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DE102020101295A1 - Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislauf, Kühlkreislauf sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einem solchen - Google Patents

Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislauf, Kühlkreislauf sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einem solchen Download PDF

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DE102020101295A1
DE102020101295A1 DE102020101295.0A DE102020101295A DE102020101295A1 DE 102020101295 A1 DE102020101295 A1 DE 102020101295A1 DE 102020101295 A DE102020101295 A DE 102020101295A DE 102020101295 A1 DE102020101295 A1 DE 102020101295A1
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cooling
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Andreas Hauk
Thierry Caramigeas
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislaufs (200), dem eine Kühlmittelpumpe (202) und ein Drucksensor (203) zugeordnet ist, umfassend die Schritte der Durchführung einer Entlüftungsroutine und nachfolgend Erzeugen eines Druckhubes mit einem vorgegebenen Druck mittels der Kühlmittelpumpe (202), Erfassen des Druckes in der Kühlflüssigkeit mittels des Drucksensors (203), Vergleich des erzeugten Druckes mit dem erfassten Druck und Schließen auf eine unzureichende Entlüftung, wenn die Druckdifferenz zwischen dem erzeugten Druck und dem erfassten Druck größer als ein Schwellenwert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kühlkreislauf (200), eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf (200).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislaufs, dem eine Kühlmittelpumpe und ein Drucksensor zugeordnet ist, umfassend die Schritte der Durchführung einer Entlüftungsroutine und nachfolgend Erzeugen eines Druckhubes mit einem vorgegebenen Druck mittels der Kühlmittelpumpe, Erfassen des Druckes in der Kühlflüssigkeit mittels des Drucksensors, Vergleich des erzeugten Druckes mit dem erfassten bzw. gemessenen Druck und Schließen auf eine unzureichende Entlüftung, wenn die Druckdifferenz zwischen dem erzeugten Druck und dem erfassten bzw. gemessene Druck größer als ein Schwellenwert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kühlkreislauf, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf.
  • Kühlkreisläufe sind vor ihrer Inbetriebnahme zu entlüften, um später gewährleisten zu können, dass aufgrund von im Kühlkreislauf vorhandener Luft keine Überhitzungen entstehen. Für die Entlüftung sind entsprechende Entlüftungsroutinen bekannt. Die Dauer der Entlüftungsroutine stammt von einem aus Versuchen abgeleiteten Modell des Kühlkreislaufes, wobei durchsichtige Rohre Verwendung finden können. Anhand dieser Rohre kann bei dem Versuchsaufbau kontrolliert und erfasst werden, wann die Entlüftung des Kühlkreislaufs vollständig abgeschlossen ist. Die aus diesen Versuchen modellierte Entlüftungsroutine wird auf alle Module übertragen, die in den Kühlkreislauf eingebunden sind. Da es der in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Kühlmittelleitung an der entsprechenden Transparenz zur Sichtung von Luft im Kühlkreislauf fehlt, besteht keine Möglichkeit, zu überprüfen, ob die Entlüftungsroutine vor der Inbetriebnahme ausgereicht hat, um die Luft aus dem Kühlkreislauf abzuscheiden. Damit besteht die Gefahr einer Beschädigung von zu kühlenden Bauteilen, da bei Luft im Kühlmittelkreislauf die Wärme von den zu kühlenden Stellen nicht abgeführt werden und es zu Überhitzungen und Beschädigungen des Bauteils kommen kann. Um diesem Problem zu begegnen, wird die Entlüftungsroutine entsprechend verlängert, was zeit- und kostenintensiv ist. Auch im Wartungsfalle des Kraftfahrzeugs kann eine entsprechende Entlüftungsroutine notwendig werden, sodass auch in den Werkstätten zusätzliche Kosten aufgrund der Verzögerungen im Ablauf entstehen können. Gerade der Kühlkreislauf eines Brennstoffzellenfahrzeugs fasst im Vergleich zum Fahrzeug mit einem klassischen Verbrennungsmotor ein deutlich größeres Volumen an Kühlmittel, sodass auch hier entsprechend verlängerte Entlüftungsroutinen erforderlich sind, um zu gewährleisten, dass die Luft aus dem Kühlkreislauf in die Kühlmittelausgleichsanordnung abgeschieden wird. Auch hier wird deshalb eine Entlüftungsroutine vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzellenaggregate durchgeführt, die zeit- und kostenaufwendig ist.
  • Die DE 10 2016 109 982 A1 beschreibt die Verwendung eines Kühlsystems zur Bereitstellung eines Kühlmittelstromes durch den Motorblock eines Verbrennungsmotors, wobei eine Zentrifugalpumpe genutzt wird, deren Pumpenspirale mit Flüssigkeit gefüllt sein muss, so dass bei der Betriebsaufnahme ein Anpumpen zur Beseitigung von Gas in der Pumpenkammer erfolgt. In der US 2007/0193285 A1 wird beschrieben, wie in einem Flüssigkeits-Kühlsystem nicht-kondensierbares Gas mit einer Dampf-Zentrifugalpumpe aus der Gasphase des Kühlmittels ausgeschieden werden kann. Die US 2011/0061833 A1 offenbart einen Kühlkreis für eine stationäre Maschine, in dem mittels einer Pumpe Kühlmittel zirkuliert wird und ein Entlüftungssystem zur Abgabe von Gasen aus dem Kühlkreis an die Atmosphäre vorhanden ist. In der US 2010/0089170 A1 ist ein Kühlsystem zur Kühlung eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf beschrieben, wobei ein Entlüftungssystem zum Abscheiden von Luft aus dem Kühlmittel und eine Pumpe zum Ausgleich des Druckverlustes genutzt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem der Erfolg einer Entlüftungsroutine bewertet werden kann. Aufgabe ist weiterhin, einen verbesserten Kühlkreislauf, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 5, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislaufs nutzt aus, dass mit der Kühlmittelpumpe ein Druckhub, also ein impulsartiger Druckstoß ausgeführt werden kann, der durch die inkompressible Kühlflüssigkeit im wesentlich unverändert durchläuft und mit dem Drucksensor stromab der Kühlmittelpumpe erfasst werden kann. Liegt nun eine unzureichende Entlüftung vor, so wird die Luftblase komprimiert und durch die dafür erforderliche Kompressionsarbeit der Druck abgebaut. Ergibt der Vergleich des erzeugten Druckes mit dem erfassten bzw. gemessenen Druck eine zu große Abweichung, liegt eine unzureichende Entlüftung vor.
  • Dabei wird die Größe des Druckhubes abhängig von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe bestimmt, so dass ein Kennfeld des erzeugten Druckes bei einem gegebenen Druckhub in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe erstellt wird und der zu einer vorgegebenen Drehzahl gemessene Druck mit dem Wert aus dem Kennfeld verglichen wird.
  • Bei Feststellen einer unzureichenden Entlüftung wird die Entlüftungsroutine wiederholt.
  • Zur Durchführung des Verfahrens verfügt der Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe zur Förderung einer Kühlflüssigkeit und eines Drucksensors zur Erfassung des vorliegenden Druckes über ein Steuergerät, das insbesondere eine Speichereinheit für das Kennfeld sowie einen Komparator für den Vergleich der Daten aus dem Kennfeld mit den Daten des Drucksensors aufweist.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Kühlkreislauf oder für ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Kühlkreislauf und/oder einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem entsprechenden Kühlkreislauf.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 einen Kühlkreislauf, in welchen ein Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzellenvorrichtung eingebunden ist.
  • In 1 ist ein Kühlkreislauf 200 gezeigt, in den ein Brennstoffzellenstapel 300 eingebunden ist. Gerade bei Kühlkreisläufen 200 mit Brennstoffzellenaggregaten ist ein größeres Kühlmittelvolumen vorhanden als bei klassischen Verbrennungsmotoren, sodass die Entlüftungsroutine von Brennstoffzellensystemen entsprechend länger ausfällt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entlüften eines Kühlkreislaufs 200 ist grundsätzlich aber auch bei Kraftfahrzeugen einsetzbar, die mit klassischen Verbrennungsmotoren ausgestattet sind. Der Kühlkreislauf 200 ist in typischerweise ein geschlossener Kreislauf, in welchem in der Regel mindestens ein (nicht näher gezeigter) Wärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe 202 vorliegen, um das im Kühlkreislauf 200 vorhandene Kühlmittel zu zirkulieren.
  • Vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenfahrzeugs ist der Kühlkreislauf 200 zu entlüften. Hierzu ist ein Steuergerät 116 ausgebildet, um ein Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislaufs 200 auszuführen, dem eine Kühlmittelpumpe 202 und ein Drucksensor 203 zugeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte der Durchführung einer Entlüftungsroutine und nachfolgend Erzeugen eines Druckhubes mit einem vorgegebenen Druck mittels der Kühlmittelpumpe 202 und Erfassen des Druckes in der Kühlflüssigkeit mittels des Drucksensors 203. Ist der Kühlkreislauf 200 vollständig mit der Kühlflüssigkeit gefüllt, entspricht der vom Drucksensor 203 gemessene Druck dem von der Kühlmittelpumpe 202 erzeugten Druck. Durch einen Vergleich des erzeugten Druckes mit dem gemessenen Druck. Kann aber auf eine unzureichende Entlüftung geschlossen werden, wenn die Druckdifferenz zwischen dem erzeugten Druck und dem gemessene Druck größer als ein Schwellenwert ist. Befindet sich nämlich ein Gas, insbesondere Luft in dem Kühlkreislauf 200, läuft der Druckhub, also der impulsartig erzeugte Druckstoß, nicht unvermindert durch die inkompressible Kühlflüssigkeit, sondern leistet an der kompressiblen Luftblase Kompressionsarbeit, die zu einer Verringerung des Druckes führt.
  • Die Größe des Druckhubes ist abhängig von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 202. Es wird daher ein Kennfeld des erzeugten Druckes in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 202 erstellt und der zu einer vorgegebenen Drehzahl gemessene Druck mit dem Wert aus dem Kennfeld verglichen.
  • Ergibt sich dabei, dass eine unzureichende Entlüftung vorliegt, wird die Entlüftungsroutine wiederholt.
  • Ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Kühlkreislauf 200 mit einer Kühlmittelpumpe 202 zur Förderung einer Kühlflüssigkeit und einem Drucksensor 203 zur Erfassung des vorliegenden Druckes nutzt das Steuergerät 116, das entsprechend eingerichtet ist. Dabei weist das Steuergerät 116 eine Speichereinheit für das Kennfeld sowie einen Komparator für den Vergleich der Daten aus dem Kennfeld mit den Daten des Drucksensors 203 auf.
  • Der Kühlkreislauf 200 kann insbesondere seine Vorteile in Brennstoffzellenvorrichtungen oder in Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Brennstoffzellenvorrichtungen entfalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 116
    Steuergerät
    200
    Kühlmittelkreislauf
    202
    Kühlmittelpumpe
    203
    Drucksensor
    300
    Brennstoffzellenstapel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016109982 A1 [0003]
    • US 2007/0193285 A1 [0003]
    • US 2011/0061833 A1 [0003]
    • US 2010/0089170 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Kontrolle der vollständigen Entlüftung eines eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislaufs (200), dem eine Kühlmittelpumpe (202) und ein Drucksensor (203) zugeordnet ist, umfassend die Schritte der Durchführung einer Entlüftungsroutine und nachfolgend Erzeugen eines Druckhubes mit einem vorgegebenen Druck mittels der Kühlmittelpumpe, Erfassen des Druckes in der Kühlflüssigkeit (202) mittels des Drucksensors (203), Vergleich des erzeugten Druckes mit dem erfassten Druck und Schließen auf eine unzureichende Entlüftung, wenn die Druckdifferenz zwischen dem erzeugten Druck und dem erfassten Druck größer als ein Schwellenwert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Druckhubes abhängig von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe (202) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennfeld des erzeugten Druckes bei einem gegebenen Druckhub in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe (202) erstellt wird und dass der zu einer vorgegebenen Drehzahl erfassten Druck mit dem Wert aus dem Kennfeld verglichen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen einer unzureichenden Entlüftung die Entlüftungsroutine wiederholt wird.
  5. Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe (202) zur Förderung einer Kühlflüssigkeit und eines Drucksensors (203) zur Erfassung des vorliegenden Druckes und mit einem Steuergerät (116), das eingerichtet ist zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4.
  6. Kühlkreislauf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (116) eine Speichereinheit für das Kennfeld sowie einen Komparator für den Vergleich der Daten aus dem Kennfeld mit den Daten des Drucksensors (203) aufweist.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Kühlkreislauf (200) nach Anspruch 5 oder 6.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf (200) nach Anspruch 5 oder 6.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7.
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