CN107437627B - 带有多个可选的运行模式的燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池车辆(200)，在其中驾驶员对车辆(200)的消耗和动力学特性具有较大的影响。这以如下方式来实现，即，燃料电池车辆(200)具有至少一个用于检测第一驾驶员输入的传感器和控制单元(60)。控制单元(60)被设定用于根据第一驾驶员输入在多种运行模式的其中一个中运行燃料电池车辆(200)，其中，空调系统(70)的功率消耗PAC、燃料电池堆(10)的工作范围和用于由第二驾驶员输入得出功率要求PEM的传递函数根据所选择的运行模式被改变。设置成，对于驾驶员而言至少五种不同的运行模式可供使用，其尤其鉴于可供使用的行驶动力学特性、燃料消耗和可调节的舒适性来区别。

Description

带有多个可选的运行模式的燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及一种带有多个可选的运行模式、尤其带有五可选的运行模式的燃料电池车辆。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气至水的化学转化产生电能。为此，燃料电池作为核心部件包含所谓的膜电极组件(Membran-Elektroden-Anordnung)(MEA代表膜电极组件(membrane electrode assembly))，其是由传导离子的(大多数传导质子的)膜和相应地在两侧布置在膜处的催化电极(阳极和阴极)构成的结构。
一般而言，燃料电池由多个以堆栈(stack)布置的其电功率叠加的MEA构成。在各个膜电极组件之间一般布置有双极板(也被称作流场板或分离器板)，其确保单电池以工作介质(即反应物)的供给且通常还用于冷却。此外，双极板用于与膜电极组件的可导电的接触。
由燃料电池堆所发出的电功率Pstack一般根据对燃料电池堆所提出的功率要求，也就是说下游的电流汇点(Stromsenke)的实际深度以及供应给燃料电池堆的工作介质流、尤其阴极和阳极工作流。在利用燃料电池堆用于提供电功率的情形中此外考虑如下，即，为了运行燃料电池堆多个同样消耗电功率Paux的辅助动力总成是必要的。
按照燃料电池系统，多个辅助动力总成可具有空气压缩机、再循环鼓风机、冷却水泵、阀、传感器等等中的至少一个。这些部件的功率消耗可被称作寄生的功率消耗Paux，因为其虽然须通过燃料电池堆来提供，然而不可供外部负载使用。因此，燃料电池系统的可供用于外部负载的净功率Pnetto作为由堆栈所产生的电功率Pstack与寄生的功率消耗Paux的差得出。因此，可供用于外部负载(例如用于电驱动器)的根据Pnetto=Pstack-Paux的净功率始终处在燃料电池堆的功率Pstack之下。
已知的燃料电池系统在完成功率要求的情形中、例如在加速被燃料电池运行的车辆的情形中具有一定的惯性。该惯性一方面由待移动的工作介质质量流的惯性以及由辅助动力总成自身的质量惯性产生。例如，阴极侧的压缩机为了输送被要求的提高的阴极工作介质流须被加速。由于该加速，至少一个附加负载的电功率消耗Paux也上升直至局部最大值Paux max。由此，燃料电池堆的有效功率Pnetto相比堆栈功率Pstack具有局部最小值。
燃料电池车辆描述了一种仅或大部分通过燃料电池系统来运行的车辆。在此，作为燃料电池系统考虑燃料电池(例如PEM、SOFC和其它)的任意配置。在该申请的情况中，仅代表性地由氢气空气PEM燃料电池出发，而不局限于此。至少一个布置在燃料电池车辆中的用于产生转矩的电气式的牵引马达由燃料电池系统运行。一般，燃料电池系统此外运行车辆的另外的车载系统，例如空调系统。额外地，燃料电池车辆可支持性地通过蓄能器(例如电池)来运行。
配备有燃料电池系统的车辆一般具有用于运行燃料电池系统、尤其其阳极和阴极供给部的控制单元。控制单元作为调节值首先一般由行驶踏板操纵的强度检测由车辆驾驶员所要求的行驶功率Pw。由踏板值或行驶功率要求Pw，借助于传递函数得出电动机的功率要求PEM。控制单元一般检测车辆的另外的电气负载的功率要求，例如空调系统的功率要求PAC。根据所检测的功率要求、尤其电动机的PEM和空调系统的PAC，控制单元直接确定由燃料电池堆所提供的功率Pstack或首先确定相应于功率要求的总和的净功率Pnetto。
如果由至少一个负载的功率要求直接得出待提供的功率Pstack且被提供到燃料电池堆处，该燃料电池堆实际发出被降低以至少一个辅助动力总成的功率消耗Paux的净功率Pnetto(Pnetto=Pstack-Paux)。通过得出由堆栈所发出的净功率、例如通过测量由堆栈所发出的电流，由燃料电池堆所要求的功率可被重新调节，直至所发出的净功率相应于功率要求。备选地，控制单元得出至少一个辅助动力总成的对于提供在功率要求(例如PAC+PEM)的高度上的堆栈净功率Pnetto必要的功率消耗Paux，例如借助于特征曲线族(LUT)，且由此最终根据Pstack=Pnetto+Paux得出总地由燃料电池堆待要求的功率Pstack。
根据待提供的净功率Pnetto或堆栈功率Pstack，控制单元由计算或所存储的特性曲线族得出阳极和阴极工作介质的需要的质量流和/或工作压力且相应地操控或调节燃料电池系统的辅助动力总成，尤其地用于以空气供给阴极侧的压缩机以及用于以氢气供给阳极侧的调节器件。
燃料电池系统的最大功率输出通过电压U(ηmax)和电流I(ηmax)来定义，其中，ηmax表示布置在车辆中的燃料电池系统的最大效率。布置在车辆中的燃料电池系统的效率η描述了燃料电池系统的功率相对堆栈功率的比例且因此也取决于在电气车辆系统的系统链内的所有转换损失。因此以Psystem=η*Pstack得出燃料电池系统的有效功率。系统链按照燃料电池车辆的工作状态可具有不同的阶段，例如燃料电池堆、能量转换器、在车辆电池中的转换和存储损失、燃料电池系统的电驱动器和/或辅助动力总成和燃料电池车辆的另外的负载。
燃料电池车辆的燃料电池系统的效率曲线η首先在其开发期间被定义。由现有技术已知用于尽可能始终在效率优化的工作点处运行燃料电池车辆的燃料电池系统的方法。然而一般燃料电池系统且因此车辆的降低的动力学特性与此相联系。此外，燃料电池堆的老化或者效率曲线的由此引起的变化须被考虑。
文件DE 10063654 A1描述了一种用于运行燃料电池系统的方法，其中，除了电动机的功率要求之外还考虑燃料电池系统的辅助动力总成和其它负载的功率要求。因此，燃料电池系统的功率输出应被如此地匹配，即，尽管额外的功率要求可取得由驾驶员所期望的动力学特性。
相对内燃机，燃料电池系统直接提供电能。因此已知用于运行燃料电池系统的考虑车辆电池的当前充电状态(SOC)的方法。由文件DE 102012018710 A1已知一种考虑作为用于运行燃料电池系统的另外的电气负载的电池的工作状态的方法。在此，燃料电池系统始终在特征性的功率PC的情形中被运行。如果当前的功率要求小于PC，多余的功率被供应给电池。在此，特征性的功率Pc的高度可由驾驶员根据所选择的行驶模式来影响。
对于燃料电池车辆的用户(也就是说驾驶员)而言，燃料电池系统的工作状态一般如同电池的充电状态或另外的负载的功率消耗一样难以了解。因此，已知的燃料电池车辆的驾驶员几乎不可影响燃料电池系统的运行方法和效率。对于驾驶员而言同样困难的是，评估车辆的当前消耗。其结果是驾驶员对其车辆的消耗和行驶动力学特性的影响被极大地限制。
发明内容
本发明此时所基于的目的是，提供一种驾驶员或用户可更多地影响其消耗和动力学特性的燃料电池车辆。
该目的通过一种带有独立专利权利要求的特征的燃料电池车辆来实现。根据本发明的燃料电池车辆具有被设定用于提供电功率Pstack的燃料电池系统和至少一个被设定用于运行燃料电池堆的带有电功率消耗Paux的辅助动力总成。此外，该燃料电池车辆具有用于加热车内空间的空调系统，其具有至少一个电加热器和空调压缩机，其中，空调系统的所有部件具有共同的电功率要求PAC。此外，燃料电池车辆具有带有功率要求PEM的电气驱动马达。最后，该燃料电池车辆具有多个传感器，其至少被设定用于检测外界温度、第一驾驶员输入和第二驾驶员输入，且具有控制单元。
根据本发明，燃料电池车辆的控制单元被设定用于根据第一驾驶员输入在多种运行模式的其中一种中、优选地在五种运行模式中的其中一种中驱动燃料电池车辆，其中，空调系统的功率消耗PAC、燃料电池堆的工作范围、尤其燃料电池堆的允许的工作点的位置和数量和用于由第二驾驶员输入得出功率要求PEM的传递函数根据所选择的运行模式被改变。
已证明，燃料电池堆的工作范围、空调系统的功率消耗和用于由第二驾驶员输入确定功率要求PEM的传递函数是对于燃料电池车辆的动力学特性和消耗而言重要的参数。通过根据第一驾驶员输入改变这些参数，驾驶员因此有利地对其车辆的行驶特性和消耗特性具有经改善的影响。因为此外这些参数的意义容易理解，通过其改变可以简单的方式定义多种不同的运行模式，其区别对于驾驶员而言可容易了解。
燃料电池堆的工作范围表示对于燃料电池堆而言允许的工作点的数量。换而言之，工作范围包括由燃料电池车辆的燃料电池堆在所选择的运行模式中可被占据的工作点。
在此，燃料电池堆的工作点A通过堆栈的电流电压特性曲线的点经由PA=UA*IA来明确地确定。在此，燃料电池堆的至少一个具体的工作状态相应于每个工作点，该工作状态此外通过所供应的工作介质流来定义。该工作状态取决于另外的参数、例如堆栈的温度和湿气含量。燃料电池系统的工作点B通过效率ηB的点以及通过在该点处的堆栈的电压和电流由P(ηB)= ηB*UB*IB来确定。
用于由第二驾驶员输入、优选由踏板值Pw或所要求的行驶功率Pw得出功率要求PEM的传递函数定义了在直接的驾驶员期望(也就是说踏板操纵)与所提供到燃料电池车辆的电动机处的功率要求PEM之间的传递特性、优选成比例的传递特性。因此，在利用该传递函数的情形下得出燃料电池系统的多少电功率被多快地要求用于转化由驾驶员所期望的机械转矩。传递函数的变化在该申请的情况中包括传递函数本身的变化和传递函数的导入量和/或调节量的变化。
除了用于由第二驾驶员输入得出功率要求PEM的传递函数之外，在控制单元中可执行另外的传递函数，尤其地用于得出功率要求PAC，例如根据车内空间的当前的和由驾驶员所期望的温度。为了确定总地由堆栈所提供的功率Pnetto或Pstack，不同的传递函数由控制单元叠加。这些传递函数在控制单元中实现成程序单元或单独的构件且优选地构造成调节技术上的传递元件、例如持续线性的调节器。在该申请的情况中，控制单元被理解为一种功能单元，其中，该功能的执行可在燃料电池车辆的构件中且/或在燃料电池系统的构件中实现。
在根据本发明的燃料电池车辆的一种优选的实施形式中，控制单元此外被设定用于根据第一驾驶员输入在第一运行模式中、尤其地在效率优化的运行模式(EfficiencyMode)中运行燃料电池车辆。在此，控制单元被设定用于根据外界温度受限地使得空调系统可供使用，在或靠近效率最佳的工作点处运行燃料电池堆且如此地选择用于得出功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆提供带有非最小的延迟的相应于第二驾驶员输入的净功率Pnetto。
效率最佳的工作点P(ηmax)是在其处至少近似获得燃料电池系统的最大可能的系统效率ηmax的工作点。在该申请的情况中，P(ηmax)被理解为燃料电池车辆的燃料电池系统的效率最佳的工作点。虽然严格来说同样也是燃料电池堆的工作点，其然而根据燃料电池系统和布置在燃料电池车辆中且由燃料电池系统供给的负载来确定。
控制单元根据由至少一个传感器所检测的温度、优选外界温度受限地以如下方式可供空调系统使用，即，其根据所检测的温度且彼此独立地节制空调系统的部件。这也就是说，控制单元根据温度节制由加热器或压缩机所取得的功率。由加热器或压缩机所取得的功率的节制最大为总地由该构件可取得的功率的100%。换而言之，控制单元可根据温度完全关闭加热器和/或空调压缩机。
在一特别优选的实施形式中，控制单元借助于空调压缩机和加热器(其大致彼此相反)的根据温度的节制功能节制空调系统。空调压缩机优选在下降的温度的情形中且加热器优选在上升的温度的情形中被节制。这例如以如下方式节省能量，即，当车辆的外部空气足够用于冷却其内部空间时，压缩机的运行被节制或被停止。
燃料电池堆在或靠近效率最佳的工作点处的运行相应于燃料电池堆在效率优化的工作范围内的运行。在此，燃料电池堆在效率优化化的范围内产生燃料电池堆在效率最优的工作点处的功率的至少70%、优选80%且特别优选地90%的高度的功率Pstack(ηopt)。尤其地在较低负荷的情形中(例如由于在待机模式中的较小的电流汇集)，由于被运行的辅助动力总成，可供使用的有效功率相比堆栈功率且因此燃料电池系统的效率超比例地下降。此外，对于系统效率而言适用η=Psystem/Pstack且Psystem≤Pnetto=Pstack-Paux，因此尤其地η≤1-Paux/ Pstack。
此外，在燃料电池车辆的由燃料电池系统供电的负载中的转换损失考虑到系统效率中。因此，蓄能器的存储器损失或燃料电池车辆的电动机的效率影响到系统效率。存储器损失又取决于蓄能器的充电状态(SOC)且电动机的效率取决于其工作状态、例如其转速。因此，效率最佳的工作点P(ηmax)在燃料电池系统或者燃料电池车辆的运行中可变化。有利地，在燃料电池车辆的运行中在或靠近效率优化的工作点处或者在效率优化的工作范围中燃料电池车辆的燃料消耗最小。
在第一运行模式中，控制单元如此地选择用于确定功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆提供相应于第二驾驶员输入的净功率Pnetto。因此选择如下传递函数，其将踏板值如此地反映到功率要求PEM上，即，由于功率要求PEM由燃料电池堆所提供的净功率Pnetto足够用于提供由驾驶员所要求的转矩。负荷提高意味着至少一个辅助动力总成的功率消耗的暂时的最大值Paux max。通过借助于传递函数得出功率要求PEM，基于该功率要求电动机发出恰足够用于提供所要求的转矩的净功率Pnetto，实际可利用的功率由Paux max被暂时降低。因此，当至少一个辅助动力总成被自稳且因此车辆的可供使用的加速度受限时才可提供期望力矩。
在第一运行模式中，控制单元此外如此地选择用于确定功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆提供该带有非最小的延迟的功率。最小的延迟相应于电动机需要用于提供所需要的转矩或者用于构建相应的功率要求PEM的最短的持续时间。
基于在第一运行模式中所选择的传递函数，功率要求PEM被确定，电动机因此相比该最短的持续时间更缓慢地提供转矩。这引起至少一个辅助动力总成的降低的加速度且因此引起至少一个辅助动力总成的降低的最大的功率消耗Paux max。因此，所要求的转矩由于所选择的传递函数虽然较迟可供使用，然而对此必要的电功率有利地被降低。总的来说，因此车辆的响应特性或者气门响应被降低。
在根据本发明的燃料电池车辆的一优选的实施形式中，控制单元此外被设定用于根据第一驾驶员输入在第二运行模式中、尤其地在舒适性优化的运行模式(Comfort Mode)中运行燃料电池车辆。在此，控制单元被设定用于在第二运行模式中独立于外界温度不受限地使得空调系统可供使用，在或靠近带有最小声音发射的工作点处运行燃料电池堆且如此地选择用于确定功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆提供带有非最小的延迟的相应于第二驾驶员输入和至少一个辅助动力总成的期望的最大的功率消耗Paux max的净功率Pnetto。
在第二运行模式中，通过控制单元不实现空调系统(也就是说加热器和空调压缩机)的功率消耗PAC的节制。虽然，功率消耗PAC因此高于在第一运行模式中，然而同样不存在在空调系统的功能中的限制。在第二运行模式中，控制单元此外在带有最小声音发射(以此尤其地表示整个燃料电池系统的声音发射)的工作点处运行燃料电池堆。该工作点优选在燃料电池系统的开发期间被确定且被存储在控制单元中。
此外，控制单元选择如下传递函数，其将踏板值如此地反映到功率要求PEM上，即，由于功率要求PEM由燃料电池堆所提供的净功率Pnetto在提供相应于期望转矩的功率Pnetto的情形中足够用于提供由驾驶员所要求的转矩和至少一个辅助动力总成的近似最大的功率消耗Paux。因为因此可供用于加速的净功率不被降低以Paux，整个加速度因此可供车辆使用。
该堆栈净功率由于所选择的传递函数被(非最小)延迟地提供，以便于将至少一个辅助动力总成的功率消耗Paux保持尽可能小。因此，虽然车辆的响应特性或者气门响应受限，然而为此实现了特别均匀的加速度，优选不带有“涡轮迟滞(Turboloch)”。优选地，控制单元被设定用于如此地确定非最小的延迟，即，至少一个附加负载的最大功率消耗Paux max被降低。
在根据本发明的燃料电池车辆的一种优选的实施形式中，控制单元此外被设定用于根据第一驾驶员输入在第三运行模式中、尤其地在动力学特性优化的运行模式(动态模式(Dynamic Mode))中运行燃料电池车辆。在此，控制单元被设定用于在第三运行模式中根据外界温度受限地使得空调系统可供使用，在任意的工作点处运行燃料电池堆且如此地选择用于得出功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆提供带有最小的延迟的相应于第二驾驶员输入和至少一个辅助动力总成的期望的最大的功率消耗Paux max的净功率Pnetto。
如在第一运行模式中那样，通过空调系统的根据温度的节制节省能量。相反于第一运行模式，该运行模式然而可供驱动器、尤其电动机使用。在第三运行模式中，控制单元此外在任意允许的工作点处且因此在相比在第一或第二运行模式中大得多的工作范围上运行燃料电池堆。这两者引起在燃料电池堆的功率提供中的经改善的动力学特性。在第三运行模式中允许的工作范围优选通过燃料电池堆的最小的工作点来定义，堆栈的功率输出不允许下降到最小的工作点下方，以便于阻止在堆栈中的危害使用寿命的过程。允许的工作范围一般通过在阳极或阴极供给部中的输送设备的容量、电极的催化特性和/或膜的质子传导性被限制上限(nach oben beschraenken)。
在第三运行模式中，控制单元如在第二运行模式中那样选择如下传递函数，其将踏板值Pw如此地反映到功率要求PEM上，即，由于功率要求PEM由燃料电池堆所提供的净功率Pnetto在提供相应于期望转矩的功率Pnetto的情形中足够用于提供由驾驶员所要求的转矩和至少一个辅助动力总成的近似最大的功率消耗Paux。因此，功率消耗Paux无须由被提供用于加速度的净功率施加且使得车辆的整个加速度可供使用。
该堆栈净功率Pnetto由于所选择的带有最小延迟的传递函数(也就是说在最短技术上可实现的时间中)可供使用。因此，驾驶员具有最大的响应特性或者最大的气门响应的经历。由此产生至少一个辅助动力总成的相对较高的最大功率消耗Paux max且可能产生间歇性的加速度。结果是，然而在较短时间之后相比在相同的时间在第一或第二运行模式中更多的功率可供使用。
优选地，控制单元在第一和第三运行模式中被设定用于根据外界温度受限地以如下方式使得空调系统可供使用，即，其在第一预先确定的温度之下仅使得电加热器且在第二预先确定的温度之上仅使得空调压缩机可供使用。优选地，控制单元取决于温度地且彼此独立地节制加热器和空调压缩机，其中，所使用的节制功能大致彼此相反。尤其地，加热器的节制随着上升的温度而上升且空调压缩机的节制随着下降的温度而上升。特别优选地，空调压缩机的节制在第一预先确定的温度的情形中为100%且加热器的节制在第二温度的情形中为100%。第一温度优选等于第二温度且优选15ºC。
在根据本发明的燃料电池车辆的一种优选的实施形式中，控制单元此外被设定用于根据第一驾驶员输入在第四运行模式中、尤其地在自动化运行模式(Auto Mode)中运行燃料电池车辆。在此，控制单元被设定用于如在第二运行模式中那样独立于外界温度不受限地使得空调系统可供使用且根据至少一个驾驶员参数、车辆参数或环境参数得出燃料电池堆的工作点和用于得出功率要求PEM的传递函数。
经得出的或经预测的车辆参数优选是电动机的转速或可转变到其中的量，例如车轮转速、车辆速度和/或车辆加速度。电动机的功率要求是其转速和其转矩的函数。因此可通过引用电动机的当前转速改变传递函数。因此，第二驾驶员输入、尤其踏板值Pw不同地设计且引起不同的功率要求PEM。
经得出的或经预测的环境参数优选地是车道坡度或弯道半径。在下坡中，确定的车轮和马达转速相比在平面的路段上更早被达到。在下坡中因此选择如下传递函数，其将第二驾驶员输入、尤其踏板值Pw传递到比在平面中更小的功率要求中。在上坡的情形中，转速且发动机功率相对平面被设立成延迟的。因此在该处选择如下传递函数，其将第二驾驶员输入传递到比在平面中更高的功率要求中。相对弯道半径得出不待超出的极限速度且选择如下传递函数，其不取决于第二驾驶员输入限制功率要求PEM。当前的环境参数优选借助于传感器、例如摄像机或陀螺仪来检测。经预测的环境参数优选由导航数据、尤其待期望的路径特征来得出。
驾驶员参数优选是带有对于当前驾驶员的一个或多个优选的运行模式的信息的驾驶员特征。驾驶员特征优选由驾驶员自身来定义或在时间上被自动学习。在不同的由驾驶员优选的运行模式之间，优选地根据车辆参数、例如加速度范围或根据环境参数、例如高速公路或村庄道路来变化。驾驶员的识别优选通过手动的输入或自动地实现，例如通过无线钥匙的检测。第四运行模式使得在确定的情况中合适的或优选的模式的自动选出和运行模式对车辆或环境参数的匹配成为可能。
在根据本发明的燃料电池车辆的一优选的实施形式中，控制单元此外设置用于，根据第一驾驶员输入在第五工作位置中、尤其地在单独的运行模式(Individual Mode)中运行燃料电池车辆。在此，控制单元被设定用于根据第三驾驶员输入使得空调系统可供使用，根据第四驾驶员输入确定燃料电池堆的工作点且根据第五驾驶员输入用于确定功率要求PEM的传递函数。优选地，对于燃料电池车辆而言，一个或多个输入器件可供用于检测第三、第四和第五驾驶员输入。
优选地，对于驾驶员而言所有参照其它运行模式来说明的选项可供用于空调系统的提供、燃料电池的工作点和用于确定功率要求PEM的传递函数。在第五运行模式中，驾驶员的自由度在调整燃料电池车辆的由其优选的工作图有利地再次提高。第三至第五驾驶员输入优选地经由为此设置的输入器实现，例如经由燃料电池车辆的车载电脑。
同样优选地，第三至第五驾驶员输入中的两个或多个可被汇总成调节值，例如作为在两个竞争性的负载之间的滑块调节器。利用该滑块调节器，例如加速度或者驱动或空调舒适性的优先权可被实现，其中，其它调节量的配对是可能的。同样优选地，驾驶员可作为用于之后使用的个性化的运行模式存储一次性实现的第三至第五驾驶员输入的一个或多个组。在第五运行模式中，驾驶员可因此有利地进行在系统效率、舒适性和燃料电池车辆的功率可使用性之间的加权。
在根据本发明的燃料电池车辆的一优选的实施形式中，第一传感器被设定用于借助于机械的、声学的或电磁的输入量确定第一驾驶员输入。为此，第一传感器可优选地构造成按键、选择轮、换挡杆或构造成触摸敏感的显示器。同样优选地，第一传感器可构造成用于检测手势的光学传感器或构造成用于检测语音输入的声音传感器。
同样优选地，第一传感器被设定用于接收例如在智能手机上被输入的第一驾驶员输入。
同样优选地，第二传感器被设定用于借助于踏板值确定第二驾驶员输入，且优选地踏板值输入器。同样优选地，第一驾驶员输入和第二驾驶员输入临时借助于唯一的传感器来检测。例如，踏板值输入器可具有额外的强行减挡功能性，其中，独立于当前的运行模式选择第三运行模式(Dynamic Mode)，只要保持操纵强行减挡。
同样优选地，根据本发明的燃料电池车辆具有自动传动装置且控制单元被设定用于根据所选择的运行模式改变自动传动装置的操控。特别优选地，控制单元被设定用于根据所选择的运行模式改变自动传动装置的换挡时间。例如，控制单元被设定用于如此地选择换挡时间，即，在第一运行模式中燃料消耗且在第二运行模式中车辆的换挡时间被降低。两者一般要求在加速的情形中较早的档位切换且在速度延缓的情形中较晚的档位切换。控制单元优选被设定用于如此地选择换挡时间，即，车辆的加速度被提高。这一般要求较早的换高档。同样优选地，控制单元被设定用于在第四运行模式中根据至少一个驾驶员、车辆或环境参数且在第五运行模式中根据第六驾驶员输入调整换挡时间。
本发明的另外的优选的设计方案由其余的在从属权利要求中所提及的特征得出。
本发明的不同的在该申请中所提及的实施形式只要在具体情况中不另外实施可有利地彼此组合。
附图说明
接下来根据附图以实施例阐述本发明。其中：
图1 显示了根据一实施形式的燃料电池系统的示意性图示，
图2 显示了根据一实施形式的车辆的示意性图示，
图3 显示了电动机的借助踏板值Pw确定的功率要求PEM的示意性图示和燃料电池堆的由于功率要求所提供的净功率Pnetto和至少一个辅助动力总成在提供净功率的情形中出现的功率消耗Paux。附图标记清单
100 燃料电池系统
200 燃料电池车辆
10 燃料电池堆
11 单电池
12 阳极室
13 阴极室
14 聚合物电解质膜
15 双极板
20 阳极供给部
21 阳极供给路径
22 阳极排气路径
23 燃料箱
24 调节器件
25 燃料再循环管道
26 再循环输送设备
30 阴极供给部
31 阴极供给路径
32 阴极排气路径
33 压缩机
34 电动机
35 电力电子装置
36 涡轮机
37 废气门管道
38 调节器件
39 加湿器模块
40 电功率系统
41 电压传感器
42 电流传感器
43 逆变器
44 蓄能器
45 直流变换器
50 驱动系统
51 牵引马达
52 驱动轴
53 驱动轮
60 控制单元
70 空调系统
71 电加热器
72 空调压缩机。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的一优选的设计方案的总地以100标明的燃料电池系统。燃料电池系统100是在图2中示出的车辆200、尤其电动车的部分，其具有通过相应的燃料电池系统100被供以电能的电力牵引马达51。
燃料电池系统100作为核心部件包括燃料电池堆10，其具有多个以堆栈形式布置单电池11，这些单电池由交替地堆叠的膜电极组件(MEA)14和双极板15构造成(参见详细剖面图)。每个单电池11因此相应地包括带有此处未进一步示出的传导离子的聚合物电解质膜以及在两侧布置在其处的催化电极。这些电极催化燃料转化的相应的部分反应。阳极和阴极电极构造成在膜上的涂层且具有催化材料(例如铂)，其被承载地存在于较大的特殊表面的可导电的载体材料、例如基于碳的材料上。
如在图1的详细图示中显示的那样，在双极板15与阳极之间构造有阳极室12且在阴极与下一双极板15之间构造有阴极室13。双极板15用于工作介质到阳极室和阴极室12,13中的供应且此外建立在各个燃料电池11之间的电气连接。可选地，在膜电极组件14与双极板15之间可布置有气体扩散层。
为了给燃料电池堆10供给以工作介质，燃料电池系统100一方面具有阳极供给部20且另一方面具有阴极供给部30。
在图1中所显示的燃料电池系统100的阳极供给部20包括阳极供给路径21，其用于阳极工作介质(燃料)例如氢气到燃料电池堆10的阳极室12中的供应。为了该目的，阳极供给路径21连接燃料存储器23与燃料电池堆10的阳极入口。此外，阳极供给部20包括阳极排气路径22，其将阳极废气由阳极室12经由燃料电池堆10的阳极出口排出。在燃料电池堆10的阳极侧12上的阳极工作压力可经由在阳极供给路径21中的第一调节器件24被调整。
此外，在图1中所显示的燃料电池系统的阳极供给部20具有再循环管道25，其连接阳极排气路径22与阳极供给路径21。燃料的再循环常见用于将大多数过化学计量地被使用的燃料引回给燃料电池堆10。在再循环管道25中布置有再循环输送设备26、优选再循环鼓风机。
在图1中所显示的燃料电池系统100的阴极供给部30包括阴极供给路径31，其给燃料电池堆10的阴极室13供应含氧气的阴极工作介质，尤其从周围环境被吸入的空气。此外，阴极供给部30包括阴极排气路径32，其将阴极废气(尤其排出空气)由燃料电池堆10的阴极室13排出且必要时将其供应给未示出的排气装置。为了输送和压缩阴极工作介质，在阴极供给路径31中布置有压缩机33。在该示出的实施例中，压缩机33设计成主要被电机驱动的压缩机33，其驱动经由配备有相应的功率电子装置35的电动机34实现。此外，压缩机33可通过布置在阴极排气路径32中的涡轮机36(必要时带有可变的涡轮几何形状)支持性地经由共同的轴(未示出)被驱动。
此外，在图1中显示的燃料电池系统100具有加湿器模块39。加湿器模块39一方面在阴极供给路径31中布置成，使得其可被阴极工作气体流经。另一方面其在阴极排气路径32中布置成，使得其可被阴极废气流经。加湿器39通常具有多个水蒸气可透过的膜，其面式地或以空心纤维形式构造。在此，膜的一侧被相对干燥的阴极工作气体(空气)流经且另一侧被相对较湿的阴极废气(废气)流经。受到在阴极废气中的水蒸气处的较高的部分压力驱使引起水蒸气经由膜到阴极工作气体中的转移，阴极工作气体以该方式被加湿。此外，阴极供给部30具有旁通管道37，其连接阴极供给管道31与阴极排气管道32。布置在旁通管道37中的调节器件38用于控制包围燃料电池堆10的阴极工作介质的量。
阳极和阴极供给部20,30的不同的另外的细节在简化的图1中出于清晰性的原因未被显示。如此地，在阳极和/或阴极废气路径22,32中可装上水分离器，以便于液化和导出由燃料电池反应形成的产物水。最后，阳极排气管道22可通入到阴极排气管道32中，从而使得阳极废气和阴极废气经由共同的排气装置被排出。
此外，燃料电池系统100具有控制单元60和至少一个以带有电功率要求PEM的电动机51和带有电加热器71、空调压缩机72和电功率要求PAC的空调系统70的形式的负载。控制单元60的功能的详细说明在图2和3的说明中被给出。
图2显示了总地以200标明的车辆，其具有根据图1的燃料电池系统100、包含在其中的电子控制单元60、电气功率系统40以及车辆驱动系统50。在此，燃料电池系统的至少一个负载44,51,71和72由燃料电池车辆的部件构成。
电气功率系统40包括用于检测由燃料电池堆10所产生的电压的电压传感器41以及用于检测由燃料电池堆10所产生的电流的电流传感器42。此外，电气功率系统40包括蓄能器44，例如高压电池或电容器。在功率系统40中，此外布置有以三端拓扑(Triport-Topologie)实施的转换器45(三端转换器)。电池44和空调系统70被联接到双DC/DC转换器45的第一侧处。驱动系统50的所有牵引网络部件在固定的电压位的情形中被联接在转换器45的第二侧处。以相同的或类似的方式，燃料电池系统100自身的辅助动力总成、例如压缩机33的电动机34(参见图1)或车辆的其它电气负载可与电流网络相连接。
驱动系统50包括电动机51，其充当车辆200的牵引马达。为此，电动机51驱动带有布置在其处的驱动轮53的驱动轴52。牵引马达51经由逆变器43与燃料电池系统100的电子功率系统40相连接且是系统的电气主负载。
电子控制单元60控制燃料电池系统100的运行，尤其其阳极和阴极供给部20,30、其电气功率系统40以及牵引马达51和空调系统70。为了该目的，控制单元60包含不同的输入信号，例如燃料电池堆10的利用电压传感器41所检测的电压U、燃料电池堆10的利用电流传感器42所检测的电流I、燃料电池堆10的由电压U和电流I得出的功率Pstack、在阳极室和/或阴极室12,13中的压力p、蓄能器44的充电状态SOC、牵引马达51的转速n和另外的输入量。对此备选地，上述值中的一些还可在控制单元60自身中被确定，例如Pstack。
此外，换挡杆位置参照所选择的运行模式(selected operation mode - SOM)作为第一驾驶员输入、由车辆200的驾驶员所要求的行驶功率Pw作为第二驾驶员输入、车内空间的当前温度T以及由驾驶员所选择的温度Tsel和外界温度Tenv进入到控制单元60中。变量Pw由此处未示出的行驶踏板的操纵的强度经由踏板值传感器被检测。
根据第一驾驶员输入SOM，控制单元60确定由驾驶员所选择的运行模式且根据所选择的运行模式以如下方式改变空调系统70的可使用性，即，其根据车外温度Tenv节制电加热器71和空调压缩机72的可能的功率消耗且因此间接地限制空调系统的功率消耗PAC的上限。此外，控制单元60根据所选择的运行模式确定用于由第二驾驶员输入Pw得出电动机51的电气功率要求PEM的传递函数。所得出的功率要求PEM和PAC被控制单元60叠加且被传输到燃料电池堆10处。此外，控制单元60以如下方式确定燃料电池堆10的工作点，即，其确定由燃料电池堆10所要求的电压U和由燃料电池堆10所要求的电流I。此外，工作点的确定可在功率要求PEM和PAC的叠加的情形中包括额外的传递函数的叠加，例如减缓所产生的功率要求。根据总地产生的功率要求，控制单元60由计算或相应存储的特性曲线族得出阳极和阴极工作介质的需要的质量流或工作压力且控制燃料电池系统的工作介质供应，例如经由压缩机33的电动机34以及燃料电池系统100的调节器件24,38等等。
图3显示了电动机的根据踏板值Pw被得出的功率要求PEM的示意性图示和燃料电池堆的基于功率要求被提供的净功率Pnetto和至少一个辅助动力总成的在提供净功率的情形中出现的功率消耗Paux。
如在图3(A)中示出的那样，在第一运行模式中由于以所检测到的踏板值Pw的上升形式的第一驾驶员输入如此地选择用于得出电气功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆10由于该功率要求PEM提供相应于增加的踏板值Pw、尤其对于提供相应于踏板值的转矩而言必要的电气功率的堆栈净功率Pnetto。传递函数此外如此来选择，即，功率要求PEM缓慢地上升且堆栈净功率因此以确定的、尤其非最小的延迟来提供。由于延迟，至少一个辅助动力总成的最大功率消耗在提供该堆栈净功率Pnetto的情形中被降低。
如在图3(B)中示出的那样，在第二运行模式中由于以所检测的踏板值Pw上升的形式的第一驾驶员输入如此地选择用于得出电气功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆10由于该功率要求PEM提供与增加的踏板值Pw、尤其对于提供与对于踏板值的转矩而言必要的电气功率和至少一个辅助动力总成的预期的最大的功率消耗Paux max相应的堆栈净功率Pnetto。在图3(B)中示出的示例中，Paux max相应于如图3(A)中示出的那样在以非最小的延迟提供堆栈净功率Pnetto的情形中所预期的最大功率消耗Paux，该堆栈净功率Pnetto与增加的踏板值Pw相应。
由于相比第一运行模式被增加的功率要求PEM，在第二运行模式中完全的加速度可供燃料电池车辆的驾驶员使用。尤其地，相应于踏板值Pw的堆栈净功率已在如下时刻可供使用，在其处在第一运行模式中可使用的堆栈净功率尚被例如降低以至少一个辅助动力总成的最大的功率消耗Paux max。传递函数此外如此来选择，即，功率要求PEM缓慢地上升且堆栈净功率因此以确定的、尤其非最小的延迟来提供。尤其地，功率要求PEM在与第一运行模式中相同的时间达到其最大值。由于延迟，至少一个辅助动力总成的最大功率消耗在提供该堆栈净功率Pnetto的情形中被降低。
如在图3(C)中示出的那样，在第三运行模式中由于所检测的踏板值Pw上升的形式的第一驾驶员输入还如此地选择用于确定电气功率要求PEM的传递函数，即，燃料电池堆10由于该功率要求PEM提供与增加的踏板值Pw、尤其与对于提供相应于踏板值的转矩而言必要的电气功率和至少一个辅助动力总成的预期的最大的功率消耗Paux max相应的堆栈净功率Pnetto。同样地在图3(C)中示出的例子中，Paux max相应于如图3(A)中示出的那样在以非最小的延迟提供相应于增加的踏板值Pw的堆栈净功率Pnetto的情形中所预期的最大功率消耗Paux。
由于相比第一运行模式被增加的功率要求PEM和相比第一和第二运行模式在调节功率要求PEM的情形中的较小的延迟，在第三运行模式中完全的加速度在完全的响应特性或者在完全的气门响应的情形中可供燃料电池车辆的驾驶员使用。尤其地，与踏板值Pw相应的堆栈净功率已在明显早于在第一运行模式中且同样地早于在第二运行模式中的时刻可供使用。由于在功率提供中的最小的、仅在技术上决定的延迟，至少一个辅助动力总成的最大功率消耗Paux max被提高。

Claims (9)

1.一种燃料电池车辆(200)，具有带有用于提供电功率Pstack的燃料电池堆(10)且带有至少一个用于以电功率消耗Paux运行所述燃料电池堆(10)的辅助动力总成(24,26,33,34,38)的燃料电池系统(100)；用于利用带有共同的电功率要求PAC的电加热器(71)和空调压缩机(72)调温车内空间的空调系统(70)；带有功率要求PEM的用于驱动所述燃料电池车辆(200)的电动机(51)；和多个用于检测外界温度、第一驾驶员输入和第二驾驶员输入的传感器；和控制单元(60)，其中，所述控制单元(60)被设定用于在多种运行模式的其中一个中根据所述第一驾驶员输入运行所述燃料电池车辆(200)，其中，所述空调系统(70)的功率消耗PAC、所述燃料电池堆(10)的工作范围和用于由所述第二驾驶员输入确定所述功率要求PEM的传递函数根据所选择的运行模式被改变，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于在第一运行模式中根据所述外界温度受限地使得所述空调系统(70)可供使用，在或靠近效率最佳的工作点处运行所述燃料电池堆(10)且如此地选择用于得出所述功率要求PEM的传递函数，即，所述燃料电池堆(10)提供带有非最小的延迟的相应于所述第二驾驶员输入的净功率Pnetto。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于在第二运行模式中独立于外界温度不受限地使得所述空调系统(70)可供使用，在或靠近带有最小声音发射的工作点处运行所述燃料电池堆(10)且如此地选择用于得出所述功率要求PEM的传递函数，即，所述燃料电池堆(10)提供带有非最小的延迟的相应于所述第二驾驶员输入和所述至少一个辅助动力总成(24,26,33,34,38)的待预期的最大功率消耗Paux max的净功率Pnetto。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)此外被设定用于如此地确定所述非最小的延迟，即，所述至少一个辅助动力总成(24,26,33,34,38)的最大的功率消耗Paux max被降低。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于在第三运行模式中根据所述外界温度受限地使得所述空调系统(70)可供使用，在任意工作点处运行所述燃料电池堆(10)且如此地选择用于得出所述功率要求PEM的传递函数，即，所述燃料电池堆(10)提供带有最小的延迟的相应于所述第二驾驶员输入和所述至少一个辅助动力总成(24,26,33,34,38)的待预期的最大的功率消耗Paux max的净功率Pnetto。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于根据所述外界温度受限地以如下方式使得所述空调系统(70)可供使用，即，其在第一预先确定的温度之下仅使得所述电加热器(71)可供使用且在第二预先确定的温度之上仅使得所述空调压缩机(72)可供使用。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于在第四运行模式中独立于外界温度不受限地使得所述空调系统(70)可供使用且根据至少一个驾驶员、车辆或环境参数得出所述燃料电池堆(10)的工作点和用于得出所述功率要求PEM的传递函数。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于在第五运行模式中根据第三驾驶员输入使得所述空调系统(70)可供使用，根据第四驾驶员输入确定所述燃料电池堆(10)的工作点且根据第五驾驶员输入确定用于得出所述功率要求PEM的传递函数。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，其特征在于，第一传感器被设定用于根据机械的、声学的或电磁的输入量确定所述第一驾驶员输入且/或第二传感器被设定用于根据踏板值确定所述第二驾驶员输入。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆(200)，此外具有自动传动装置，其特征在于，所述控制单元(60)被设定用于根据所选择的运行模式改变所述自动传动装置的操控。
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