DE102007051819A1

DE102007051819A1 - Wirkungsgradoptimierte Hybridbetriebsstrategie

Info

Publication number: DE102007051819A1
Application number: DE200710051819
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Peter Kilian
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-07-03
Also published as: US7831343B2; US20080133076A1

Abstract

Antriebssystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem und ein EESS aufweist, wobei das Antriebssystem einen Algorithmus zur Erhöhung des Systemwirkungsgrades verwendet. Ein Leistungsgrenzwert wird als der maximale Systemwirkungsgrad mal dem Lade/Entlade-Wirkungsgrad des EESS definiert. Wenn der Fahrzeugbediener eine Leistung anfordert, die größer als der Leistungsgrenzwert ist, dann stellt bevorzugt das Brennstoffzellensystem die Leistung bereit, und wenn die Leistungsanforderung von dem Fahrzeugbediener kleiner als der Leistungsgrenzwert ist, dann stellt bevorzugt das EESS die Leistung bereit. Der Algorithmus berücksichtigt auch sich ändernde Betriebsbedingungen und -parameter, die den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und den Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems beeinflussen, wie den Ladezustand des EESS und ein regeneratives Bremsen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug mit einem Antriebssystem, das einen Algorithmus zum effizienten Bestimmen einer verteilten Leistungsentnahme von einem Brennstoffzellensystem (FCS) und einem elektrischen Energiespeichersystem (EESS) verwendet, und insbesondere ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das einen Algorithmus zur effizienten Bestimmung der verteilten Leistungsentnahme von einem FCS und einem EESS verwendet, indem ein Leistungsgrenzwert definiert wird und EESS-Leistung verwendet wird, wenn eine Leistungsanforderung unterhalb des Leistungsgrenzwerts liegt, und Brennstoffzellensystemleistung verwendet wird, wenn die Leistungsanforderung oberhalb des Leistungsgrenzwerts liegt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode.
Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die über einen Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Die dynamische Leistung eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug ist begrenzt. Ferner kann es sein, dass die Zeitverzögerung vom System start zur Fahrbarkeit und langsamen Beschleunigung des Fahrzeugs nicht akzeptabel ist. Die Spannungszyklen können die Stapelhaltbarkeit verringern. Diese Nachteile können durch Verwendung einer Hochspannungsbatterie parallel zu dem Brennstoffzellensystem minimiert werden. Es werden Algorithmen verwendet, um die Verteilung von Leistung von der Batterie und dem Brennstoffzellensystem vorzusehen und damit die angeforderte Leistung zu erfüllen.
Einige Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die zusätzlich zu dem Brennstoffzellensystem ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS) verwenden, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator (auch als ein Ultrakondensator oder als ein Doppelschichtkondensator bezeichnet). Das EESS liefert ergänzende Leistung für die verschiedenen Fahrzeugzusatzlasten, zum Systemstart und bei Hochleistungsbedarf, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung bereitzustellen. Insbesondere liefert das Brennstoffzellensystem Leistung an einen Traktionsmotor und andere Fahrzeugsysteme durch eine DC-Spannungsbusleitung an ein elektrisches Traktionssystem (ETS) für den Fahrzeugbetrieb. Das EESS kann ergänzende Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten liefern, wenn zusätzliche Leistung über die hinaus erforderlich ist, die der Stapel bereitstellt, wie bei einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung eine Leistung von 100 kW oder mehr erfordern. Das Brennstoffzellensystem kann dazu verwendet werden, das EESS zu denjenigen Zeiten wiederaufzuladen, wenn das Brennstoffzellensystem in der Lage ist, den Systemleistungsbedarf allein zu erfüllen, und auch dazu in der Lage ist, zusätzliche Leistung zu erzeugen. Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor bei einem regenerativen Bremsen verfügbar ist, wird ebenfalls dazu verwendet, die Batterie durch die DC-Busleitung wieder aufzuladen.
Es ist erwünscht, in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug eine Systemleistung zu erhöhen, einen Wasserstoffverbrauch zu reduzieren, ein Abnutzen und Reißen von Komponenten zu reduzieren, etc., indem das Brennstoffzellensystem so effizient wie möglich betrieben wird. Insbesondere ist es erwünscht, die gewünschte mechanische Abgabe für das elektrische Traktionssystem durch Verwenden der minimalen Wasserstoffmenge bereitzustellen. Für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug ist der Wasserstoff/Rad-Wirkungsgrad ein typischer Referenzwert, der durch den Gebrauch eines regenerativen Bremsens und des optimierten Betriebs des Brennstoffzellensystems als die Primärquelle innerhalb des Antriebssystems erhöht werden kann. Um das vollständige Potenzial des regenerativen Bremsens zu verwenden, muss das EESS groß genug sein, um so viel von der Energie aus der Verzögerung wie möglich für alle Leistungsspitzen abzufangen. Die Größe des EESS stellt eine wichtige Konstruktionsbetrachtung für das Fahrzeugantriebssystem dar, die durch Kosten, Gewicht wie auch Leistungsfähigkeitsanforderungen beeinflusst und begrenzt ist.
Bestimmte Betriebsstrategien für Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeuge basieren hauptsächlich auf dem Abfangen der regenerativen Energie aus einem Bremsen des Fahrzeugs. Das Steuersystem für das Hybridleistungssystem berücksichtigt diese Strategie durch hauptsächliche Verwendung des EESS als eine Leistungsquelle, solange der Ladezustand (SOC) des EESS innerhalb der definierten Schwellenwerte liegt. Wenn das EESS aufgrund seines SOC nicht in der Lage ist, die Leistungsanforderung vollständig bereitzustellen oder überhaupt Leistung bereitzustellen, deckt das Brennstoffzellensystem die Leistungsanforderung ab. Bei Hochleistungsbedarfsanforderungen, die größer als die maximale Leistung des Brennstoffzellen systems sind, stellt das EESS die Überschussleistung bereit. Wenn der SOC des EESS die Entladung nicht zulässt, ist nur das Hybridleistungssystem dazu in der Lage, die maximale Leistung von dem Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Ein anderer Teil der Optimierung eines Fahrzeughybridantriebssystems besteht darin, die direkte Verbindung zwischen der Leistungsanforderung von dem Fahrzeug auf Grundlage der Fahrerleistungsanforderung und der Leistung der Primärquelle des Antriebssystems durch Verwendung des EESS als einen Puffer zu trennen, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Dieses Optimierungselement muss in die Betriebsstrategie des Antriebssystems mit dem Ziel integriert werden, das Brennstoffzellensystem hauptsächlich innerhalb seiner hocheffizienten Gebiete zu betreiben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebssystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug offenbart, das ein Brennstoffzellensystem (FCS) und ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS) aufweist, wobei das Antriebssystem einen Algorithmus zur Erhöhung des Systemwirkungsgrades verwendet. Es wird ein Leistungsgrenzwert definiert, der den maximalen FCS-Wirkungsgrad und den Wirkungsgrad des EESS berücksichtigt. Wenn der Fahrzeugbediener eine Leistung anfordert, die größer als der Leistungsgrenzwert ist, dann liefert das Brennstoffzellensystem die Leistung, und wenn die Leistungsanforderung von dem Fahrzeugbediener kleiner als der Leistungsgrenzwert ist, dann liefert das EESS die Leistung. Der Algorithmus berücksichtigt auch sich ändernde Betriebsbedingungen und Parameter, die den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und den Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems be einflussen, wie den Ladezustand des EESS und einem regenerativen Bremsen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem (FCS), ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS) und ein elektrisches Traktionssystem (ETS) aufweist und einen Leistungsverteilungsalgorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
2 ist ein Schaubild mit der Leistung des Brennstoffzellensystems an der horizontalen Achse und dem Wirkungsgrad an der vertikalen Achse, das einen für den Systemwirkungsgrad definierten Leistungsgrenzwert gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Reihe von Schaubildern, die die Beziehung zwischen eine ETS-Leistungsanforderung, einem EESS-Ladezustand, einer EESS-Ausgangsleistung und einer FCS-Ausgangsleistung für ein bestimmtes Fahrzeug in einem bestimmten Systemzustand zeigen, das einen Leistungsalgorithmus der Erfindung zur Bereitstellung des Systemwirkungsgrades verwendet; und
4 ist eine andere Serie von Schaubildern, die die Beziehung zwischen einer ETS-Leistungsanforderung, einem EESS-Ladezustand, einer EESS-Ausgangsleistung und einer FCS-Ausgangsleistung für ein bestimmtes Fahrzeug in einem anderen bestimmten Systemzustand zeigen, das einen Leistungsalgorithmus der Erfindung zur Bereitstellung des Systemwirkungsgrades verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Algorithmus zur Optimierung des Wirkungsgrades eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuges gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellen-Hybridantriebssystems 10, das ein Brennstoffzellensystem (FCS) 12, ein EESS 14 und ein ETS 16 aufweist. Das EESS 14 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, wie eine Batterie, ein Akkumulator, ein Superkondensator und Kombinationen daraus. Ferner sind erforderliche Leistungselektronikkomponenten nicht gezeigt, um die Beschreibung auf die notwendigen Elemente zu reduzieren. Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, schlägt die vorliegende Erfindung einen Algorithmus vor, um einen effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems dadurch bereitzustellen, dass bestimmt wird, wann die von dem ETS 16 angeforderte Leistung durch das Brennstoffzellensystem 12 geliefert wird, wann die von dem ETS 16 angeforderte Leistung durch das EESS 14 geliefert wird, wann die von dem ETS 16 angeforderte Leistung durch sowohl das Brennstoffzellensystem 12 als auch durch das EESS 14 geliefert wird, wann das Brennstoffzellensystem 12 dazu verwendet wird, das EESS 14 zu laden, und wann ein regeneratives Bremsen von dem ETS 16 dazu verwendet wird, das EESS 14 zu laden. Allgemein wird das Brennstoffzellensystem 12 dazu verwendet, die angeforderte Leistung bereitzustellen, solange der indirekte Leistungspfad durch das EESS 14 nicht effizienter ist. Daher wird das Brennstoffzellensystem 12 dazu verwendet, das EESS 14 zu laden, jedoch nur, wenn das Laden des EESS 14 und die Bereitstellung der Energie durch das EESS 14 an das ETS 16 effizienter sind, als die Bereitstellung der Traktionsleistung direkt von dem Brennstoffzellensystem 12.
2 zeigt ein typisches Wirkungsgradverhalten des FCS 12 als ein Beispiel. Bei geringerer FCS-Leistung nimmt der Wirkungsgrad des FCS ab, wobei der geringste Wirkungsgrad bei Leerlauf des FCS auftritt. Bei höherer Brennstoffzellensystemleistung nimmt der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad ebenfalls ab, jedoch nicht so schnell wie bei dem Niedrigleistungsgebiet. Bei voller FCS-Leistung liegt der Wirkungsgrad typischerweise im Bereich von 20 bis 30% des maximalen Wirkungsgrades des FCS. Der maximale Wirkungsgrad des FCS wird in dem mittleren Bereich des mit P_η,max bezeichneten Schaubilds erreicht.
Aus dem Schaubild in 2 und dem bekannten Lade/Entlade-Wirkungsgrad des EESS 14 kann die Betriebsstrategie des Brennstoffzellen-Hybridantriebssystems 10 in Bezug darauf ermittelt werden, wann das FCS 12 oder das EESS 14 als die bevorzugte Leistungsquelle für die effizienteste Weise zum Betrieb des Hybridantriebsystems 10 verwendet werden soll. Gemäß der Erfindung ist ein Leistungsgrenzwert P_limit definiert, wobei allgemein, wenn der Fahrzeugbediener eine Leistung anfordert, die größer als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, dann das Brennstoffzellensystem 12 die Leistung liefert, und wenn die Leistungsanforderung von dem Fahrzeugbediener kleiner als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, dann die Leistung von dem EESS 14 geliefert wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Leistungsgrenzwert P_limit als ein Wert definiert, bei dem der Wirkungsgradpunkt, der durch den maximalen FCS-Wirkungsgrad η_FCS,max dargestellt ist, mal dem Lade/Entlade-Wirkungsgrad des EESS 14 η_bat die Wirkungsgradkurve schneidet. Der EESS-Wirkungsgrad η_bat ist durch das Lade/Entlade-Verhältnis des EESS 14 bestimmt. Insbesondere wenn die Leistungsanforderung von dem ETS 16 größer als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, ist es effizienter, die angeforderte Leistung von dem Brennstoffzellensystem 12 zu liefern. Wenn die Leistungsanforderung von dem ETS 16 kleiner als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, ist es effizienter, die angeforderte Leistung von dem EESS 14 zu liefern. Das EESS 14 wird von dem Brennstoffzellensystem 12 bei seinem höchsten Wirkungsgradwert von η_FCS,max geladen. Die Bestimmung des Leistungsgrenzwertes kann während des Fahrzeugbetriebs angepasst werden, um sich ändernde Betriebsparameter und -bedingungen zu berücksichtigen.
Durch Berücksichtigung des SOC des EESS 14 liefert das Brennstoffzellensystem 12 nur dann einen höheren Antriebssystemwirkungsgrad, wenn das Brennstoffzellensystem 12 in Leistungsgebieten betrieben wird, bei denen die folgende Beziehung erfüllt ist: ηFCS > ηFCS,max × ηEESS
Durch Kenntnis der Wirkungsgradkurve des Brennstoffzellensystems und des Lade/Entlade-Wirkungsgrades des EESS 14 mit all seinen Einflüssen kann auf diese Weise eine Leistungsstrategie bereitgestellt werden. Durch Änderung der Betriebsbedingungen für das EESS 14 und das FCS 12 ändert sich die Wirkungsgradkurve, was berücksichtigt werden muss. Auf Grundlage einer gewöhnlichen Wirkungsgradkurve des Brennstoffzellensystems macht der indirekte Leistungspfad durch das EESS 14 bei geringerer angeforderter Leistung oder vielleicht bei höheren Leistungsspitzen Sinn, bei denen der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 12 unter den Leistungsgrenzwert P_limit abfällt.
Der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad η_FCS stellt das Verhältnis zwischen der Menge an Elektrizität, die von dem Brennstoffzellensystem 12 erzeugt wird, und der Menge an Wasserstoff dar, die von dem Brennstoffzellensystem 12 verbraucht wird. Der maximale Brennstoffzellensystemwirkungsgrad wird als η_max dargestellt, wobei der Wert P_ηmax die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems 12 bei dem maximalen Wirkungsgrad η_max ist. Selbstverständlich ist es nicht möglich, das FCS 12 die ganze Zeit bei dem maximalen Leistungswirkungsgrad P_ηmax zu betreiben, da der Fahrer verschiedene Leistungsniveaus zum Betrieb des Fahrzeugs über das Spektrum hinweg anfordert, das das Antriebssystem 12 erzeugen kann.
Wie oben beschrieben ist, wird, wenn die angeforderte Leistung von dem ETS 16 geringer als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, das EESS 14 dazu verwendet, die Leistungsanforderung bereitzustellen, und wird von dem Brennstoffzellensystem 12 so lange geladen, wie der Ladezustand (SOC) des EESS 14 unter seiner maximal zulässigen Grenze liegt. Die Brennstoffzellensystemleistung mit dem maximalen Wirkungsgrad ist in diesem Fall höher als die angeforderte Traktionsleistung, wobei daher infolge der Änderung des Ladezustands des EESS 14 ein pulsierender Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 erforderlich ist.
3 stellt eine Reihe von Schaubildern mit der Zeit an der horizontalen Achse, der Leistungsanforderung von dem ETS 16 (P_ETS) an der vertikalen Achse des oberen Schaubilds, dem Ladezustand des EESS 14 (SOC_EESS) an der vertikalen Achse des zweiten Schaubilds, der von dem EESS 14 gelieferten Leistung (PEESS) an der vertikalen Achse des dritten Schaubilds und der Brennstoffzellensystemleistung P_FCS an der vertikalen Achse des unteren Schaubilds dar, die einen Fall zeigen, bei dem die Leistungsanforderung von dem ETS 16 unterhalb des Leistungsgrenzwertes P_limit liegt. Bei diesem Beispiel liefert das EESS 14 die Leistungsanforderung so lange, bis der EESS-SOC auf einen minimalen SOC (SOC_min) fällt, wobei zu diesem Zeitpunkt das Brennstoffzellensystem 12 die Bereitstellung der angeforderten Leistung übernimmt. Aufgrund des Betriebs des FCS 12 bei seinem Punkt für maximalen Wirkungsgrad liefert das FCS 12 mehr Leistung, als von dem ETS 16 angefordert wird, und lädt zusätzlich das EESS 14, wie durch das dritte und vierte Schaubild gezeigt ist.
Um die Lebensdauer des EESS 14 zu erhöhen oder zu maximieren, muss eine gewisse SOC-Grenze des Ladens und Entladens des EESS 14 berücksichtigt werden. Daher sollte während des Betriebs der EESS-SOC innerhalb der Ladezustandsgrenzen von SOC_min und SOC_max bleiben. Wenn der SOC des EESS 14 den minimalen SOC erreicht und die Leistungsanforderung kleiner als der Leistungsgrenzwert P_limit ist, stoppt das EESS 14 die Lieferung von Leistung an das ETS 16, und das Brennstoffzellensystem 12 wird dazu verwendet, die angeforderte Leistung bereitzustellen. Das Brennstoffzellensystem 12 wird bei seinem maximalen Wirkungsgrad P_ηmax betrieben, um auch das EESS 14 zu laden. Nachdem der EESS-SOC eine maximale SOC-Grenze (SOC_max) erreicht, wird das Brennstoffzellensystem 12 in eine Leerlaufbetriebsart zurückgeführt und das EESS 14 liefert erneut die angeforderte Leistung. Es ist erwünscht, das Brennstoffzellensystem 12 bei dem maximalen Wirkungsgrad P_ηmax zu betreiben, wobei das Brennstoffzellensystem 12 jedoch keine Leistung an das ETS 16 oder das EESS 14 mit einem Leistungspegel liefert, der geringer als der Leistungsgrenzwert P_limit ist.
4 zeigt dieselben Schaubilder, wie in 3 gezeigt sind, wobei der Betrieb des Systems zwischen der Spitzen-ETS-Leistungsanforderung P_peak und Null verläuft. Wie oben beschrieben ist, liefert das Brennstoffzellensystem 12 Leistung oberhalb des Leistungsgrenzwerts P_limit, das EESS 14 liefert die angeforderte Leistung, wenn sie unter dem Leistungsgrenzwert P_limit liegt, und sowohl das EESS 14 als auch das Brennstoffzellensystem 12 liefern Leistung, wenn die Leistungsanforderung zwischen der maximalen Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem 12 bereitgestellt werden kann, und der Spitzenleistung P_peak liegt.
Bei bestimmten Systembetriebsabläufen müssen sowohl das Brennstoffzellensystem 12 als auch das EESS 14 Leistung bereitstellen, um den Leistungsbedarf von dem ETS 16 zu erfüllen. Somit ist gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die minimale Ladezustandsgrenze SOC_limit des EESS 14, die in Bezug darauf definiert ist, wann das Brennstoffzellensystem 12 ein Wiederaufladen des EESS 14 startet, aufgrund von Lebensdauergründen, um eine gewisse Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs 10 aufrecht zu erhalten, größer als die minimale EESS-SOC-Grenze SOC_min.
Um die Fähigkeit sicherzustellen, jederzeit von dem ETS 16 ein regeneratives Bremsen abzufangen, kann der oben beschriebene Algorithmus mit einer weiteren zusätzlichen Option in Bezug darauf versehen werden, dass die maximale SOC-Grenze SOC_max für das EESS 14, die in Bezug darauf definiert ist, wann das Brennstoffzellensystem 12 ein Wiederaufladen des EESS 14 stoppt, kleiner als eine echte maximale EESS-SOC-Grenze ist, um jederzeit eine gewisse Ladekapazität bereitzustellen.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Antriebssystem, mit: einem Brennstoffzellensystem (FCS); einem elektrischen Energiespeichersystem (EESS); und einem elektrischen Traktionssystem (ETS), das auf Leistung von sowohl dem Brennstoffzellensystem als auch dem elektrischen Energiespeichersystem anspricht, wobei das elektrische Traktionssystem bevorzugt Leistung von dem Brennstoffzellensystem aufnimmt, wenn eine Leistungsanforderung von dem elektrischen Traktionssystem oberhalb eines bestimmten Leistungsgrenzwerts liegt, und bevorzugt Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem aufnimmt, wenn die Leistungsanforderung von dem elektrischen Traktionssystem unterhalb des bestimmten Leistungsgrenzwerts liegt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Leistungsgrenzwert durch eine Wirkungsgradkurve des Brennstoffzellensystems, den maximalen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und den Lade/Entlade-Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems bestimmt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei der Leistungsgrenzwert durch die Stelle definiert ist, an der der maximale Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mal dem Lade/Entlade-Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems die Wirkungsgradkurve schneidet.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei Leistung von dem Brennstoffzellensystem dazu verwendet wird, das elektrische Energiespeichersystem zu laden und die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems auf einen vorbestimmten minimalen Ladezustand fällt und die Leistungsanforderung unterhalb des Leistungsgrenzwerts liegt.
Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem wieder dazu verwendet wird, die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn die Leistungsanforderung immer noch unterhalb des Leistungsgrenzwerts liegt und der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems einen vorbestimmten maximalen Ladezustand erreicht.
Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei die Leistung von dem Brennstoffzellensystem, die dazu verwendet wird, die Leistungsanforderung zu erfüllen und das elektrische Energiespeichersystem zu laden, bei einer Leistung für maximalen Brennstoffzellensystemwirkungsgrad bereitgestellt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei Leistung von dem Brennstoffzellensystem nicht unter den Leistungsgrenzwert fällt.
Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte minimale Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems größer als ein echter minimaler Ladezu stand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems eine gewisse Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs aufrecht zu erhalten.
Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei der vorbestimmte maximale Ladezustand kleiner als ein echter maximaler Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um so zu ermöglichen, dass das elektrische Energiespeichersystem jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems eine Leistung aus regenerativem Bremsen abfängt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem und das elektrische Energiespeichersystem beide Leistung an das elektrische Traktionssystem bereitstellen, wenn die Leistungsanforderung größer als eine maximale, von dem Brennstoffzellensystem verfügbare Leistung ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Energiespeichersystem aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Batterie, einen Akkumulator, einen Superkondensator und Kombinationen daraus.
Brennstoffzellenantriebssystem nach Anspruch 1, wobei das Antriebssystem Teil eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs ist.
Antriebssystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, wobei das Antriebssystem umfasst: ein Brennstoffzellensystem; ein elektrisches Energiespeichersystem; und ein elektrisches Traktionssystem, das auf Leistung von sowohl dem Brennstoffzellensystem als auch dem elektrischen Energiespeichersystem anspricht, wobei das elektrische Energiespeichersystem bevorzugt Leistung von dem Brennstoffzellensystem aufnimmt, wenn eine Leistungsanforderung von dem elektrischen Traktionssystem oberhalb eines Leistungsgrenzwert liegt, und bevorzugt Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem aufnimmt, wenn die Leistungsanforderung von dem elektrischen Traktionssystem unterhalb des Leistungsgrenzwerts liegt, wobei der Leistungsgrenzwert durch eine Wirkungsgradkurve des Brennstoffzellensystems, den maximalen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und den Lade/Entlade-Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems bestimmt ist, wobei der Leistungsgrenzwert durch die Stelle definiert ist, an der der maximale Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mal dem Lade/Entlade-Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems die Wirkungsgradkurve schneidet, und wobei Leistung von dem Brennstoffzellensystem dazu verwendet wird, das elektrische Energiespeichersystem zu laden und die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems auf einen vorbestimmten minimalen Ladezustand fällt und die Leistungsanforderung unter dem Leistungsgrenzwert liegt.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem wieder dazu verwendet wird, die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn die Leistungsanforderung immer noch unter dem Leistungsgrenzwert liegt und der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems einen vorbestimmten maximalen Ladezustand erreicht.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei die Leistung von dem Brennstoffzellensystem, die dazu verwendet wird, die Leistungsanforderung zu erfüllen und das elektrische Energiespeichersystem zu laden, bei einer Leistung für maximalen Brennstoffzellensystemwirkungsgrad bereitgestellt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei Leistung von dem Brennstoffzellensystem nicht unter den Leistungsgrenzwert fällt.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei der vorbestimmte minimale Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems größer als ein echter minimaler Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems eine gewisse Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs aufrecht zu erhalten.
Antriebssystem nach Anspruch 14, wobei der vorbestimmte maximale Ladezustand kleiner als ein echter maximaler Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um so zu ermöglichen, dass das elektrische Energiespeichersystem jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems Leistung aus regenerativem Bremsen abfängt.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei das Brennstoffzellensystem und das elektrische Energiespeichersystem beide Leistung an das elektrische Traktionssystem bereitstellen, wenn die Leistungsanforderung größer als eine maximale, von dem Brennstoffzellensystem verfügbare Leistung ist.
Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei das elektrische Energiespeichersystem aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Batterie, einen Akkumulator, einen Superkondensator und Kombinationen daraus.
Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsverteilung zwischen einem Brennstoffzellensystem und einem elektrischen Energiespeichersystem in einem Antriebssystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Leistungsgrenzwert definiert wird; bevorzugt Leistung von dem Brennstoffzellensystem verwendet wird, wenn eine Leistungsanforderung von einem elektrischen Traktionssystem oberhalb des Leistungsgrenzwerts liegt; und bevorzugt Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem verwendet wird, wenn die Leistungsanforderung von dem elektrischen Traktionssystem unterhalb des Leistungsgrenzwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Definieren eines Leistungsgrenzwertes eine Verwendung einer Wirkungsgradkurve des Brennstoffzellensystems, des maximalen Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems und des Lade/Entlade-Wirkungsgrades des elektrischen Energiespeichersystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Definieren eines Leistungsgrenzwertes umfasst, dass die Stelle definiert wird, an der der maximale Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mal dem Lade/Entlade-Wirkungsgrad des elektrischen Energiespeichersystems die Wirkungsgradkurve schneidet.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem Brennstoffzellensystem und das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem umfasst, dass Leistung von dem Brennstoffzellensystem verwendet wird, um das elektrische Energiespeichersystem zu laden und die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems auf einen vorbestimmten minimalen Ladezustand fällt und die Leistungsanforderung unter dem Leistungsgrenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem Brennstoffzellensystem und das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem umfasst, dass das elektrische Energiespeichersystem verwendet wird, um die Leistungsanforderung bereitzustellen, wenn die Leistungsanforderung immer noch unter dem Leistungsgrenzwert liegt und der Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems einen vorbestimmten maximalen Ladezustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem Brennstoffzellensystem umfasst, dass die Leistung von dem Brennstoffzellensystem verwendet wird, um bei einer Leistung für maximalen Brennstoffzellensystemwirkungsgrad die Leistungsanforderung zu erfüllen und das elektrische Energiespeichersystem zu laden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem Brennstoffzellensystem umfasst, dass nicht zugelassen wird, dass Leistung von dem Brennstoffzellensystem unter den Leistungsgrenzwert fällt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der vorbestimmte minimale Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems größer als ein echter minimaler Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems eine gewisse Beschleunigungsfähigkeit aufrecht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der vorbestimmte maximale Ladezustand kleiner als ein echter maximaler Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ist, um so zu ermöglichen, dass das elektrische Energiespeichersystem jederzeit während des Betriebs des Antriebssystems Leistung aus regenerativem Bremsen abfangen kann.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem Brennstoffzellensystem und das bevorzugte Verwenden von Leistung von dem elektrischen Energiespeichersystem umfasst, dass Leistung von sowohl dem Brennstoffzellensystem als auch dem elektrischen Energiespeichersystem verwendet wird, wenn die Leistungsanforderung größer als eine maximale, von dem Brennstoffzellensystem verfügbare Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das elektrische Energiespeichersystem aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Batterie, einen Akkumulator, einen Superkondensator und Kombinationen daraus.