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DE10348385A1 - Umluftregelung für Brennstoffzellenfahrzeuge mit luftgekühlter Batterie - Google Patents

Umluftregelung für Brennstoffzellenfahrzeuge mit luftgekühlter Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Luftführungssystem zur Kühlung einer als Brennstoffzellenanlage ausgebildeten Antriebszelle (2) eines Kraftfahrzeugs. Der in eine Fahrgastzelle (1) geleitete und mittels einer Klimaanlage (4) gekühlte Frischluftmassestrom (3.1) wird dem Umluftmassestrom (3.4) zugeführt und letztlich als Kühlmassestrom (3.2) zur Kühlung der Antriebszelle (2) eingesetzt. In die Fahrgastzelle (1) wird dieselbe Menge Frischluftmassestrom (3.1) eingeleitet, wie nach der Kühlung der Antriebszelle (2) an Abluftmassestrom (3.3) abgeschieden wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Luftführungssystem für eine Fahrgastzelle und eine Antriebszelle mit einer Batterie oder Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs mit einem in die Fahrgastzelle eingeleiteten Frischluftmassestrom, einem die Antriebszelle kühlenden Kühlmassestrom und einem in die Atmosphäre abgeführten Abluftmassestrom.
  • Es ist bereits ein gattungsgemäßes Kühlsystem für eine Brennstoffzellenanlage aus der DE 196 29 084 C2 bekannt. Durch das gegebenenfalls sekundäre Kühlsystem fließt ein gasförmiges Kühlmedium. Die Brennstoffzellenanlage ist so angeordnet, dass das sekundäre Kühlmedium ganz oder teilweise durch den Staudruck des Fahrtwindes in das Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage eingeleitet wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftführungssystem für eine Antriebszelle derart auszubilden, dass die Kühlung der Antriebszelle genauer regelbar und energiesparend ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass eine Belüftungsvorrichtung oder eine Klimaanlage des Fahrzeugs die Luft innerhalb einer Fahrgastzelle in einem Umluftbetriebsmodus zumindest teilweise zirkulieren lässt, wobei der wesentliche Anteil des in die Fahrgastzelle zugeführten Frischluftmassenstroms nach dem Durchströmen der Fahrgastzelle als Kühlmassenstrom der Antriebszelle zugeführt wird und der Kühlmassenstrom unmittelbar nach dem Kühlen der Antriebszelle in die Atmosphäre abgeführt wird.
  • Hierdurch wird erreicht dass beim Einsatz einer Klimaanlage der gekühlte Frisch- oder Umluftmassenstrom zum Kühlen der Antriebszelle eingesetzt wird. Das niedrige Temperaturniveau des klimatisierten Frischluftmassestroms wird in vorteilhafter Weise zum Kühlen der Antriebszelle genutzt. Nach dem Kühlen der Antriebszelle wird die wieder zugeführte Wärmemenge mit dem Abluftmassestrom abgeführt.
  • In einer Ausführung ist vorgesehen, dass der Frischluftmassenstrom gleich dem Abluftmassenstrom ist. Das Volumen des Frischluftmassenstroms entspricht somit dem Volumen des Abluftmassenstroms. Dadurch wird sichergestellt, dass die in der Frischluft enthaltene Kälteenergie optimal ausgenutzt wird, indem sie neben der Klimatisierung der Fahrzeugkabine auch zur Kühlung der Antriebszelle genutzt wird. Wenn kein Abluftmassestrom abgeführt wird, wird auch kein Frischluftmassestrom zugeführt.
  • Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass der in der Fahrgastzelle zirkulierende Umluftmassestrom nahezu identisch dem gesamten in der Fahrgastzelle befindlichen Luftmassestrom, vermindert um den Abluftmassestrom ist. Damit ist sichergestellt, dass die gesamte aus der Fahrgastzelle abgeführte Luft zum Kühlen der Antriebszelle eingesetzt wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass die mittlere Temperatur des Abluftmassestroms gegenüber der mittleren Temperatur der Oberfläche der Antriebszelle nur um wenige Grad, vorzugsweise um maximal 5° Celsius abweicht. Die Kühlung der Antriebszelle ist so ausgelegt, dass der Kühlmassestrom genau so viel Wärme von der Antriebszelle abführt wie abhängig vom jeweiligen Lastfall nötig ist. Die spezifische, also auf die Masse bezogene Wärmekapazität des Kühlmassestroms wird dabei voll ausgeschöpft. Hierzu ist die Oberfläche der Antriebszelle hinsichtlich eines optimalen Wärmeaustauschs entsprechend groß ausgebildet.
  • Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass der Kühlmassestrom nach dem Kühlen der Antriebszelle als Abluftmassestrom an die Umgebung abgeführt wird. Der bei einer optimalen Ausnutzung der spezifischen Wärmekapazität auf die Temperatur der Antriebszelle aufgeheizte Kühlmassestrom wird nach dem Kühlen unmittelbar in die Atmosphäre abgeführt. Dadurch wird verhindert, dass die Kabineninnentemperatur durch den aufgeheizten Kühlmassestrom ansteigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass zur Regelung eines optimalen Verhältnisses von Frischluft zu Umluft innerhalb einer Fahrzeug-Klimaanlage ein Wärmestrom der Antriebszelle und/oder der Lastzustand der Antriebszelle, und/oder der Kühlmassenstrom als Regelgröße einbezogen wird bzw. werden. Damit wird erreicht, dass der Frischluftmassestrom und der Umluftmassestrom in Abhängigkeit des Kühlungsbedarfs der Antriebszelle geregelt wird.
  • Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die Fahrgastzelle in unmittelbarer Nähe der Antriebszelle eine Entlüftungsöffnung für den Kühlmassenstrom aufweist, durch die der Kühlmassenstrom als Abluft in die Umgebung geführt wird. Durch Verstellen einer Klappe der Entlüftungsöffnung wird der Abluftmassestrom geregelt.
  • Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass in Strömungsrichtung des Frischluftmassestroms direkt hinter einer Eintrittsöffnung der Fahrgastzelle eine Umluftklappe zur Regelung des Frischluftmassestroms und/oder des Umluftmassestroms angeordnet ist. Damit wird entsprechend der für die Kühlung der Antriebszelle erforderlichen Parameter die Frischluftzufuhr zwischen einem Minimum und einem Maximum eingestellt. Bei minimaler Frischluftzufuhr ist die Eintrittsöffnung geschlossen.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass der Antriebszelle zur Regelung des Frischluftmassestroms und/oder des Umluftmassestroms ein Kühlgebläse zugeordnet ist. Neben dem der Eintrittsöffnung der Fahrgastzelle zugeordneten konventionellen Gebläse unterstützt das Kühlgebläse die erforderliche Dynamik der Luftmassen im gesamten Kühl- und Umluftsystem.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Kühlmassestrom die Antriebszelle durchströmt und/oder die Entlüftungsöffnung für den Abluftmassestrom in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmassestroms regelbar ist. Um die spezifische Wärmekapazität des Kühlmassestroms voll auszuschöpfen, ist es für den Wärmetransport vorteilhaft, den Kühlmassestrom möglichst lange mit der Antriebszelle in Kontakt zu bringen. Die Klappe der Entlüftungsöffnung ist verschließbar und somit der Abluftmassestrom in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmassestroms regelbar.
    •
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in der Figur dargestellt.
  • Im hinteren Bereich einer Fahrgastzelle 1 ist eine Antriebszelle 2 vorgesehen, die als Hochleistungsbatterie oder als Brennstoffzellenanlage ausgebildet ist.
  • Zur Kühlung der Antriebszelle 2 durchströmt ein Kühlmassestrom 3.2 die Antriebszelle 2. Der erhitzte Kühlmassenstrom 3.2 wird als Abluftmassestrom 3.3 über eine Entlüftungsöffnung 1.1 in die Atmosphäre abgeführt.
  • Mit dem Abführen des Abluftmassenstroms 3.3 wird ein Frischluftmassenstrom 3.1 über eine Eintrittsöffnung 1.2 in die Fahrgastzelle 1 geleitet. Der Frischluftmassenstrom 3.1 ist im Volumen identisch dem Abluftmassenstrom 3.3. Der Frischluftmassenstrom 3.1 wird mittels einer Klimaanlage 4 gekühlt und dem in der Fahrgastzelle 1 zirkulierenden Umluftmassenstrom 3.4 zugeführt.
  • Entsprechend den Anforderungen an die Kühlung der Antriebszelle 2, wird der Kühlmassenstrom 3.2 in Abhängigkeit der erforderlichen Kühlleistung für die Antriebszelle 2 geregelt. In ständigem Austausch wird der Kühlmassenstrom 3.2 vom in der Fahrgastzelle 1 zirkulierenden Luftmassenstrom 3.4 abgezweigt und mit dem Abführen von erhitzter Kühlluft 3.2 in Form von Abluft 3.3 wird wieder Frischluft 3.1 in die Fahrgastzelle 1 geleitet. Das in der Fahrgastzelle 1 befindliche Luftvolumen bleibt dabei annähernd konstant.
  • Die Menge des Frischluftmassestroms 3.1 ist der notwendigen Kühlleistung der Antriebszelle 2 angepasst. Wichtig ist dabei, dass jeglicher in die Fahrgastzelle 1 eingeleitete Luftmassestrom letztendlich zur Kühlung der Antriebszelle 2 benutzt wird. Wenn kein Abluftmassestrom 3.3 abgeführt wird, muss zur Kühlung der Antriebszelle auch kein Frischluftmassenstrom 3.1 zugeführt werden.
  • Dieses Kühlsystem ermöglicht eine exakt regelbare und energiesparende Kühlung der Antriebszelle.

Claims (8)

  1. Luftführungssystem für eine Fahrgastzelle (1) und eine Antriebszelle (2) eines Kraftfahrzeugs mit einem in die Fahrgastzelle (1) eingeleiteten Frischluftmassestrom (3.1), einem die Antriebszelle (2) kühlenden Kühlmassestrom (3.2) und einem in die Atmosphäre abgeführten Abluftmassestrom (3.3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Umluftmodus einstellbar ist, der so ausgebildet ist, dass die als Frischluftmassestrom (3.1) in die Fahrgastzelle (1) einströmende Luftmenge nach dem Durchströmen der Fahrgastzelle (1) als Kühlmassenstrom (3.2) der Antriebszelle (2) zugeführt wird und der Kühlmassestrom (3.2) unmittelbar nach dem Kühlen der Antriebszelle (2) in die Atmosphäre abgeführt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftmassestrom (3.1) gleich dem Abluftmassestrom (3.3) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Fahrgastzelle (1) zirkulierende Umluftmassestrom (3.4) nahezu identisch dem gesamten in der Fahrgastzelle (1) befindlichen Luftmassestrom, vermindert um den Abluftmassestrom (3.3) ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Frischluftmassenstromanteils (3.1) im Verhältnis zum Umluftmassestromanteils (3.4) ein Wärmestrom der Antriebszelle (2), oder ein Lastzustand der Antriebszelle (2), oder der Kühlmassenstrom (3.2) als Regelgröße einbezogen wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgastzelle (1) in unmittelbarer Nähe der Antriebszelle (2) eine Entlüftungsöffnung (1.1) aufweist, durch die der Abluftmassestrom (3.3) in die Umgebung geführt wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Frischluftmassestroms (3.1) direkt hinter einer Eintrittsöffnung (1.2) der Fahrgastzelle (1) eine Umluftklappe zur Regelung des Frischluftmassestrom (3.1) und/oder des Umluftmassestroms (3.4) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebszelle (2) zur Regelung des Abluftmassenstromes ein Kühlgebläse (4) zugeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Entlüftungsöffnung (1.1) für den Abluftmassestrom (3.3) in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmassestroms (3.2) regelbar ist.
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