DE10154595B4

DE10154595B4 - Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug mit durch eine Brennstoffzelle gespeistem Elektromotor

Info

Publication number: DE10154595B4
Application number: DE10154595A
Authority: DE
Inventors: Ngy-Srun Ap; Philippe Jouanny
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: FR2816258A1; JP2002233004A; US20020053216A1; US6595433B2; FR2816258B1; DE10154595A1

Abstract

Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug mit durch eine Brennstoffzelle gespeistem Elektromotor, die eine Hauptschleife mit einem Hauptkühler zur Kühlung der Brennstoffzelle und eine Nebenschleife mit einem Nebenkühler zur Kühlung wenigstens des Motors aufweist, wobei die Hauptschleife (18) und die Nebenschleife (20) zu demselben Kreislauf gehören, der von einem einzigen fluiden Kühlmedium durchströmt wird, der einen gemeinsamen Abschnitt (22) der beiden Schleifen aufweist und in dem eine gemeinsame Pumpe (24) angeordnet ist, und wobei wenigstens ein Regulierventil (38; 56, 58; 62) vorgesehen ist, das das Kühlmittel zwischen den Schleifen (18, 20) gemäß einer ausgewählten Gesetzmäßigkeit aufteilen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkühler (26) in einen ersten Teil (26A) und einen zweiten Teil (26B) aufgeteilt ist, daß der gemeinsame Abschnitt (22) die Pumpe (24), den ersten Teil (26A) des Hauptkühlers und den Nebenkühler (54) umfaßt, während der zweite Teil (266) des Hauptkühlers zu der Nebenschleife (20) gehört, und daß die...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung von Kraftfahrzeugen.
Sie betrifft insbesondere eine Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug mit durch eine Brennstoffzelle gespeistem Elektromotor.
Eine solche Vorrichtung ist sowohl bei Fahrzeugen anwendbar, die allein durch einen Elektromotor angetrieben werden, als auch bei Hybridfahrzeugen, die entweder durch einen Elektromotor oder durch einen anderen Motortyp, insbesondere durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden.
Bei einem Kraftfahrzeug des genannten Typs muß die Kühlung der Brennstoffzelle gewährleistet sein, da diese im allgemeinen mit unter Druck stehendem Wasserstoff und unter Druck stehender Luft versorgt wird, die gewöhnlich eine Temperatur haben, die höher als die Umgebungstemperatur ist.
Es muß auch die Kühlung des eigentlichen Elektromotors sowie dessen Leistungssteuerung und eventuell weiterer Nebenaggregate gewährleistet sein.
Kühlvorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt, die eine Hauptschleife mit einem Hauptkühler zur Kühlung der Brennstoffzelle aufweisen, sowie eine Nebenschleife mit einem Nebenkühler zur Kühlung wenigstens des Elektromotors.
Bei den bekannten Vorrichtungen sind die Hauptschleife und die Nebenschleife als zwei getrennte Kreise ausgeführt, die jeweils von einem bestimmten Kühlmittel durchströmt werden und die jeweils eine Elektropumpe, ein Ausdehnungsgefäß sowie Regulierungsmittel aufweisen.
Die Hauptgründe dafür, daß zwei getrennte Kreise vorhanden sind, hängen hauptsächlich mit der Tatsache zusammen, daß diese beiden Kreise bei unterschiedlichen Temperaturen und Durchsätzen arbeiten müssen. Der Hauptkreis muß nämlich bei einer höheren Temperatur und bei einem höheren Durchsatz arbeiten als der Nebenkreis.
Aufgrund der beiden getrennten Schleifen oder Kreise umfaßt die Kühlvorrichtung eine hohe Anzahl von Komponenten, was insbesondere den Nachteil hat, die Herstellung der Vorrichtung zu erschweren und ihren Platzbedarf zu erhöhen.
Die DE 4327 261 C1 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten, wobei ein erster Kühlmittelkreislauf mit einem zu kühlenden Brennstoffzellen-Aggregat und ein separater zweiter Kühlmittelkreislauf mit einem zu kühlenden Elektro-Fahrmotor-Aggregat vorgesehen sind. Die beiden Kühlmittelkreisläufe sind über einen gemeinsamen Wärmetauscher gekoppelt.
Die FR 2 792 259 A1 zeigt eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlmittelkreislauf, welcher eine Schleife umfasst, die einen Hauptzweig mit einem zu kühlenden Brennstoffzellenaggregat und einen Nebenzweig mit zu kühlenden Nebenaggregaten umfasst, wobei der Kühler im Hauptzweig der Schleife angeordnet ist.
Die DE 199 61 825 A1 zeigt eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 für ein Fahrzeug mit durch eine Brennstoffzelle gespeistem Elektromotor. Ein Hauptkühler ist in der Hauptschleife und ein separater Nebenkühler ist in der Nebenschleife angeordnet.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, die genannten Nachteile zu überwinden und eine Kühlvorrichtung vereinfachter Struktur bereitzustellen, die eine geringere Anzahl von Komponenten umfaßt.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
Die Kühlvorrichtung der Erfindung ordnet folglich die Hauptschleife und die Nebenschleife in ein und demselben Kreis neu an, welcher von einem einzigen Kühlmittel, unter der Wirkung einer gemeinsamen Pumpe durchströmt wird.
Dies ermöglicht eine Verringerung der Anzahl der Komponenten des Kreislaufs und außerdem, insbesondere aufgrund eines speziellen Regulierventils, das Funktionieren der Hauptschleife und der Nebenschleife mit ihren jeweiligen Besonderheiten, insbesondere was die Höhe des Durchsatzes und der Temperatur anbelangt.
Vorteilhafterweise wird ein Vierwegeventil verwendet, das einen ersten Eingang aufweist, der mit der Hauptschleife in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelle verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit der Nebenschleife in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Teil des Hauptkühlers verbunden ist, einen ersten Ausgang, der mit dem gemeinsamen Abschnitt in Strömungsrichtung vor dem ersten Teil des Hauptkühlers verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit einer Abzweigung der Hauptschleife verbunden ist, die den ersten Teil des Hauptkühlers umgeht.
Es können der erste Teil des Hauptkühlers und der Nebenkühler entweder in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung unabhängig von der gewählten Ausführungsform außerdem ein Ausdehnungsgefäß, das in der Hauptschleife angeordnet ist. Sie kann ferner wenigstens ein Luftheizgerät aufweisen, das in der Hauptschleife angeordnet ist, um die Erwärmung des Innenraums des Fahrzeuges zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung darüber hinaus einen Lüftersatz, der dem Hauptkühler oder auch dem Nebenkühler zugeordnet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung, die nur als Beispiel dient, ist auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigt:
1 und 2 schematisch zwei unterschiedlichen Ausführungsformen einer Kühlvorrichtung, die nicht unter die vorliegende Erfindung fallen;
3 schematisch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung; und
4 schematisch eine Ausführungsvariante der 3.
1 stellt schematisch eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug dar, das durch einen Elektromotor 10 angetrieben wird, der durch eine Brennstoffzelle 12 gespeist wird. Die Vorrichtung umfaßt einen einzigen Kreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle 12, die mit Wasserstoff und Luft versorgt wird, welche sich bei einer Temperatur befinden, die über der Umgebungstemperatur liegt. Die Vorrichtung dient auch der Kühlung verschiedener elektrischer Apparaturen 14, einschließlich der Leistungssteuerung des Motors und verschiedener Nebenaggregate 16.
Die Vorrichtung umfaßt eine Hauptschleife 18 und eine Nebenschleife 20, die einen gemeinsamen Abschnitt 22 besitzen, in dem eine gemeinsame Pumpe angebracht ist, die dasselbe Fluid durch die Zweige 18 und 20 strömen läßt.
Der Hauptzweig 18 umfaßt einen Hauptkühler 26, dem ein Lüftersatz 28 zugeordnet ist. Der Kühler 26 kann durch einen Luftstrom F gekühlt werden, der unter der Wirkung des Lüftersatzes 28 und/oder der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Bewegung versetzt wird.
Am Ausgang des gemeinsamen Abschnitts 22 teilt sich der Kreislauf 22 in zwei Leitungen 30 und 32, die zu der Hauptschleife 18 bzw. zu der Nebenschleife 20 gehören.
Die Leitung 30 führt zu der Brennstoffzelle 12. In Strömungsrichtung hinter dieser ist eine Leitung 34 angeordnet, die zu dem Hauptkühler 26 führt. Der Ausgang dieses Kühlers ist über eine Leitung 36 mit einem Regulierventil 38 vom Typ eines Vierwegeventils verbunden, das später beschrieben wird.
In der Leitung 34 ist ein Luftheizgerät 40 angeordnet, das von einem Luftstrom durchquert werden kann, um die Erwärmung des Innenraumes des Fahrzeugs zu gewährleisten. Die Hauptschleife 18 umfaßt ein Ausdehnungsgefäß 42, das über die Leitungen 44 und 46 mit der Leitung 34 verbunden ist.
Das Regulierventil 38 umfaßt drei Eingänge E1, E2 und E3 sowie einen Ausgang S. Der Eingang E1 ist mit der Leitung 36, d. h. mit der Hauptschleife 18, in Strömungsrichtung hinter dem Hauptkühler 26 verbunden. Der Eingang E2 ist mit einer Abzweigung 48 verbunden, die den Hauptkühler 26 umgeht und die mit einem Verbindungspunkt 50 der Leitung 34 verbunden ist. Der dritte Eingang E3 ist mit einer Leitung 52 der Nebenschleife 20 verbunden. Der Ausgang S ist mit dem gemeinsamen Abschnitt 22 in Strömungsrichtung vor der Elektropumpe 24 verbunden.
In der Leitung 32 der Nebenschleife 20 ist ein Nebenkühler 54 angeordnet. Am Ausgang des Nebenkühlers 54 teilt sich die Leitung 32 in zwei Leitungen, in denen die elektrischen Apparaturen 14 bzw. die Nebenaggregate 16 angeordnet sind.
Das Regulierventil 38 ermöglicht es, den Durchsatz und die Temperatur des fluiden Kühlmediums in der Hauptschleife 18 und in der Nebenschleife 20 getrennt zu regeln. Die Hauptschleife 18 arbeitet im allgemeinen mit einem höheren Durchsatz (typischerweise in der Größenordnung von 5000 Liter pro Stunde) als die Nebenschleife, die mit einem geringeren Durchsatz arbeitet (typischerweise in der Größenordnung von 2000 Liter pro Stunde).
Außerdem arbeitet die Hauptschleife 18 bei einer höheren Temperatur, Hochtemperatur (HT) genannt, während die Nebenschleife 20 bei einer niedrigeren Temperatur, Niedertemperatur (NT) genannt, arbeitet.
Durch eine geeignete Gestaltung des Regulierventils 38, können die Schleifen 18 und 20 ihre Besonderheiten in Bezug auf die Höhe ihres Durchsatzes und ihrer Temperatur bewahren.
Dieses Ventil kann das fluide Medium entweder in den Hauptkühler 26 oder in die Abzweigung 48 strömen lassen. Im letzteren Fall durchquert das fluide Kühlmedium nicht den Hauptkühler, sondern nur das Luftheizgerät 40, was die Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes begünstigt, insbesondere in der Winterzeit.
Wenn im Gegensatz dazu das fluide Medium den Hauptkühler durchquert, wird das fluide Kühlmedium im wesentlichen durch den Hauptkühler 26 gekühlt.
Es ist anzumerken, daß es aufgrund einer besonderen Gestaltung des Regulierventils 38 möglich ist, den Durchgang des fluiden Kühlmediums entweder durch die Hauptschleife oder durch die Nebenschleife in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zu bevorzugen.
Die Ausführungsform der 2 ist der der 1 ähnlich, und die gemeinsamen Elemente sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
In dieser Ausführungsform umfaßt der gemeinsame Abschnitt 22 sowohl die Pumpe 24 als auch den Hauptkühler 26. Außerdem umfaßt die Vorrichtung ein erstes Regulierventil vom Typ eines Dreiwegeventils, das in Strömungsrichtung hinter dem Hauptkühler 26 und vor der Pumpe 24 angeordnet ist, und ein zweites Regulierventil 58 vom Typ eines Dreiwegeventils, das in Strömungsrichtung hinter der Pumpe 24 angeordnet ist. Die Hauptschleifen 18 und 20 teilen sich folglich am Ausgang des Regulierventils 58.
Das erste Ventil 26 weist zwei Eingänge E1 und E2 und einen Ausgang S auf, die den Eingängen E1 und E2 sowie dem Ausgang S des Ventils 38 der 1 ähneln. Der Eingang E1 ist mit der Hauptschleife in Strömungsrichtung nach dem Hauptkühler 26 verbunden, der Eingang E2 ist mit der Abzweigung 48 verbunden, die den Hauptkühler umgeht, und der Ausgang S ist mit dem gemeinsamen Abschnitt in Strömungsrichtung vor der Elektropumpe 24 verbunden.
Das Regulierventil 58 umfaßt einen Eingang E und zwei Ausgänge S1 und S2. Der Eingang E ist mit dem gemeinsamen Abschnitt 22 verbunden, der Ausgang S1 ist mit der Hauptschleife, in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle verbunden, und der Ausgang S2 ist mit der Nebenschleife, in Strömungsrichtung vor dem Nebenkühler 54 verbunden. Die Leitung 52 der Nebenschleife ist hier mit der Leitung 34 der Hauptschleife an einem Punkt 60 verbunden, der in Strömungsrichtung vor dem Verbindungspunkt 50 mit der Abzweigungsleitung 48 verbunden ist.
Das Regulierventil 56 ermöglicht es, das fluide Medium der Hauptschleife entweder in den Hauptkühler 26 oder in die Abzweigungsleitung 48 fließen zu lassen.
Das Regulierventil 58 ermöglicht es, das fluide Kühlmedium zwischen der Hauptschleife 18 und der Nebenschleife 20 entsprechend einer gewählten Verteilung aufzuteilen.
Die Vorrichtung gemäß 3 ist der der 1 ähnlich, und die gemeinsamen Elemente sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Der Hauptkühler 26 ist hier in einen ersten Teil 26A und in einen zweiten Teil 26B unterteilt, die zu der Hauptschleife bzw. der Nebenschleife gehören.
Der gemeinsame Abschnitt 22 umfaßt die Elektropumpe 24, den ersten Teil 26A des Hauptkühlers sowie den Nebenkühler 54. Der zweite Teil 26B des Hauptkühlers gehört zu der Nebenschleife. Die Vorrichtung umfaßt hier ein einziges Regulierventil 62 vom Typ eines Vierwegeventils, das zwei Eingänge E1 und E2 und zwei Ausgänge S1 und S2 aufweist. Der Eingang E1 ist mit der Hauptschleife, in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelle 12 und dem Luftheizgerät 40 verbunden. Der Eingang E2 ist mit der Nebenschleife, in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Teil 26B des Hauptkühlers und ebenfalls in Strömungsrichtung hinter den Apparaturen 14 und den Zubehörteilen 16 verbunden. Der Ausgang S1 ist mit dem gemeinsamen Abschnitt 22 in Strömungsrichtung vor dem ersten Teil 26A des Hauptkühlers verbunden. Der Ausgang S2 ist mit der Abzweigung 48 verbunden, die den ersten Teil des Hauptkühlers umgeht. Diese Abzweigung 48 mündet in den gemeinsamen Abschnitt 22 an einem Punkt 64, der zwischen dem Nebenkühler 54 und der Elektropumpe 24 angeordnet ist.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform der 3 sind der erste Teil 26A des Hauptkühlers und der Nebenkühler 54 in Reihe geschaltet. Das fluide Medium, das von dem Ausgang S1 des Regulierventils 62 kommt, durchquert sukzessive diesen ersten Teil 26A des Hauptkühlers und den Nebenkühler 54, bevor es von der Pumpe 24 angesaugt wird.
Es ist zu bemerken, daß der Lüftersatz 28 die Kühlung des fluiden Mediums gewährleisten kann, das die beiden Teile des Kühlers durchquert.
Am Ausgang der Elektropumpe wird das fluide Medium zwischen der Hauptschleife, die insbesondere die Zelle 12 und das Luftheizgerät 40 umfaßt, und der Nebenschleife, die den zweiten Teil 26B des Hauptkühlers sowie die Apparaturen 14 und die Nebenaggregate 16 enthält, geteilt.
Das Regulierventil 62 empfängt das fluide Kühlmedium, das von der Hauptschleife bzw. von der Nebenschleife kommt, und läßt dann das fluide Medium entweder in den ersten Teil 26A des Hauptkühlers oder in die Abzweigungsleitung 48 fließen, je nachdem, ob das fluide Medium durch den Hauptkühler gekühlt werden muß oder nicht.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform der 4 ist der der 3 sehr ähnlich, außer daß der erste Teil 26A des Hauptkühlers und der Nebenkühler 54 parallel und nicht in Reihe geschaltet sind.
Die Kühlvorrichtung der Erfindung bietet somit den Vorteil, ein einziges fluides Kühlmedium zu verwenden, nämlich ein fluides Medium, das mit der Brennstoffzelle und den anderen Kühlern oder Wärmetauschern verträglich ist. Es kann sich insbesondere um eine Mischung der Art Wasser-Ethylenglykol handeln.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß die Anzahl der Komponenten verringert ist, da die Elektropumpe, ebenso wie das Ausdehnungsgefäß, den beiden Schleifen gemeinsam ist.
Die Vorrichtung der Erfindung kann zahlreiche Ausführungsvarianten haben. So kann insbesondere der Lüftersatz 28 dem Nebenkühler 54 anstatt dem Hauptkühler 26 zugeordnet sein.
Die Erfindung findet eine besondere Anwendung bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen.

Claims

Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug mit durch eine Brennstoffzelle gespeistem Elektromotor, die eine Hauptschleife mit einem Hauptkühler zur Kühlung der Brennstoffzelle und eine Nebenschleife mit einem Nebenkühler zur Kühlung wenigstens des Motors aufweist, wobei die Hauptschleife (18) und die Nebenschleife (20) zu demselben Kreislauf gehören, der von einem einzigen fluiden Kühlmedium durchströmt wird, der einen gemeinsamen Abschnitt (22) der beiden Schleifen aufweist und in dem eine gemeinsame Pumpe (24) angeordnet ist, und wobei wenigstens ein Regulierventil (38; 56, 58; 62) vorgesehen ist, das das Kühlmittel zwischen den Schleifen (18, 20) gemäß einer ausgewählten Gesetzmäßigkeit aufteilen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkühler (26) in einen ersten Teil (26A) und einen zweiten Teil (26B) aufgeteilt ist, daß der gemeinsame Abschnitt (22) die Pumpe (24), den ersten Teil (26A) des Hauptkühlers und den Nebenkühler (54) umfaßt, während der zweite Teil (266) des Hauptkühlers zu der Nebenschleife (20) gehört, und daß die Vorrichtung außerdem ein Regulierventil (62) umfaßt, das in Strömungsrichtung vor dem Hauptkühler (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regulierventil (62) ein Vierwegeventil ist, das einen ersten Eingang (E1) aufweist, der mit der Hauptschleife (18) in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelle (12) verbunden ist, einen zweiten Eingang (E2), der mit der Nebenschleife (20) in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Teil (26B) des Hauptkühlers verbunden ist, einen ersten Ausgang (S1), der mit dem gemeinsamen Abschnitt (22) in Strömungsrichtung vor dem ersten Teil (26A) des Hauptkühlers verbunden ist, und einen zweiten Ausgang (S2) aufweist, der mit einer Abzweigung (48) der Hauptschleife verbunden ist, die um den ersten Teil (26A) des Hauptkühlers (26) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (26A) des Hauptkühlers und der Nebenkühler (54) in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (26A) des Hauptkühlers und der Nebenkühler (54) parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Ausdehnungsgefäß (42) umfaßt, das in der Hauptschleife (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Luftheizgerät (40) umfaßt, das in der Hauptschleife (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Lüftersatz (28) umfaßt, der dem Hauptkühler (26) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Lüftersatz (28) umfaßt, der dem Nebenkühler (54) zugeordnet ist.