DE10147149A1

DE10147149A1 - Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10147149A1
Application number: DE10147149A
Authority: DE
Inventors: Markus Aberle; Joachim Blum
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-24
Also published as: US7247401B2; US20030077494A1

Abstract

Ein Verfahren dient zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer luftatmenden Brennstoffzelle, mit einem von der Brennstoffzelle angetriebenen elektrischen Motor für den Fahrantrieb, einem zumindest teilweise über einen Elektromotor angetriebenen Kompressor zum Bereitstellen der Luft für die Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher. Die Bereitstellung der elektrischen Leistung erfolgt in Abhängigkeit einer aus einer Fahrpedalanforderung ermittelten Leistungssollanforderung. Die Differenz zwischen der Leistungssollanforderung und der momentan durch die Brennstoffzelle lieferbaren Istleistung wird durch den elektrischen Energiespeicher gedeckt. Im Kompressor wird unmittelbar nach dem Auftreten der Fahrpedalanforderung Leistung zur Verfügung gestellt, bis ein Anstieg der Istleistung der Brennstoffzelle festzustellen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist durch die DE 195 40 824 C2 beschrieben. In dieser Anmeldung wird bereits herausgestellt, daß eines der Probleme bei der Bereitstellung von elektrischer Leistung durch eine Brennstoffzelle in der Luftversorgung der Brennstoffzelle selbst liegt.
Dabei spielt es keine Rolle, ob die Luftversorgung wie in der oben genannten Patentschrift ausschließlich über einen Elektromotor erfolgt, oder ob zur Energieversorgung des Kompressors ein Expander genutzt wird, welcher in der Brennstoffzelle entstehende Abgase entspannt, um die dabei gewonnene thermische Energie wieder dem Kompressor zuzuführen. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise aus der 197 55 116 C1 bekannt.
Beide diese an sich bekannten Systeme haben den entscheidenden Nachteil, daß die für den Kompressor erforderliche Leistung entweder als elektrische Leistung oder als aus den Abgasen zurückgewonnene Leistung durch die Brennstoffzelle selbst erzeugt wird. Dadurch entsteht ein entscheidendes Problem beim dynamischen Verhalten, da die Brennstoffzelle, aufgrund dieser eben beschriebenen Tatsache, die geforderte elektrische Energie nicht unmittelbar zur Verfügung stellen kann, da zuerst die erforderliche Luftmenge durch den Kompressor bereitgestellt werden muß.
Um diese dynamischen Nachteile auszugleichen ist es zum allgemeinen Stand der Technik geworden, über eine elektrische Energiespeichereinrichtung die Energie bereitzustellen, welche erforderlich ist, um eine auf der Fahrpedalanforderung basierende Leistungssollanforderung erfüllen zu können.
Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bedeutet dies jedoch, daß elektrische Speichereinrichtungen, wie beispielsweise Batterien, eingesetzt werden müssen, welche eine vergleichsweise hohe Leistung und eine entsprechend große Energie zur Verfügung stellen können. Derartige Batterien sind jedoch immer sehr groß und schwer, was in Kraftfahrzeugen hinsichtlich der Anforderungen an Gewicht und Bauraum einen gravierenden Nachteil darstellt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welches die Leistungsbereitstellung der Brennstoffzelle selbst schnellstmöglich startet und welches mit einer minimalen Energie bei minimaler Leistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung auszukommen vermag.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Dadurch, daß der Kompressor unmittelbar mit dem Auftreten der Fahrpedalanforderung Leistung zur Verfügung gestellt bekommt, wird sichergestellt, daß der Kompressor unabhängig von der durch die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellten Leistung anlaufen kann. Der Kompressor wird durch einen kleinen Leistungspeak praktisch "angeschoben". Sobald ein Ansteigen der Brennstoffzellenleistung festzustellen ist, kann die Bereitstellung von Leistung aus anderen Quellen als der Brennsstoffzelle für den Kompressor unterbrochen werden. Der weitere Betrieb des Kompressors ist dann über die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung sichergestellt.
In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung wird die Leistung für den Kompressor als elektrische Leistung aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt.
Damit ist es möglich, die Brennstoffzelle weitaus schneller als bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik zu starten. Wird, wie beim Stand der Technik erwähnt, die Differenz zwischen Istleistung und Leistungssollanforderung dabei aus dem Energiespeicher gedeckt, so sinkt die erforderliche Energiemenge, welche aus dem elektrischen Energiespeicher kommen muß, da die Brennstoffzelle selbst schneller anläuft und schneller Energie zur Verfügung stellen kann. Parallel dazu wird das Niveau der maximalen erforderlichen Leistung gesenkt, so daß gegenüber dem Stand der Technik auch hier eine Minimierung stattfindet. Der elektrische Energiespeicher, welcher nunmehr nur noch einen weitaus kleineren Energiebetrag bei kleinerer Leistung zur Verfügung stellen muß, kann damit jedoch sehr viel kleiner, leichter und platzsparender gebaut werden, was insbesondere bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug von entscheidendem Vorteil ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Diagramm der in dem System benötigten und vorhandenen Leistungen bei einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 3 ein Diagramm der in dem System benötigten und vorhandenen Leistungen bei einem Verfahren gemäß der Erfindung.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 besteht in seinem Kernaufbau aus einer Brennstoffzelle 2, welche beispielsweise als luftatmende PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist, und einem Gaserzeugungssystem 3.
Die Brennstoffzelle 2 wird durch das Gaserzeugungssystem 3 in an sich bekannter Weise mit wasserstoffhaltigem Gas versorgt. Des weiteren wird die Brennstoffzelle über einen Kompressor 4 und einen Antrieb 5 für den Kompressor 4, welcher zumindest teilweise über einen Elektromotor erfolgt, mit einem sauerstoffhaltigem Medium, z. B. Luft, versorgt.
Das Brennstoffzellensystem 1 wird von einem Brennstoffzellen-Steuergerät 6 über die jeweils prinzipmäßig angedeuteten Steuer- bzw. Signalleitungen, welche in Fig. 1 immer punktiert dargestellt sind, gesteuert bzw. geregelt.
Die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie gelangt über elektrische Leitungselemente, welche in Fig. 1 jeweils gestrichelt dargestellt sind, zu einem elektrischen Motor 7, welcher für den Fahrantrieb des mit dem entsprechenden System ausgerüsteten Kraftfahrzeuges zuständig ist. Wird durch die Brennstoffzelle 2 dabei ein Leistungsüberschuß produziert, so gelangt dieser in eine Energiespeichereinrichtung 8.
Die Energiespeichereinrichtung 8 kann in an sich bekannter Weise als Batterie ausgebildet sein. Jedoch wäre auch die Verwendung eines Supercaps oder eine entsprechende Kombination aus Supercap und Batterie denkbar, so daß sehr hohe Ströme jeweils in dem Supercap zwischengespeichert werden und damit mit weitaus wenigeren Verlusten zeitlich sehr schnell dem System zur Verfügung gestellt werden können oder entsprechend sehr "schonend", also bei kleinerem Strom über einen größeren Zeitraum, in die Batterie eingelagert werden.
Die Steuerung des gesamten Fahrzeugs erfolgt in dem hier dargestellten Schema über ein Fahrzeug- Steuergerät 9, welches über entsprechende Steuerleitungen mit dem Brennstoffzellen-Steuergerät 6 und einem Motor-Steuergerät 10 kommuniziert.
Nachfolgend soll nun beschrieben werden, wie sich das Gesamtsystem um das Brennstoffzellensystem 1 verhält, wenn eine dynamische Steigerung der Leistung gefordert wird. Ausgangspunkt für eine derartige Leistungssteigerung ist im allgemeinen eine Fahrpedalanforderung, die im dynamischsten Fall als sprunghafte Leistungsvorgabe auftritt, wie dies durch die mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnete Fahrpedalanforderung angedeutet ist. Da eine derartige sprunghafte Leistungssteigerung zu einem Ruckeln des Fahrzeugs führen würde, wird durch das Fahrzeug-Steuergerät 9 diese Fahrpedalanforderung 11 in eine Leistungssollanforderung 12 umgewandelt, welche beispielsweise in Form eines Solldrehmoments dem Motor-Steuergerät 10 vorgegeben wird. Von dem Motor-Steuergerät 10 wird dann die erforderliche Motorstromanforderung zur Bereitstellung dieses Solldrehmoments an den elektrischen Motor 7 weitergegeben. Parallel dazu wird die Leistungssollanforderung, beispielsweise als Sollstrom 12' auch an das Brennstoffzellen-Steuergerät 6 weitergegeben. Das Brennstoffzellen-Steuergerät 6 steuert dann das Brennstoffzellensystem 1 entsprechend an, um schnellstmöglich den erforderlichen Strom für den elektrischen Motor 7 bereitzustellen. Dazu gibt das Brennstoffzellen- Steuergerät 6 einen aktuell verfügbaren Iststrom, welcher mit einer Istleistung (P_i) 13 korrespondiert, an das Fahrzeug-Steuergerät 9 zurück. Dieser Iststrom bzw. die Istleistung 13 ist im allgemeinen kleiner als die Leistungssollanforderung 12. Dementsprechend wird von dem Fahrzeug-Steuergerät 9 gegebenenfalls auch von dem Brennstoffzellen-Steuergerät 6, was hier jedoch nicht dargestellt ist, über eine entsprechende Steuerleitung mit dem Energiespeicher 8 korrespondiert. Der Energiespeicher 8 wird nun die erforderliche Leistungsdifferenz zur Verfügung stellen, so daß der elektrische Motor 7 aus Brennstoffzellensystem 1 und Energiespeicher 8 in der Summe den erforderlichen Motorstrom bekommt und das Fahrzeug prompt auf die Fahrpedalanforderung 11 reagieren kann.
Fig. 2 illustriert diesen soweit dem Stand der Technik entsprechenden Ablauf nochmals anhand von zwei Diagrammen, in welchen die Leistung P über der Zeit t aufgetragen ist.
Das obere Diagramm in Fig. 2 zeigt dabei die gestrichelt dargestellte Leistungssollanforderung 12, während die durchgezogene Linie die durch das Brennstoffzellensystem 1 lieferbare Istleistung 13 darstellt. Die Differenz, welche sich in der Fläche zwischen den beiden Linien 12, 13 ausdrückt, wird durch die im unteren Diagramm dargestellte Leistung 14 aus dem Energiespeicher 8 aufgefüllt, so daß das System insgesamt die Leistungssollanforderung 12 zu erfüllen vermag. Wie es in den Diagrammen gemäß Fig. 2 erkennbar ist, bedeutet dies jedoch, daß eine vergleichsweise hohe maximale Leistung p₁ ^max durch den Energiespeicher 8 bereitgestellt werden muß. Auch die durch den Energiespeicher 8 bereitgestellte Energiemenge, also die Fläche unter der Kurve der Leistung 14 ist vergleichsweise groß.
In Fig. 3 ist nun dargestellt, wie bei einem derartigen System eine Verbesserung erfolgen kann. In Fig. 1 ist dazu die strichpunktiert dargestellte Stromleitung 15 vorhanden. Von dem Fahrzeug-Steuergerät 9 oder gegebenenfalls auch dem Brennstoffzellen-Steuergerät 6 wird, unmittelbar nach Auswertung der Fahrpedalanforderung 11, über den Energiespeicher 8 ein Strom zu dem Antrieb 5 für den Kompressor 4 geleitet. Dieser Strom verursacht einen Leistungspeak, startet den Kompressor 5 und stellt somit die schnelle Zufuhr von Luft zu der Brennstoffzelle 2 sicher. Die Brennstoffzelle 2 kann damit sehr viel schneller anlaufen und dementsprechend sehr viel schneller Istleistung 13 zum Antrieb des elektrischen Motors 7 zur Verfügung stellen.
Der genaue Ablauf wird durch die in Fig. 3 dargestellten Diagramme näher erläutert. Auch hier ist im oberen Teil des Diagramms wieder die gestrichelt dargestellte Leistungssollanforderung 12 erkennbar. Für das Bezugszeichen 13 ist wieder die durch die Brennstoffzelle bereitstellbare Istleistung bezeichnet. Die Kurve 14', die in dem nun hier vorliegenden Fall des Verfahrens die Leistung aus dem Energiespeicher 8 beschreibt, zeigt dabei das oben bereits erwähnte Verfahren. Sofort nach der Fahrpedalanforderung 11 wird ein Leistungspeak 16 von dem Energiespeicher 8 an den Antrieb 5 des Kompressors 4 abgegeben. Sobald daraufhin die Istleistung 13 der Brennstoffzelle 2 beginnt anzusteigen, wird die für den Antrieb 5 des Kompressors 4 bereitgestellte Leistung aus dem Energiespeicher 8 wieder reduziert. Der Anlauf der Brennstoffzelle 2 wird aufgrund dieser unmittelbaren Versorgung mit Luft sehr viel schneller erfolgen, da im allgemeinen davon ausgegangen werden kann, daß in den Leitungslängen des Gasererzeugungssystems soviel Reformat bzw. wasserstoffhaltiges Gas vorhanden ist, daß die Versorgung der Brennstoffzelle 2 ausreichend dynamisch erfolgen kann. Sobald die Brennstoffzelle 2 dann Leistung liefert läuft das oben genannte Verfahren gemäß dem Stand der Technik ab, wobei die Differenz zwischen der Leistungssollanforderung 12 und der verfügbaren Istleistung 13 wieder durch den Energiespeicher 8, hier insbesondere in Form des zweiten Leistungspeaks 17, der Kurve 14' gedeckt wird.
Aufgrund der Tatsache, daß die Brennstoffzelle 2 sehr viel schneller die Istleistung 13 liefert um die Leistungssollanforderung 12 alleine zu erfüllen, wird die aus dem Energiespeicher 8 benötigte Energiemenge, also die Fläche unter der Kurve 14' gegenüber der Fläche unter der Kurve 14 beim Stand der Technik kleiner. Durch die zeitliche Entkopplung der beiden Leistungspeaks 16, 17 wird außerdem erreicht, daß die maximal von dem Energiespeicher 8 geforderte Leistung P₂ ^max kleiner wird. Damit sinkt auch der aus dem Energiespeicher 8 benötigte maximale Strom ab.
Dies ermöglicht es nun, den Energiespeicher 8 hinsichtlich seines Energieinhalts und seiner maximal lieferbaren Leistung P^max weitaus kleiner zu dimensionieren, als dies bei einem Energiespeicher 8 gemäß dem Stand der Technik möglich wäre. Damit wird ein kleiner, leichterer und weitaus billigerer Energiespeicher in dem Kraftfahrzeug möglich, was hier die entsprechend günstigeren Auswirkungen auf Preis, Gewicht, Fahrleistung und für den Energiespeicher 8 erforderlichen Bauraum in dem Kraftfahrzeug ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer luftatmenden Brennstoffzelle, einem von der Brennstoffzelle angetriebenen elektrischen Motor für den Fahrantrieb, einem zumindest teilweise über einen Elektromotor angetriebenen Kompressor zum Bereitstellen von Luft für die Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher, wobei die Bereitstellung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit einer aus einer Fahrpedalanforderung ermittelten Leistungssollanforderung erfolgt, und wobei die Differenz zwischen der Leistungssollanforderung und der momentan durch die Brennstoffzelle lieferbaren Istleistung durch den elektrischen Energiespeicher gedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompressor (4) unmittelbar nach dem Auftreten der Fahrpedalanforderung (11) Leistung (16) zur Verfügung gestellt wird, bis ein Anstieg der Istleistung (13) der Brennstoffzelle (2) festzustellen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (16) als elektrische Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (8) zur Verfügung gestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (16) für den Kompressor (4) in Form einer zeitabhängigen Leistungskurve vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Energiespeicher (8) eine Batterie genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Energiespeicher (8) ein Supercap genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Energiespeicher (8) eine Kombination aus Batterie und Supercap genutzt wird.