Kühlanlage Funktion

Kühlanlage allgemein

Das Thermomanagement des Fahrzeugs umfasst die Kühlung der Brennstoffzelle, die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und die Kühlung der Bauteile des Hochvolt-Bordnetzes. Die Kühlung des Brennstoffzellen-Systems und der Bauteile des Hochvolt­Bordnetzes erfolgt durch drei geschlossene, voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe:

 Hochtemperatur-Kreislauf

 Niedertemperatur-Kreislauf 1

 Niedertemperatur-Kreislauf 2

Der Hochtemperatur-Kreislauf übernimmt die Kühlung aller an der kalten Verbrennung beteiligten Bauteile des Brennstoffzellen­Systems sowie die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums. Die Vorlauftemperatur der Brennstoffzelle soll 63 °C bzw. im Wintermodus 70 °C betragen. Die Vorlauftemperatur liegt in einem Bereich von 50 °C bis 80 °C.

Der Niedertemperatur-Kreislauf 1 kühlt die elektrische Maschine (A79/1) und das Steuergerät DC/DC-Wandler Brennstoffzelle (N129/8), die Energieverteilereinheit mit integriertem Steuergerät Brennstoffzellenmanagementsystem (N116/5) und den Abluftturbolader (A77) des Brennstoffzellen-Systems.

Der Niedertemperatur-Kreislauf 2 kühlt die Hochvoltbatterie (A100g1), das Steuergerät DC/DC-Wandler (N83/1) und das Wechselstrom­Ladegerät für Hochvoltbatterie (N83/11).

Die Niedertemperatur-Kreisläufe haben jeweils eine und der Hochtemperatur-Kreislauf zwei drehzahlregelbare Kühlmittelpumpen sowie diverse Regelventile.

Der Kühler des Hochtemperatur-Kreislaufs, die zwei Kühler der Niedertemperatur-Kreisläufe und der Kondensator sind in einem Kühlmodul mit Seitenkühlern integriert. Ein dahinter zentral angeordneter Lüftermotor (M4/7) belüftet das Kühlmodul. Der Lüftermotor und alle Kühlmittelpumpen werden vom Steuergerät Antriebsstrang (N127) über den Antriebsstrang-LIN (LIN C3) angesteuert. Im Hochtemperatur-Kreislauf schützt ein Partikelfilter die Brennstoffzelle vor Verunreinigungen (> 100 µm). Ein Ionentauscher sorgt für die Einhaltung einer geringen Leitfähigkeit (< 5 µS/cm) des Kühlmittels.

 Es darf nur speziell für Brennstoffzellen-Fahrzeuge geeignetes Kühlmittel verwendet werden. Das Nachfüllen von handelsüblichen Kühlmitteln oder Wasser führt zu irreparablen Schäden an der Brennstoffzelle.
Beachten Sie bitte die Hinweise Kühlmittel Brennstoffzelle: AH06.50­P­0001­01RFW.

 Im Kombiinstrument (A1) werden umfangreiche Informationen zum Brennstoffzellen-System und Warnungen beim Unterschreiten der Füllstände angezeigt.

Hochtemperatur-Kreislauf Funktion

Die Brennstoffzelle arbeitet in einem Temperaturbereich von ca. 80 °C und wird deshalb von einem eigenen Hochtemperatur-Kreislauf gekühlt. Die Funktion PreCon (Vorklimatisierung) ermöglicht die Vorwärmung der Brennstoffzelle. Eine Kaltstartfähigkeit ist bis -25 °C möglich.

Der Hochtemperatur-Kreislauf wird vom Steuergerät Antriebsstrang geregelt. Der Kühlmitteldruck im Kühlkreislauf ist temperaturabhängig und hängt zusätzlich von der Drehzahl der Kühlmittelpumpen Brennstoffzelle ab. Die in den Kühlmittelpumpen integrierten Drucksensoren senden den Wert des Kühlmitteldrucks an das Steuergerät Antriebsstrang. Nähert sich die Kühlmitteldruckdifferenz dem Wert 1,5 bar, wird die Drehzahl der Kühlmittelpumpen der Brennstoffzelle reduziert, was zu einer Leistungsbegrenzung der Brennstoffzelle führen kann.

 Der Kühlmitteldruck in der Brennstoffzelle darf maximal 1,5 bar über dem momentanen Gasdruck liegen. Bei einer Überschreitung kann es zu einem irreparablen Schaden in der Brennstoffzelle kommen.

Die Temperatur des Hochtemperatur-Kreislaufs wird über folgende Temperatursensoren erfasst:

 Temperatursensor 1 Kühlmittelkreislauf Hochtemperatur (B94/28)

 Temperatursensor Kathode Ausgang (B94/26)

 Temperatursensor Kathode Eingang (B94/27)

Der Kühlmittelstand im Ausgleichsbehälter des Hochtemperatur­Kreislaufs wird vom Füllstandssensor Kühlmittel Hochtemperaturkreislauf (S41/1) erfasst.

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Niedertemperatur-Kreislauf 1

Der Niedertemperatur-Kreislauf 1 kühlt die elektrische Maschine und das Steuergerät DC/DC-Wandler Brennstoffzelle, die Energieverteilereinheit mit integriertem Steuergerät Brennstoffzellenmanagementsystem und den Abluftturbolader des Brennstoffzellen-Systems.

Der Niedertemperatur-Kreislauf 1 wird vom Steuergerät Antriebsstrang geregelt. Dieses wertet die Daten des Temperatursensors Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur 1 (B11/6) aus und steuert bei Bedarf die Kühlmittelpumpe elektrische Maschine hinten (M75/9) an.

 Die Leistungselektronik wird auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen immer mit einem Mindestkühlmittelvolumenstrom (in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur) durchströmt.

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Niedertemperatur-Kreislauf 2

Der Niedertemperatur-Kreislauf 2 kühlt die Hochvoltbatterie, den DC/DC-Wandler und das Wechselstrom-Ladegerät für Hochvoltbatterie.

Der Niedertemperatur-Kreislauf 2 wird vom Steuergerät Antriebsstrang geregelt. Es wertet die Daten des Temperatursensors Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur 2 (B11/7) aus und steuert bei Bedarf die Kühlmittelpumpe Hochvoltbatterie (M75/10) an. Je nach Umgebungstemperatur wird die Abwärme der Hochvoltbatterie über den Kühler des Niedertemperatur­Kreislaufs 2 oder über den am Kältemittelkreislauf angeschlossenen Wärmetauscher abgeführt. Die Regelung des Niedertemperatur­Kreislaufs 2 erfolgt über die Ansteuerung des Umschaltventils Hochvoltbatterie­Kühlung (Y140).

Der Wärmetauscher kühlt das Kühlmittel durch das im Wärmetauscher eingespritzte und verdampfende Kältemittel ab. Das abgekühlte Kühlmittel steht anschließend dem Niedertemperatur­Kreislauf 2 zur Verfügung. Beim Aufladen der Hochvoltbatterie wird bei mittleren Temperaturen das Umschaltventil 2 Niedertemperatur­Kreislauf (Y73/2) in Richtung Wechselstrom-Ladegerät für Hochvoltbatterie und Steuergerät DC/DC­Wandler geschaltet. Die Abwärme der Elektronik wird über den Kühler Niedertemperatur­Kreislauf 2 (1) abgeführt.

Bei niedrigen Temperaturen der Hochvoltbatterie wird das Kühlmittel über den vom Expansionsventil Hochvoltbatterie­Kühlung (Y110) abgesperrten Wärmetauscher geführt. In diesem Fall dient die Wärmekapazität der Hochvoltbatterie zur Kühlung der Elektronik des Wechselstrom-Ladegeräts für Hochvoltbatterie und des Steuergeräts DC/DC­Wandler.

 Das Modul Energiemanagement im Steuergerät Antriebsstrang koordiniert die Energieflüsse des Brennstoffzellen-Systems. Es ist, bezogen auf die elektrischen Größen, die Schnittstelle zu den Steuergeräten Batteriemanagementsystem (N82/2), Leistungselektronik und zum elektrischen Kältemittelkompressor.

Wurde die Freigabe vom Energiemanagement erteilt, fordert das Steuergerät Antriebsstrang über den CAN­Verbund beim Steuergerät Klimatisierung (N22/1) die Ansteuerung des elektrischen Kältemittelkompressors an. Das Steuergerät Klimatisierung steuert daraufhin den elektrischen Kältemittelkompressor (A9/5) über den Klimasteuerungs­LIN 2 (LIN B8­2) an. Das Expansionsventil Hochvoltbatterie­Kühlung wird vom Steuergerät Batteriemanagementsystem geöffnet und das Kältemittel strömt durch den Wärmetauscher. Damit wird dem Niedertemperatur­Kreislauf 2, der Hochvoltbatterie und dem Steuergerät Batteriemanagementsystem Wärmeenergie entzogen.

Die Kühlleistung ist maßgeblich von der Höhe der Ansteuerung des elektrischen Kältemittelkompressors abhängig. Im Leerlauf und während eines automatischen Motorstopps ist die Leistung des elektrischen Kältemittelkompressors auf maximal ca. 2 kW begrenzt. Bei sehr niedrigem Ladezustand der Hochvoltbatterie wird die Leistung des elektrischen Kältemittelkompressors bis 0 kW heruntergeregelt.

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Überdruckschutz Funktion

Durch die Fluidverteilerplatten der Brennstoffzelle diffundieren Luft und Wasserstoff in das Kühlmittel des Hochtemperatur-Kreislaufs. Der Gaseintrag wird über eine Entlüftungsleitung zum Ausgleichsbehälter Hochtemperatur-Kreislauf abgeführt und definiert ins Freie geleitet. Hierzu dient ein Überdruckventil im Deckel des Ausgleichsbehälters Hochtemperatur-Kreislauf. Das Überdruckventil öffnet bei einem Überdruck > 0,8 bar. Das ausströmende Gas/Luftgemisch wird in den Vorbau abgeleitet.