Als Ziel dieser Arbeit wurde ein optimiertes ganzheitliches Wärmemanagement für ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug entwickelt, das den Betrieb auch unter extremen Umgebungsbedingungen und Fahrzuständen sicherstellt. Dazu wurde mit Hilfe von Berechnungsmodellen das Fahrzeug bezüglich seiner kühlungsrelevanten Komponenten abgebildet, hiermit die Einflußgrößen analysiert und dann Konzepte und Regelstrategien abgeleitet. Damit die Brennstoffzellen-Technologie eine echte Alternative zu einem verbrennungsmotorischen Antrieb im Fahrzeug darstellt, muß unter anderem die Alltagstauglichkeit gegeben sein. Diese wird nach einem Aufzeigen der Funktionsweise einer Brennstoffzelle und des Brennstoffzellen-Systems bezüglich der Kühlungsanforderung und des Kaltstartverhaltens diskutiert. Die Analyse der Wärmequellen und -senken unter den verschiedensten Randbedingungen, sowohl stationär als auch instationär, liefert die Ansatzpunkte, die zu einer optimalen Kühlung führen. Es werden speziell der Brennstoffzellen-Stack, der Wärmeübertrager, der Fahrzeuglüfter, ebenso wie weitere Komponenten geprüft, sowie eine Sensitivitätsanalyse des Kühlkreislaufs durchgeführt. Die hieraus abgeleiteten Konzepte und Regelstrategien werden dargestellt. Bei der Optimierung der konventionellen Kühlung werden die Kreuz-Gegenstrom-Anordnung eines Fahrzeugkühlers mit doppelter Tiefe, ein Graphit-Schaum-Wärmeübertrager und Nanofluide betrachtet. Ein neuartiges Lüfterkonzept, bei dem die Lüfter seitlich abströmen, wird untersucht. Die Einbindung einer R744-Kälteanlage in das Kühlsystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit den resultierenden Vor- und Nachteilen wird aufgezeigt. Ebenso wird ein neues Kühlsystem in Form einer 2-Phasen-Verdampfungskühlung erarbeitet. Die Potentiale, die sich durch einen Wärmespeicher oder durch ein Purpose Design Fahrzeug ergeben, werder] beschrieben. Abschließend wird der Kaltstart konzeptionell begutachtet.

    The aim of this thesis is to develop an optimized thermal management of a fuel cell vehicle. This includes the cooling of the components, the air conditioning and also the heating up behavior during a start-up from cold conditions. Thereby the functionality under extreme environmental conditions is guaranteed. The demand on a cooling system is sufficient heat transfer to allow unrestricted performance driving on the same level at environmental temperatures up to 40 deg C and for climbing a hill at a vehicle speed of 100 km/h. The cooling system of a present-day fuel cell stack has to reject more waste heat for the same wheel power than an internal combustion engine despite its higher efficiency. Due to the maximum coolant temperature of 80 deg C, three times more cooling surface is therefore needed for the same boundary conditions. Although the maximum possible space was used for the radiator in the model of the fuel cell vehicle in this thesis, the target values were not reached. The calculated environmental temperatures, for which the required heat rejection could be achieved, are with 28 deg C for driving on the same level and 25 deg C uphill much lower than the requested 40 deg C. For a cold start-up at temperatures below 0 deg C the starting time should be comparable to that of an internal combustion engine. Furthermore a fast warming-up is required to reach the operational temperature with the best efficiency and to achieve comfortable cabin temperatures and defrosting of the wind screen. Calculation models for a present-day fuel cell vehicle were created to investigate this topic, including the complete cooling system with a high and a low temperature cooling loop, the relevant components, the cooling module with the heat exchangers, and among others, the condenser of the air conditioning system and the air path. With the help of these models the system was analyzed to develop cooling concepts and control strategies.


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    Titel :

    Wärmemanagement von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2009


    Format / Umfang :

    164 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





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