsakkumulator 14 kann somit zügig aufgeheizt werden. Ist ein Mindest-Temperaturniveau des Traktionsakkumulators 14 erreicht, kann durch Umschaltung der einzelnen Ventile 44, 46,48 im ersten Fluidleitsystem, der ersten Variante auch der Innenraumwärmetauscher 22 von der über den Kühlmittel/Kühlmittel Koppelwärmetauscher 18 eingebrachten Wärme partizipieren.
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Sobald der Traktionsakkumulator 14 aufgrund eines hinreichenden Temperaturniveaus geladen werden darf, wird der PTC-Heizer 32 sinnvollerweise nicht mehr als elektrische Last für die Brennstoffzelle 74 betrieben, sondern stattdessen der Traktionsakkumulator 14 geladen. Der Übergang von der elektrischen Heizeinrichtung 32 auf den Traktionsakkumulator 14 kann kontinuierlich sein.
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Zusammengefasst besteht ein erfindungsgemäßer Gedanke bei dem Kühlsystem 10, der ersten Variante in der Integration und geschickten Platzierung des Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauschers 18.
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Das in 2 als Blockschaltbild dargestellte Kühlsystem 92, der zweiten Variante eines Fahrzeuges mit batterieelektrischem Antrieb weist ein erstes Fluidleitsystem 94, einer zweiten Variante auf, in dem ein viertes Fluid geführt wird. In 2 werden für Teile, die Teilen der 1 äquivalent und/oder gleich sind, die gleichen mit einem Zusatz versehenen Bezugszeichen verwendet.
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Das erste Fluidleitsystem 94, der zweiten Variante weist erneut mehrere parallel zueinander geschaltete Parallelstränge P1'', P2''', P3'', P4'', P5'', P6'', auf, die wiederum jeweils mit ihren einander gegenüberliegenden Enden an eine Längsleitung L1'', L2'' angeschlossen sind.
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In das erste Fluidleitsystem 94, der zweiten Variante sind ein Elektroantrieb 24' und ein Wechselrichter 26' des batterieelektrischen Fahrzeugantriebssystems eingebunden. Der seriell mit dem Elektroantrieb 24' im Parallelstrang P3'' angeordnete Wechselrichter 26' speist den Elektroantrieb 24'' mit einer Wechselspannung oder Drehspannung vorgegebener Frequenz. Der Elektroantrieb 24' liefert wiederum Antriebskraft zum Antrieb des Fahrzeugs.
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Eine Brennstoffzelle 74' ist im Parallelstrang P5'' angeordnet. Der in Reihe zur Brennstoffzelle 74' geschaltete Filter 82' filtert Schwebeteile oder Feststoffe aus dem Zulaufstrom zur Brennstoffzelle 74' aus.
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Die von der Brennstoffzelle 74' erzeugte elektrische Leistung kann wiederum gemäß dem Systemgedanken des Range-Extender-Konzepts zum Nachladen des im unten beschriebenen zweiten Fluidleitsystem, einer zweiten Variante eingebundenen Traktionsakkumulators 14' verwendet werden oder direkt dem Antriebskreislauf des Fahrzeuges zugeführt werden.
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Die Brennstoffzelle 74' ist erneut über eine Anschlussleitung für das Betriebsmedium der Brennstoffzelle 96 mit einem ersten Teil 98' eines Kühlmittel/Betriebsmedium-Koppelwärmetauschers 100' verbunden, dessen zweites Teil 102' im Parallelstrang 4'' liegt.
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Ein DCDC-Wandler 80' bzw. Gleichspannungswandler dient zur Stromregelung der Brennstoffzelle 74'.
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In das erste Fluidleitsystem 94, der zweiten Variante ist ferner eine PTC-Heizung 32' gemeinsam mit einem ersten Teil 20' eines Innenraumwärmetauschers 22' und einem ersten Teil 19' eines Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauschers 18' im Parallelstrang P2'' angeordnet. Der Innenraumwärmetauscher 22' dient erneut zum Erwärmen von Luft, die dem Fahrgastraum zugeführt wird. Dem Innenraumwärmetauscher 22' ist wiederum eine Lüftergebläseeinheit 60' zugeordnet, die die erforderliche Luftströmung erzeugt.
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Im Parallelstrang P1'' des ersten Fluidleitsystems 94, der zweiten Variante ist ein erster Teil 28 eines Fahrzeugkühler 30' angeordnet, der zur Abgabe überschüssige Wärmeenergie des vierten Fluids an die Umgebung dient. Dem Fahrzeugkühler 30' ist wieder ein Lüfter 56' zur Erzeugung einer Luftströmung bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten zugeordnet.
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Ein Ionentauscher 76' im ersten Fluidleitsystem 94, der zweiten Variante senkt die Leitfähigkeit des vierten Fluids.
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Die Zirkulation des vierten Fluids innerhalb des ersten Fluidleitsystem, der zweiten Variante wird von einer vierten Förderpumpe 104 angetrieben, die zwischen den beiden Anschlussstellen des Ionentauschers 76' an der Längsleitung L1'' angeordnet ist.
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An einer Abzweigestelle der Längsleitung L1'' vom Parallelstrang P2'' ist ein weiteres Kühlmittel-Regelventil, z.B. ein zweites Dreiwegeventil 106 angeordnet, bei dem mindestens zwei der Ventilanschlüsse miteinander kommunizieren, um so eine definierte Fluidströmung über dieses zweite Dreiwegeventil 106 hinweg zuzulassen.
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Mit dem zweiten Abschaltventil 108, kann ein Volumenstrom in einem Teilbereich des Fluidleitsystems 94 unterbrochen werden. Eine Temperaturerfassungseinrichtung 110 ist in der Längsleitung L1'' angeordnet.
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Mit den angegebenen Positionen und Strömungsverbindungen der vorstehenden Funktionsbauteile können durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Ventile 106, 108 eine Reihe unterschiedlicher Fluidteilkreisläufe in dem ersten Fluidleitsystem 94, der zweiten Variante situationsabhängig- also abhängig von den jeweiligen gegenwärtigen Temperaturen der Umgebung, der einzelnen Bauteile und den zu erreichenden optimalen Temperaturen- geschaltet werden.
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Der Traktionsakkumulator 14', der den Elektroantrieb 24' speist, weist ein geringeres Temperaturoptimum als die Brennstoffzelle 74' auf und ist daher in einem separaten eigenständigen zweiten Fluidleitsystem 112, einer zweiten Variante eingebunden, in dem ein sechstes Fluid geführt ist. Ein erster Teil 114 eines Prozesskühlers 116 (das ein Wärmetauscher ist) einer Klimaanlage ist gemeinsam mit dem zweiten Teil 84' des Kühlmittel/Kühlmittel-Wärmetauschers 18' im Parallelzweig P2* des zweiten Fluidleitsystem 112, der zweiten Variante angeordnet.
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Das umlaufende vierte Fluid des ersten Fluidleitsystems 94, der zweiten Variante kann in einem vorgesehenen Maße über den zweiten Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauscher 18' direkt (d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Fluidströme) die Temperatur des im zweiten Fluidleitsystems 112, der zweiten Variante zirkulierenden sechsten Fluids beeinflussen.
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Ferner ist ein Kühler 118 mit Luftgebläse 120 in das zweite Fluidleitsystem, der zweiten Variante eingebunden.
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Mittels der Ladeeinrichtung 42' wird der Traktionsakkumulator 14' aus dem externen, öffentlichen Netz geladen, wenn dessen Ladezustand unter einen vorgegebenen Wert fällt.
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Die Fluidtemperatur kann mittels einer dritten Temperaturerfassungseinrichtung 121 erfasst und durch ein steuerbares Ventil an sich ändernde Anforderungen der Fluidteilkreisläufe im zweiten Fluidleitsystem 112, der zweiten Variante während des Betriebs angepasst werden. Eine im Längsstrang L1* angeordnete fünfte Förderpumpe 122 sorgt für die Zirkulation des sechsten Fluids.
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Ein Kältemittelkreislauf 124, einer zweiten Variante der Klimaanlage weist einen Hauptkreislauf 126 und einen Nebenkreislauf 128 auf. Der Hauptkreislauf 126 setzt sich zusammen aus zwei Längsleitungen A1, A2 und zwei parallel zueinander geschaltete Parallelleitungen. Die Längsleitung A1 enthält den Umlaufkompressor 52'. Im Hauptkreislauf 126 ist der Verdampfer 58' angeordnet.
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Im Nebenkreislauf 128, der über zwei Verbindungsleitungen C1, C2 an den Hauptkreislauf 126 angeschlossen ist, ist der zweite Teil 130 des Prozesskühlers 116 eingebunden.
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Der Gaskühler/Kondensator 54' ist Teil des Hauptkreislaufs 126 und funktional auch dem Nebenkreislauf 128 zugeordnet. Der Kältemittelkreislauf 124 ist als Zwei-Verdampfer-Kälteanlage ausgebildet. Dem Gaskühler/Kondensator 54' ist wieder ein zweiter Lüfter 132 zugeordnet. Ein erstes Absperr- und Expansionsventil 134 ist der Verbindungsleitung C1 vorgesehen, während ein zweites Absperr- und Expansionsventil 136 in einem Parallelstrang des Hauptkreislaufes 126 integriert ist.
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Die Verteilung des Temperiermittelzuflusses in den einzelnen Kreislaufsystemen 94, 112 zu den einzelnen Wärmetauschern 16, 18, 22, 30; 16', 18', 22', 30' ist mittels der jeweiligen Ventile steuerbar.
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Im Folgenden wird eine Funktionsweise des Kühlsystems 10, der zweiten Variante in einer Aufwärmphase unmittelbar nach einem Gefrierstart beschrieben. In diesem Fall ist die grundsätzliche Funktion des Kühlsystems, der zweiten Variante ähnlich wie die zuvor beschriebene Funktion des Kühlsystems, der ersten Variante. Bei einem Gefrierstart wird die Brennstoffzelle 74' über den PTC-Heizer 32' belastet. Die Verlustwärme sowie die Heizleistung des PTC-Heizers 32' werden in das vierte Fluid eingebracht und über den Kühlmittel/Kühlmittel-Koppelwärmetauscher 18' an das zweite Fluidleitsystem 112, der zweiten Variante abgegeben. Bei genügend Temperatur im ersten Fluidleitsystem 112, der zweiten Variante profitiert ebenfalls der Heizungswärmetauscher 22' vom zusätzlichen Wärmeangebot infolge der Brennstoffzellenanordnung 74'. Selbstverständlich kann die Brennstoffzellenanordnung 74' auch ohne die Konditionierungsanforderung der Batterie betrieben werden, um lediglich Wärme für die Innenraumheizung bereitzustellen. Die damit unweigerlich verbundene elektrische Leistungsabgabe würde direkt für den Fahrzeugantrieb genutzt oder in den Traktionsakkumulator 14' zwischengespeichert, oder die elektrische Leistung der Brennstoffzelle wird in der elektrischen Heizeinrichtung als zusätzliche Wärmequelle genutzt.