DE102011103949A1

DE102011103949A1 - Verwendung von Nutzbremsleistung zum System-Neustart in einem Start/Stopp-Betrieb von Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen

Info

Publication number: DE102011103949A1
Application number: DE102011103949A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schaffnit
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2011-12-29
Also published as: CN105449245A; CN102290585A; US9912025B2; US20110311894A1; CN105449245B

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Starten eines Brennstoffzellenstapels zum System-Neustart während eines Start/Stopp-Betriebes eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuges offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Brennstoffzellenstapel für den Start/Stopp-Betrieb von einer Hochspannungsbusleitung getrennt wird und eine durch ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellte Nutzbremsleistung verwendet wird, um eine Batterie in dem Hybridfahrzeug während des Start/Stopp-Betriebes wieder aufzuladen. Das Verfahren umfasst auch, dass der Brennstoffzellenstapel wieder mit der Hochspannungsbusleitung verbunden wird und zumindest etwas von der Nutzbremsleistung von dem elektrischen Antriebssystem an einen Verdichter bereitgestellt wird, der Kathodenluft an den Brennstoffzellenstapel bereitstellt, wenn der Stapel am Ende des Start/Stopp-Betriebes wieder mit der Hochspannungsbusleitung verbunden ist. Ein bidirektionaler Gleichstromwandler verteilt die Leistung selektiv an den Verdichter und die Batterie.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Starten eines Brennstoffzellenstapels und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung während eines Start/Stopp-Betriebes eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuges, um einen Brennstoffzellenstapel neu zu starten.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel eine wieder aufladbare Zusatz-Hochspannungsleistungsquelle wie z. B. eine Gleichstrombatterie oder einen Ultrakondensator verwenden. Die Leistungsquelle stellt zusätzliche Leistung für die verschiedenen Fahrzeugzusatzlasten, für die System-Inbetriebnahme und während Hochleistungsanforderungen bereit, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung bereitzustellen. Im Spezielleren stellt der Brennstoffzellenstapel Leistung an einen elektrischen Antriebsmotor bereit, der das Fahrzeug und weitere Fahrzeugsysteme über einen Hochspannungsbus für einen Fahrzeugbetrieb antreibt. Die Batterie stellt die zusätzliche Leistung an den Spannungsbus während jener Zeiten bereit, wenn zusätzliche Leistung benötigt wird, die darüber hinausgeht, was der Stapel bereitstellen kann, wie z. B. während einer starken Beschleunigung. Der Brennstoffzellenstapel kann z. B. eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Eine Fahrzeugbeschleunigung kann jedoch 100 kW oder mehr Leistung erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird verwendet, um die Batterie zu jenen Zeiten wieder aufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, der Systemleistungsanforderung nachzukommen.
Eine Nutzbremsung kann bewirken, dass der elektrische Antriebsmotor in dem Elektrohybridfahrzeug als Generator arbeitet, um die Rotationsenergie von den Fahrzeugrädern in elektrische Leistung umzuwandeln, die verwendet werden kann, um die Batterie auf eine Fachleuten gut bekannte Weise aufzuladen. Allerdings ist in bekannten Elektrofahrzeugen die Abnahme von Nutzbremsleistung während Brennstoffzellensystemstarts verhindert.
Einige Hybridfahrzeuge verwenden einen Start/Stopp-Modus, in dem nur Batterieleistung verwendet wird, um den Leistungsbedarf für das Fahrzeug bereitzustellen, wobei der Brennstoffzellenstapel von dem Hochspannungsbus getrennt ist. Der Brennstoffzellenstapel kann z. B. während Leerlaufbedingungen, wenn wenig Leistung benötigt wird, von dem Hochspannungsbus getrennt werden, und der Kathodenverdichter kann abgeschaltet oder zumindest bei einer niedrigen Drehzahl betrieben werden. Des Weiteren kann die Brennstoffzellenstapelleistung während einer längeren Bergabfahrt, bei der eine beträchtliche Nutzbremsung bereitgestellt werden kann, nicht erforderlich sein, und der Brennstoffzellenstapel kann von dem Hochspannungsbus für zumindest eine bestimmte Zeitdauer getrennt sein.
An einem bestimmten Punkt wird es notwendig, den Brennstoffzellenstapel wieder mit dem Hochspannungsbus zu verbinden, da mehr Leistung benötigt wird, die Innentemperatur des Stapels auf eine gewisse minimale Temperatur gefallen ist oder einer gewissen anderen Systemanforderung entsprochen wurde. In bekannten Start/Stopp-Modi wird Batterieleistung verwendet, um den Kathodenverdichter hochzudrehen und weitere elektrische Erfordernisse zu unterstützen, um einen Stapelbetrieb zu beginnen. Wenn sich das Fahrzeug aktuell in einem Nutzbremsmodus befindet, kann es möglich sein, die Nutzleistung zu verwenden, um diese elektrischen Anforderungen zu unterstützen und die Last an der Batterie zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Starten eines Brennstoffzellenstapels für einen System-Neustart während eines Start/Stopp-Betriebes eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuges offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Brennstoffzellenstapel für den Start/Stopp-Betrieb von einem Hochspannungsbus getrennt wird und durch ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellte Nutzbremsleistung verwendet wird, um eine Batterie in dem Hybridfahrzeug während eines Start/Stopp-Betriebes wieder aufzuladen. Das Verfahren umfasst auch, dass der Brennstoffzellenstapel wieder mit dem Hochspannungsbus verbunden wird und zumindest etwas von der Nutzbremsleistung von dem elektrischen Antriebssystem an einen Verdichter bereitgestellt wird, der Kathodenluft an den Brennstoffzellenstapel bereitstellt, wenn der Stapel am Ende des Start/Stopp-Betriebes wieder mit dem Hochspannungsbus verbunden wird. Ein bidirektionaler Gleichstromwandler verteilt die Leistung selektiv an den Verdichter und die Batterie.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Leistungssteuerungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das Steuerkomponenten zur Bereitstellung von Nutzbremsbefehlen umfasst, um den Brennstoffzellenstapel während eines Start/Stopp-Betriebes neu zu starten; und
3 ist ein Graph, der den Bereitschafts-, Neustart- und Hybrid-Betrieb für das in 2 gezeigte Leistungssteuerungssystem zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die sich auf ein System und ein Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Neustart eines Brennstoffzellenstapels während eines Start/Stopp-Modus bezieht, ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen und Verwendungen in keiner Weise einschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems 10 für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug. Das System 10 umfasst einen geteilten Brennstoffzellenstapel 12, der mit Hochspannungsbusleitungen 14 und 16 über Kontaktgeber 18 bzw. 20 elektrisch gekoppelt ist. Es ist auch eine Hochspannungsbatterie 22 elektrisch mit den Hochspannungsbusleitungen 14 und 16 gekoppelt, wobei die Batterie 22 Batteriezellen 24 umfasst, die elektrisch in Serie gekoppelt sind. Ein bidirektionaler Gleichstrom/Gleichstromwandler (BDC) 26 ist elektrisch mit den Busleitungen 14 und 16 gekoppelt, um Leistung zum Aufladen und Entladen der Batterie 22 bereitzustellen, die auf einem anderen Spannungsniveau arbeitet als der Brennstoffzellenstapel 12. Das elektrische System 10 umfasst eine mit den Busleitungen 14 und 16 elektrisch gekoppelte Leistungsmanagement- und -verteilungs(PMD)-Vorrichtung 28, die zusätzliche Systemlasten wie z. B. einen Luftverdichter 30, der Luft an die Kathode des Stapels 12 bereitstellt, mit den Busleitungen 14 und 16 verbindet.
Das elektrische System 10 umfasst auch ein Wechselrichtermodul (PIM) 32, das mit den Busleitungen 14 und 16 und einem Wechselstromantriebsmotor 34, der Teil eines elektrischen Antriebssystems (ETS) ist, welches das Fahrzeug antreibt, elektrisch gekoppelt ist. Das PIM 32 wandelt die Gleichstromspannung auf den Busleitungen 14 und 16 in eine Wechselstromspannung um, die für den Antriebsmotor 34 geeignet ist. Der Antriebsmotor 34 stellt die Antriebsleistung zum Betreiben des Fahrzeuges bereit. Während einer Nutzbremsung bewirkt die Rotationsenergie von den Fahrzeugrädern (nicht gezeigt), dass der Antriebsmotor 34 als ein Generator arbeitet, der elektrischen Strom an die Busleitungen 14 und 16 bereitstellt, welcher von dem BDC 26 verwendet werden kann, um die Batterie 22 auf eine Fachleuten gut bekannte Weise aufzuladen.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungssystems 40 für das elektrische System 10, das einen Brennstoffzellenleistungssystem(FCPS)-Controller 42 und einen Brennstoffzellensystem(FCS)-Controller 46 umfasst. Das System 40 umfasst auch ein elektrisches Antriebssystem (ETS) 44, welches das PIM 32 und den Motor 34 in dem System 10 darstellt. Der Controller 42 umfasst einen BDC-Leistungsbefehl-Berechnungsprozessor 48, der ein Leistungssignal P_ETS von dem ETS 44 auf der Leitung 50 empfängt, das die von der Nutzbremsung des Antriebsmotors 34 verfügbare Leistung kennzeichnet, die zur Verfügung steht, um die Batterie 22 aufzuladen.
Wenn, aus welchem Grund auch immer, eine Anforderung erfolgt, den Brennstoffzellenstapel 12 während eines Stopp/Start-Betriebes neu zu starten, wird ein Leistungssignal P_FCSStartup von dem Controller 46 auf der Leitung 52 bereitgestellt, das kennzeichnet, wie viel Leistung von dem Verdichter 30 benötigt wird, um die gewünschte Menge Luft an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 für eine einwandfreie oder gewünschte Luftströmung zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen. Der Prozessor 48 erzeugt ein Befehlssignal P_BDCCmd auf der Leitung 54, das zu einem BDC 56, der den BDC 26 repräsentiert, gesendet wird und den BDC 56 anweist, die auf den Busleitungen 14 und 16 empfangene Nutzbremsleistung an die Batterie 22 und an den Verdichter 30 auf solch eine Weise zu verteilen, dass der Verdichter 30 die Leistung erhält, die er benötigt, um hochzudrehen, um die Kathodenluft bereitzustellen, wobei die restliche Leistung verwendet wird, um die Batterie 22 aufzuladen. Anders ausgedrückt subtrahiert der Prozessor 48 das Leistungssignal P_FCSStartup von dem Leistungssignal P_ETS, um zu kennzeichnen, wie viel von der Nutzbremsleistung verwendet werden wird, um den Verdichter 30 zu betreiben, und wird den BDC 56 in dem Befehlssignal P_BDCCmd anweisen, diese Leistung an den Verdichter 30 bereitzustellen.
Der Controller 42 umfasst auch einen ETS-Spannungsgrenzen-Berechnungsprozessor 58, der ein Stapelspannungssignal U_stack auf der Leitung 60 von dem Controller 46, welches die Stapelspannung kennzeichnet, und ein ETS-Spannungssignal U_ETS auf der Leitung 62 von dem ETS 44, welches die von der Nutzbremsung bereitgestellte Spannung repräsentiert, empfängt. Um einen kritischen Anstieg der Systemspannung infolge von Fehlern in den Berechnungen und dergleichen zu vermeiden, wo mehr Leistung an die Busleitungen 14 und 16 durch die Nutzbremsleistung bereitgestellt wird als tatsächlich an die Hochspannungsbatterie 22 und/oder den Verdichter 30 übertragen wird, verwendet der Prozessor 48 das Stapelspannungssignal U_stack und das ETS-Spannungssignal U_ETS, um auf der Basis der aktuellen Stapelspannung eine obere Spannungsgrenze U_ETSuplim auf der Leitung 64 zu berechnen, welche die äußerste Spannung kennzeichnet, die das ETS 44 an die Spannungsbusleitungen 14 und 16 bereitstellen kann. Wenn die ETS-Spannung U_ETS die obere Spannungsgrenze U_ETSuplim erreicht, reduziert das ETS 44 intern das tatsächliche Drehmoment des Antriebsmotors 34 und reduziert daher die zurückgewonnene Leistung, um die Nutzbremsspannung unter der Grenze zu halten. Die obere Spannungsgrenze U_ETSuplim auf der Leitung 64 wird auch zur Systemspannungssteuerung verwendet, um den Stapel 12 wieder zu verbinden. Um eine Kontaktgeber-Funkenbildung zu vermeiden, muss der Spannungspegel auf beiden Seiten der Stapelkontaktgeber 18 und 20 während des Schließens der Kontaktgeber in demselben Bereich liegen. Sobald der Stapel 12 mit Wasserstoff und Sauerstoff zum Stapelneustart versorgt ist, steigt die Stapelspannung. Wenn die Stapelspannung über die tatsächliche Systemspannung U_ETS ansteigt, wird die obere Spannungsgrenze U_ETSuplim auf die tatsächliche Stapelspannung (U_ETSuplim = U_stack) festgelegt. Der Spannungspegel auf den Busleitungen 14 und 16 wird der Stapelspannung folgen, so dass die Kontaktgeber 18 und 20 geschlossen werden können, um den Stapel 12 wieder zu verbinden.
3 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse, der Spannung auf der linken vertikalen Achse und der Leistung auf der rechten vertikalen Achse, der mehrere Beziehungen in dem System 10 während einet Bereitschaft im Abschnitt 70, eines Neustarts im Abschnitt 72 und eines Hybrid-Betriebes im Abschnitt 74 zeigt. Die Graphlinie 76 ist die Stapelspannung, die Graphlinie 78 ist die obere Spannungsgrenze, die Graphlinie 80 ist die ETS-Spannung während der Nutzbremsung und die Graphlinie 82 ist der BDC-Leistungsbefehl in Watt, der negativ ist, um anzuzeigen, dass die Leistung in der Batterie 22 gespeichert wird. Diese Graphlinien zeigen, wie das BDC-Leistungsbefehlssignal die obere Spannungsgrenze während des Neustartabschnitts 72 aufrechterhält. Wie offensichtlich, wird während des Neustartabschnitts 72 die Nutzbremsspannung von dem Steuerungssystem 40 unter der oberen Spannungsgrenze gehalten. Sobald die Stapelspannung während des Neustartabschnitts 72 ansteigt, folgt sie im Wesentlichen der Spannung des elektrischen Antriebssystems, um eine Kontaktfunkenbildung zu vermeiden.
Die obige Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Starten eines Brennstoffzellenstapels zum System-Neustart während eines Start/Stopp-Betriebes eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuges, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Brennstoffzellenstapel für den Start/Stopp-Betrieb von einer Hochspannungsbusleitung getrennt wird; eine durch ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellte Nutzbremsleistung verwendet wird, um eine Batterie in dem Hybridfahrzeug wieder aufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel getrennt ist; der Brennstoffzellenstapel wieder mit der Hochspannungsbusleitung verbunden wird; und zumindest etwas von der Nutzbremsleistung von dem elektrischen Antriebssystem an einen Verdichter bereitgestellt wird, der Kathodenluft an den Brennstoffzellenstapel bereitstellt, wenn der Stapel wieder mit der Hochspannungsbusleitung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen von zumindest etwas von der Nutzbremsleistung an den Verdichter umfasst, dass ein Befehlssignal an einen bidirektionalen Gleichstromwandler bereitgestellt wird, der selektiv Leistung an den Verdichter und die Batterie verteilt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine obere Spannungsgrenze bestimmt wird, die eine maximale Busspannung kennzeichnet, und das elektrische Antriebssystem daran gehindert wird, Nutzbremsleistung an die Hochspannungsbusleitung bereitzustellen, welche die obere Spannungsgrenze überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen der oberen Spannungsgrenze umfasst, dass die Stapelspannung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine Brennstoffzellenstapelspannung an einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und eine Busspannung auf der Hochspannungsbusleitung etwa gleich gehalten werden, um eine Stapelkontaktgeber-Funkenbildung zu verhindern.
Verfahren zur Verwendung von Nutzbremsleistung zum Starten eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, wobei das Verfahren umfasst, dass: Nutzbremsleistung von einem elektrischen Antriebssystem an einen Hochspannungsbus bereitgestellt wird; und etwas von der Nutzbremsleistung an dem Hochspannungsbus selektiv an eine Batterie bereitgestellt wird, um die Batterie zu laden, und etwas von der Nutzbremsleistung bereitgestellt wird, um einen Verdichter zu betreiben, der Kathodenluft an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das selektive Bereitstellen der Nutzbremsleistung umfasst, dass ein bidirektionaler Gleichstromwandler verwendet wird, um die Nutzbremsleistung an die Batterie und den Verdichter zu verteilen.
Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner umfasst, dass eine obere Spannungsgrenze definiert wird, die eine maximale Busspannung kennzeichnet, und das elektrische Antriebssystem daran gehindert wird, Nutzbremsleistung an die Hochspannungsbusleitung bereitzustellen, welche die obere Spannungsgrenze überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen der oberen Spannungsgrenze umfasst, dass die Stapelspannung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner umfasst, dass eine Brennstoffzellenstapelspannung an einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und eine Busspannung auf der Hochspannungsbusleitung etwa gleich gehalten werden, um eine Stapelkontaktgeber-Funkenbildung zu verhindern.