Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit E-Antriebsstrang, wobei ein Dauerbremssystem und eine Brennstoffzellenvorrichtung in dem Kraftfahrzeug vorgesehen sind.

Der Anteil der Kraftfahrzeuge, die einen reinen E-Antriebsstrang, der entweder die Energie von einer Batterie oder einer Kombination von Batterie und Brennstoffzelle bezieht, verwenden, nimmt immer mehr zu. Solche Kraftfahrzeuge können insbesondere als Busse und/oder Nutzfahrzeuge ausgebildet sein.

Die Anforderungen an solche Kraftfahrzeuge bzw. deren Bremsanlage erfordert den Einbau eines verschleißfreien Dauerbremssystems, so dass eine Bremsfahrt nach ECE R13 ermöglicht wird, ohne dass die Betriebsbremsen aktiviert werden müssen. Bei Fahrzeugen mit einem herkömmlichen Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor umfasst, ist diese verschleißfreie Bremse meist als Retarder ausgeführt. Die bei einer Bremsfahrt anfallende Bremsenergie wird über das Arbeitsmedium des Retarders, ein Öl oder das Kühlwasser aus dem Fahrzeugkühlkreislauf, abgeführt. Zur Wärmeabfuhr ist ein Wärmetauscher im Öl oder Kühlwasserkreislauf vorgesehen.

Bei der Verwendung eines Brennstoffzellensystems ist es erforderlich, dass die Temperatur des Kühlwassers, welches zur Kühlung der Brennstoffzelle verwendet wird, eine Temperatur von ca. 80°C nicht übersteigt.

Der elektrische Antriebsstrang umfasst einen E-Motor und einen Umrichter, wobei der E-Motor über den Umrichter mit elektrischer Energie aus einer Batterie und/oder Brennstoffzelle versorgt wird. Ein Problem beim Einsatz eines Brennstoffzellensystems ist es, dass die bei diesen Systemen vorhandene Batterie relativ wenig Rekuperations- energie aufnehmen und speichern kann. Für den Fall, dass die Batterie keine Energie mehr aufnehmen kann oder dass eine Energieaufnahme durch die Batterie verhindert werden soll, muss relativ viel Bremsenergie über ein separates Dauerbremssystem abgeführt werden, um auf den Einsatz der Betriebsbremsen verzichten zu können. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn alle Batterien vollgeladen sind, wenn die Batterien kalt sind und/oder in einem Fehlerfall. Die anfallende Bremsenergie des Dauerbremssystems kann eine Temperaturerhöhung des Kühlmediums zur Folge haben, die die Temperatur von 80°C weit überschreiten kann. Ein gemeinsames Kühlsystem für eine Brennstoffzelle und eine Dauerbrems einrichtung muss daher derart ausgelegt sein, dass für beide Systeme eine ausreichende Kühlung ermöglicht wird

Aus der EP 3815948 A1 ist ein kombiniertes Kühl- und Wasserbremssystem bekannt. Dieses System umfasst einen ersten Wasserumwälzkreislauf, in dem ein erster Wärmetauscher und eine Brennstoffzelle angeordnet sind. Weiterhin ist ein zweiter Wasserumwälzkreislauf mit einem zweiten Wärmetauscher und einem Wasserretarder vorgesehen. Zwischen den Wasserumwälzkreisläufen sind Leitungsabschnitte mit darin angeordneten Ventilen vorgesehen, die jeweils vor und hinter dem zweiten Wärmetauscher mit dem zweiten Wasserumwälzkreislauf gekoppelt sind, so dass der zweite Wärmetauscher parallel zum ersten Wärmetauscher schaltbar ist, und es möglich ist, im Nicht-Bremsbetrieb den zweiten Wärmetauscher wahlweise zur Kühlung der Brennstoffzelle einzusetzen. Zur Regelung ist eine Steuerung vorgesehen, die die Ventilöffnung regelt, wobei im Bremsbetrieb des Retarders die Ventile derart regelbar sind, dass kein Kühlwasser mit einer hohen Wassertemperatur aus dem Retarder zur Brennstoffzelle gelangen kann. Ein Problem bei einem derartigen kombinierten Kühl- und Wasserbremssystem ist es, dass die Kühlwassereigenschaften sich erfahrungsgemäß beim Einsatz des Retarder ändern können, so dass es zu Problemen bei der Kühlung der Brennstoffzelle kommen könnte. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit Dauerbremssystem und Brennstoffzelle vorzuschlagen. Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.

Es wird ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit E-Antriebsstrang vorgeschlagen, mittels dem ein Dauerbremssystems und einer Brennstoffzellenvorrichtung des E-Antriebsstrang gekühlt werden können. Dieses umfasst einen ersten Kühlkreislauf und einen zweiten Kühlkreislauf, wobei der erste Kühlkreislauf die Brennstoffzellenvorrichtung, eine Pumpe und einen ersten Wärmetauscher und der zweite Kühlkreislauf das Dauerbremssystem und einen zweiten Wärmetauscher umfassen, wobei das Dauerbremssystem zur Aufnahme von einer vorgebbaren Leistung und/oder vorgebbaren Energie zur Abbremsung des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der erste Kühlkreislauf einen parallel zur Brennstoffzellenvorrichtung verlaufenden Bypasskanal umfasst, wobei über den Bypasskanal ein Teilvolumenstrom eines Kühlmediums des ersten Kühlkreislaufs durch den zweiten Wärmetauscher leitbar ist. Durch diesen Aufbau erfolgt die Wärmeabfuhr des Kühlsystems in die Umgebung im Wesentlichen über den ersten Wärmetauscher. Im Zweiten Wärmetauscher erfolgt im Wesentlichen eine Wärmeübertragung vom zweiten Kühlkreislauf, also die Abwärme des Dauerbremssystems, auf das Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufs.

Durch die getrennten Kühlkreisläufe ist es möglich, unterschiedliche Kühlmedien für die Kühlung der Brennstoffzelle und zu Kühlung des Dauerbremssystems einzusetzen. Dies kann insbesondere dann wichtig werden, wenn an das Kühlmedium der Brennstoffzelle besondere Anforderungen gestellt werden. Weiter kann die Pumpe, in Pumprichtung gesehen, vor dem Wärmetauscher angeordnet sein, so dass das gesamte Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufs den ersten Wärmetauscher durchströmt. Vorzugsweise ist im Bypasskanal ein regelbares Ventil angeordnet, so dass die Aufteilung der Teilvolumenströme regelbar ist. Dies kann mittels einer Steuereinheit erfolgen, mittels der das regelbare Ventil auf Basis des Aktivierungszustandes des Dauerbremssystems regelbar ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Dauerbremssystem vorgeschlagen, welches einen Bremswiederstand bzw. temperaturabhängigen Widerstand oder einen Retarder aufweist. Dieser temperaturabhängige Widerstand weist zumindest zwei Anschlusseinrichtungen zum Anschluss an einen Stromkreis, beispielsweise an einen Hochspannungs-Stromkreis, einen Traktionskreis oder einen HV-Stromkreis (High Voltage oder Hoch Volt), auf.

In einer alternativen Ausführung kann im zweiten Kühlkreislauf auch eine Pumpe angeordnet sein, so dass auch im zweiten Kühlkreislauf ein Zwangsumlauf realisiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass über den Bypasskanal ein Teilvolumenstrom eines Kühlmediums des ersten Kühlkreislaufs durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, wobei bei der Abbremsung des Kraftfahrzeugs Wärmeenergie vom zweiten Kühlkreislauf auf den Teilvolumenstrom des ersten Kühlkreislaufs übertragen wird.

Weiterhin kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, mittels der ein regelbares Ventil im Bypasskanal auf Basis des Aktivierungszustandes des Dauerbremssystems geregelt wird. ln einer weiteren Ausführung kann der zweiten Kühlkreislauf eine Pumpe umfassen, mittels der ein Mindestvolumenstrom durch das Dauerbremssystem geregelt wird, um die anfallende Wärmeenergie in allen Betriebszuständen über den zweiten Wärmetauscher abzuführen. Das Ventil kann auch ganz geschlossen werden, wenn das Dauerbremssystem deaktiviert ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen: Fig.1 Kühlsystem

Fig.2 Kühlsystem mit zusätzlicher Pumpe

Figur 1 zeigt ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit E-Antriebsstrang. Das hier dargestellte Kühlsystem ist dafür ausgelegt, die Abwärme eines Dauerbremssystems 2 und einer Brennstoffzellenvorrichtung 3 abzuführen. Dabei ist unter dem

Brennstoffzellensystem 3 ein System zu verstehen, welches eine Brennstoffzelle und Mittel zur Übertragung von Wärmeenergie, die von der Brennstoffzelle abgeführt und an ein Kühlmedium eines Kühlkreislaufs übertragen werden muss, umfasst.

Das Dauerbremssystem 2 in Figur 1 ist vorzugsweise ein Retarder, wobei der Retarder derart ausgelegt ist, dass die Pumpwirkung in allen Betriebszuständen ausreicht, um überschüssige Abwärme aus dem Retarder abzuführen. Der Retarder kann ein Öl- Retarder oder ein Wasser-Retarder sein. Grundsätzlich ist das Dauerbremssystem 2 zur Aufnahme von einer vorgebbaren Leistung und/oder vorgebbaren Energie zur Abbremsung des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Das vorgeschlagene Kühlsystem 1 weist einen ersten Kühlkreislauf 4 und einen zweiten Kühlkreislauf 5 auf, die in sich geschlossen sind, so dass in den Kühlkreisläufen 4, 5 unterschiedliche Kühlmedien, z.B. Wasserbasiert oder Öl, enthalten sein können.

Der zweite Kühlkreislauf 5 umfasst das Dauerbremssystem 2 und einen primärseitig in den Kühlkreislauf gekoppelten zweiten Wärmetauscher 8. Zur Abführung der Abwärme ist der zweiten Wärmetauscher 8 sekundärseitig mit dem ersten Kühlkreislauf 4 gekoppelt, so dass die Abwärme des zweiten Kühlkreislaufs auf das Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufs übertagen wird.

Der erste Kühlkreislauf 4 umfasst einen ersten Wärmetauscher 7, der als Fluid-Luft- Wärmetauscher ausgelegt ist. Parallel zum ersten Wärmetaucher 7 sind die Brennstoffzellenvorrichtung 3 bzw. deren Kühlung über einen Bypasskanal 9 in die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers 8 im ersten Kühlkreislauf integriert.

Zur Erzeugung einer Umlaufströmung ist eine Pumpe 6 vor dem ersten Wärmetauscher 7 vorgesehen. Die Pumpwirkung der Pumpe 6 kann regelbar sein, um insbesondere die Brennstoffzellentemperatur auf einem Temperaturniveau zu halten. Hinter dem ersten Wärmetauscher 7 wird der Kühlmediumstrom in zwei Teilvolumenströme 13a, b aufgeteilt, wobei der Teilvolumenstrom 13a für die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung 3 und der zweite Teilvolumenstrom 13b zur Kühlung der Dauerbremssystems 2 verwendet wird. Figur 2 zeigt ein weiteres Kühlsystem, in dem eine zusätzliche Pumpe 14 im zweiten Kühlkreislauf 5 eingebaut ist. Diese Pumpe ist dann notwendig, wenn das Dauerbremssystem 2 keine odereine nur unzureichende Fluidströmung erzeugt. Dies ist der Fall, wenn ein Bremswiderstand zum Einsatz kommt oder wenn ein Retarder verwendet wird, der nicht in allen Betriebszuständen die notwendige Pumpwirkung erzeugt, um eine für die Kühlung notwendige Umlaufströmung zu bewirken.

Beide dargestellten Kühlsysteme sind im Wesentlichen für zwei Betriebsweisen ausgelegt.

- Fährbetrieb: - Abwärme entsteht nur beim Betrieb der Brennstoffzelle - eine Kühlung des Dauerbremssystems ist nicht erforderlich

- Bremsbetrieb: - Abwärme entsteht im Wesentlichen durch den Betrieb des

Dauerbremssystems

- die Kühlung der Brennstoffzelle muss weiterhin sichergestellt sein Zur Anpassung des Kühlsystems an die Betriebsweisen ist das Ventil 10 vorgesehen, welches mittels der Steuereinheit 12 regelbar ist. Die Regelung erfolgt auf Basis der Temperatur des Dauerbremssystems. Bei der Aktivierung des Dauerbremssystems 2 reduziert sich gleichzeitig der Strom bedarf des E-Motors, so dass die Strom Produktion der Brennstoffzelle runtergefahren werden kann und so der Kühlbedarf reduziert wird. Gleichzeitig erhöht sich der Kühlbedarf des zweiten Kühlkreislaufs 5. Der von der Pumpe 6 durch den ersten Kühler 7 gepumpte Kühlwasserstrom muss somit in zwei Teilvolumenströme 13a, b aufgeteilt werden. Die Aufteilung wird mittels des Ventils 10 im Bypasskanal 9 geregelt, so dass sichergestellt ist, dass immer ein Teilvolumenstrom 13a durch die Brennstoffzellenvorrichtung 3 geleitet wird. Eine weitere Regelung des Kühlwasserstroms kann über die Pumpe 6 geregelt werden.

Folgende nicht dargestellten Ausführungen können alternativ ausgeführt werden. So kann ein zweites Ventil im Teilvolumenstrom 13 a vorgesehen sein, so dass der Volumenstrom durch die Brennstoffzelle 3einstellbar ist. Weiterhin ist ein Ausführung möglich, bei der der Bypass 9 zwischen Brennstoffzellenausgang und Pumpeneingang angeordnet ist, so dass der Gesamtvolumenstrom aus dem ersten Wärmetauscher 7 immer erst die Brennstoffzelle durchströmt bevor er Abwärme des zweiten Kühlkreises 5 aufnimmt, so dass keine Abwärme vom Dauerbremssystem 2 zur Brennstoffzelle 3 gelangen kann.

Bezugszeichenliste

1 Kühlsystem

2 Dauerbremssystems 3 Brennstoffzellenvorrichtung

4 Kühlkreislauf

5 Kühlkreislauf

6 Pumpe 7 Wärmetauscher 8 Wärmetauscher

9 Bypasskanal

10 Ventil 11 Kühlmedium 12 Steuereinheit 13a, b Teilvolumenstrom

14 Pumpe

15 Steuerleitung