Obwohl die Brennstoffzelle hauptsächlich in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt, bieten nur Toyota, Honda und Hyundai Produkte für Pkw an. Da sich der Artikel jedoch auf Pkw konzentriert und andere Vergleichsmodelle ebenfalls Pkw sind, wird hier der Toyota Mirai als Beispiel herangezogen.
Das Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem zeichnet sich durch folgende drei Hauptmerkmale aus:
Anforderungen an die Wärmeabfuhr von Brennstoffzellenreaktoren
Im Reaktor findet die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion statt, wobei neben der Stromerzeugung auch Wärme entsteht. Der Temperaturanstieg trägt zur Steigerung der Entladeleistung des Reaktors bei. Da die Wärme jedoch nicht aufgefangen werden kann, müssen das Reaktionswasser und das Reaktorkühlmittel gemeinsam zirkulieren, um sie abzuführen.
Durch die konstante Temperatur des Reaktors lässt sich die Ausgangsleistung effektiv steuern und so den dynamischen Anforderungen des Fahrers an das Antriebssystem gerecht werden. Die von der Leistungselektronik des Reaktors und des Motorumrichters erzeugte Wärme kann im Winter zur Cockpitheizung genutzt werden.
Das Problem des Kaltstarts des Reaktors
Der Brennstoffzellenreaktor kann bei niedrigen Temperaturen nicht direkt Strom liefern, daher muss er durch externe Wärmezufuhr erwärmt werden, bevor er in den normalen Betriebsmodus übergehen kann.
An dieser Stelle muss der oben erwähnte Wärmeabfuhrkreislauf in einen Heizkreislauf umgewandelt werden, und für die Umschaltung ist möglicherweise ein Regelventil erforderlich, das einem Dreiwege-Zweiwegeventil ähnelt.
Die Beheizung kann durch ein externes System erfolgen.elektrischer PTC-HeizkörperDie elektrische Heizleistung wird von der Batterie bereitgestellt. Es scheint auch eine Technologie zu geben, die es dem Reaktor ermöglicht, seine eigene Wärme zu erzeugen, sodass die durch die Reaktion erzeugte Energie mehr in Form von Wärme zur Erwärmung des Reaktorkörpers genutzt wird.
Boosterkühlung
Dieser Teil ähnelt dem zuvor erwähnten Hybridfahrzeug: Um den Leistungsbedarf des Reaktors zu decken, wird auch eine bestimmte Menge an Reaktionssauerstoff benötigt. Daher muss die Ansaugluft unter Druck gesetzt werden, um die Dichte und damit den Sauerstoffmassenstrom zu erhöhen. Aus diesem Grund ist eine Nachkühlung erforderlich, die in Reihe mit dem gleichen Kühlkreislauf geschaltet werden kann, da ihr Temperaturbereich relativ nahe an dem der anderen Komponenten liegt.
Rein elektrische Fahrzeuge
Letztendlich sind rein elektrische Fahrzeuge heute die beliebtesten Fahrzeuge auf dem Markt. Forschung und Entwicklung im Bereich des Wärmemanagements von Elektrofahrzeugen wurden bei allen großen Automobilherstellern und Zulieferern durchgeführt. Im Folgenden werden drei Hauptpunkte genannt, in denen sie sich von anderen Fahrzeugtypen unterscheiden:
Winterliche Weideprobleme
Den größten Teil der Reichweite verdanken wir der Energiedichte der Batterie, dem Stromverbrauch des Fahrzeugs und dem Windwiderstand, die nichts mit dem Wärmemanagement zu tun haben, aber im Winter nicht so sehr.
Um den Komfort im Cockpit und den Kaltstart der Hochvoltbatterie zu gewährleisten, wird viel elektrische Energie vom Thermomanagementsystem verbraucht, und eine deutliche Reduzierung der Winterreichweite ist bereits die Norm.
Der Hauptgrund ist, dass die Wärmeentwicklung des rein elektrischen Antriebssystems weitaus höher ist als die des Motors, der Batterie und temperaturempfindlicher.
Gängige Lösungen sind derzeit beispielsweise Wärmepumpensysteme, bei denen die Antriebssystemwärme und die Umgebungswärme über den Kompressorkreislauf zur Versorgung der Kabine und der Batterie genutzt werden. Auch der Weimar EX5 kommt auf diese Weise zum Einsatz.Dieselheizungen, die Nutzung eines Teils der Dieselverbrennungswärme zur Vorheizung der Batterie und der Kabine (PTC-HeizelementeEine weitere Möglichkeit ist die Batterie-Selbsterhitzungstechnologie. Beim Start der Batterie wird ein kleiner Teil der Energie benötigt, um jede Batterieeinheit zu erwärmen. Dadurch wird die Abhängigkeit von externen Wärmetauscherkreisläufen verringert.
Veröffentlichungsdatum: 20. April 2023
