DE102011116127A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, welches eine elektrische Antriebsvorrichtung, ein elektrisches Energiespeichermittel und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Brennstoffzelleneinrichtung umfasst, durch adaptives Verlagern eines Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung. Ein zentraler Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine Funktion implementiert wird, die den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung während der Fahrt ohne explizite Kenntnis des künftigen Leistungsanforderungsprofils verlagern kann, so dass im allgemeinen am Ende der Fahrt im Ergebnis eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs erreicht werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, welches eine elektrische Antriebsvorrichtung, ein elektrisches Energiespeichermittel und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Brennstoffzelleneinrichtung umfasst.
  • Um den Verbrauch fossiler Brennstoffe in Kraftfahrzeugen zu reduzieren, wurden von Fahrzeugherstellern in der Vergangenheit zahlreiche Anstrengungen in Forschung und Entwicklung unternommen, um Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzelleneinrichtungen auszustatten. Bei Brennstoffzelleneinrichtungen handelt es sich um elektrochemische Stromerzeuger, die eine chemische Reaktionsenergie, die bei einer chemischen Reaktion von Wasserstoff beziehungsweise einem wasserstoffhaltigen Brennstoff (nachfolgend: Brennstoff) mit einem Oxidationsmittel frei wird, in elektrische Energie umwandeln können. Diese elektrische Energie kann genutzt werden, um eine elektrische Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs sowie andere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs zu betreiben.
  • So genannte Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge, die aus dem Stand der Technik ebenfalls bereits bekannt sind, umfassen eine elektrische Antriebsvorrichtung, die von der Brennstoffzelleneinrichtung gespeist werden kann, sowie ein elektrisches Energiespeichermittel (zum Beispiel mit einer Mehrzahl aufladbarer Batteriezellen, Doppelschichtkondensatoren oder dergleichen), in dem elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf der elektrischen Antriebseinrichtung sowie anderen elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann. Derartige Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge weisen ferner eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Brennstoffzelleneinrichtung auf, in der unter anderem Funktionsalgorithmen für das Energiemanagement implementiert sind, die grundsätzlich ähnlich auch von konventionellen Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt sind. Zu diesen Funktionen (nachfolgend: Hybridfahrzeugfunktionen) können zum Beispiel zählen:
    • – Start-Stop-Funktion,
    • – Rekuperation (Energierückgewinnung, insbesondere Bremsenergierückgewinnung),
    • – dynamisches Boosten,
    • – Generieren elektrischer Energie (und Aufladen des elektrischen Energiespeichermittels),
    • – dauerhaftes Boosten (und Entladen des elektrischen Energiespeichermittels).
  • Diese vorstehend genannten Hybridfahrzeugfunktionen sollen nachfolgend kurz erläutert werden.
  • Bei der Start-Stop-Funktion wird die Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs unter bestimmten Bedingungen (insbesondere in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur) komplett abgeschaltet, wenn keine elektrische Leistungsanforderung vorliegt. Dies kann zum Beispiel bei einem Halt des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs vor einer Ampel oder einem geschlossenen Bahnübergang oder auch während der Fahrt gegeben sein, wenn die elektrische Antriebsvorrichtung keine elektrische Leistung von der Brennstoffzelleneinrichtung benötigt. Entsprechend wird die Brennstoffzelleneinrichtung wieder gestartet und liefert elektrische Energie, sobald eine Leistungsanforderung (zum Beispiel von der elektrischen Antriebsvorrichtung) vorliegt.
  • Bei der Rekuperation kann zumindest ein Teil der bei einem Bremsvorgang frei werdenden Energie zurückgewonnen und innerhalb des Energiespeichermittels gespeichert werden. Unter dem Gesichtspunkt eines effizienten Energiemanagements sollte sichergestellt werden, dass diese Funktion jederzeit aktiv ist.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs kann unter Umständen die Situation eintreten, dass die Brennstoffzelleneinrichtung innerhalb eines bestimmten Zeitraums die angeforderte elektrische Leistung nicht zur Verfügung stellen kann, da sie zum Beispiel eine gewisse Trägheit aufweist oder aber für den angeforderten Leistungsbedarf überhaupt nicht ausgelegt ist. In derartigen Situationen muss das in der Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs implementierte Energiemanagement durch ein so genanntes „dynamisches Boosten” sicherstellen, dass das elektrische Energiespeichermittel derartige Leistungslücken mit der gespeicherten elektrischen Energie kompensieren kann. Aus diesem Grund wird das dynamische Boosten bis zum Erreichen einer bestimmten Untergrenze SOCu des elektrischen Ladezustands des Energiespeichermittels ermöglicht. Wird diese Untergrenze SOCu unterschritten, wird das dynamische Boosten in der Regel nicht mehr ermöglicht, da für den nächsten Startvorgang des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs eine bestimmte Mindestmenge elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeichermittel vorgehalten werden muss. Anderenfalls bestünde die Gefahr, dass der nächste Startvorgang des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs fehlschlägt.
  • Die Funktion „Generieren” wird immer dann aktiviert, wenn der aktuelle Wert des elektrischen Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels einen definierten unteren Schwellwert SOCu unterschreitet. Es handelt sich dabei um eine Art der Betriebspunktverlagerung, da der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung zu höheren Werten verlagert wird, damit das elektrische Energiespeichermittel aufgeladen werden kann.
  • Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Funktion „Generieren”, die dafür sorgt, dass elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeichermittel anforderbar gespeichert wird, sorgt die Funktion „dauerhaftes Boosten” dafür, dass stets eine vordefinierte, freie Energiespeicherkapazität SOCo in dem elektrischen Energiespeichermittel vorhanden ist. Dies ist wichtig, um zum Beispiel die bei einem bevorstehenden Bremsvorgang frei werdende Energie aufnehmen und speichern zu können. Beim dauerhaften Boosten handelt es sich ebenfalls um eine Art der Betriebspunktverlagerung. Diese Funktion verschiebt im Gegensatz zu der Funktion „Generieren” allerdings den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung nicht nach oben, sondern nach unten, damit das elektrische Energiespeichermittel dazu in der Lage ist, mehr elektrische Leistung abzugeben und freie Energiespeicherkapazitäten zu schaffen. Dabei besteht ein wichtiges Ziel darin, das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug stets in einem rekuperationsfähigen Zustand zu halten, damit die bei einem Bremsvorgang frei werdende Energie zurückgewonnen und innerhalb des elektrischen Energiespeichermittels gespeichert werden kann.
  • Das in der Steuerungseinrichtung implementierte Energiemanagement des Brennstoffzellen Hybridfahrzeugs hat das grundlegende Ziel, den elektrischen Leistungsfluss innerhalb des Kraftfahrzeugs zu koordinieren. Dabei soll in erster Linie gewährleistet werden, dass den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs stets die für ihren Betrieb erforderliche elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird. Um die Hybridfahrzeugfunktionen zur Verfügung stellen zu können, muss das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug ein entsprechend dimensioniertes Energiespeichermittel aufweisen, um zum Beispiel die bei der Bremsenergie-Rekuperation zurückgewonnene Energie speichern zu können. Die Hybridfahrzeugfunktionen hängen insbesondere vom Ladezustand (State of charge SOC) des elektrischen Energiespeichermittels ab.
  • Die Hybridfahrzeugfunktionen können auf unterschiedliche Weise implementiert werden. Die Funktionen „Generieren” und „dauerhaftes Boosten” werden zumeist mit P-Reglern oder PI-Reglern mit entsprechenden SOC-Zielwerten (beziehungsweise SOCu-Werten oder SOCo-Werten) abgebildet. Durch Verschieben der SOC-Zielwerte ist es möglich, eine variable Energiereserve (zum Beispiel in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur) innerhalb des elektrischen Energiespeichermittels vorzuhalten. Ein effizientes Energiemanagement des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs stellt sicher, dass das Fahrzeug rekuperieren und dynamisch boosten kann.
  • Die ebenfalls in der Steuerungseinrichtung implementierten Hybridfahrzeugfunktionen dienen vorwiegend der Steigerung der Energieeffizienz und damit der Reduktion des Brennstoffverbrauchs während des Betriebs des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs. Eine Betriebspunktverlagerung (häufig auch als Lastpunktverschiebung bezeichnet) und ein selektives Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelleneinrichtung sind somit an sich bekannte Funktionen, die im Energiemanagement eines Brennstoffzellenfahrzeugs implementiert sein können. Diese werden genutzt, um den Verbrauch zu reduzieren und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinrichtung insgesamt zu erhöhen. Eine Herausforderung besteht in diesem Zusammenhang darin, die Zielvorgaben umzusetzen, wann und in welchem Maße der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung verlagert beziehungsweise sogar ganz auf null gesetzt wird. Entsprechende Bedingungen, wann und unter welchen Umständen eine gewollte (künstliche) Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt, werden in der Steuerungseinrichtung hinterlegt. Ein übergeordnetes Ziel des Energiemanagements besteht mithin in der Bereitstellung einer bedarfsgerechten Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung, ohne dabei jedoch auf Fahrperformanz, Fahrkomfort und Lebensdauer zu verzichten.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Lösungsansätze bekannt, die sich mit dem Energiemanagement und insbesondere mit der Verbrauchsreduzierung von Hybridfahrzeugen (insbesondere von konventionellen Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren) befassen.
  • Die DE 10 2010 036 148 A1 offenbart einen Lösungsansatz, bei dem Informationen eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs für eine Optimierung des Energiemanagements genutzt werden. Anhand der von einem Benutzer vorgewählten Fahrtstrecke erfolgt eine entsprechende Optimierung des Energiemanagements des Hybridfahrzeugs. Dieser Ansatz basiert auf einem globalen Optimierungsansatz, der detaillierte Kenntnisse über die zurückzulegende Fahrtstrecke erfordert. Um das Leistungsanforderungsprofil über die gesamte Fahrtstrecke abschätzen zu können, werden detaillierte Streckeninformationen (zum Beispiel Informationen über Tempolimits, Steigungen oder Verkehrsstörungen) benötigt. Die Verlässlichkeit derartiger Informationen kann sehr unterschiedlich sein. Je genauer und aktueller die Streckeninformationen sind, desto effizienter kann das Energiemanagement vorgenommen werden. Wenn die Informationen umgekehrt jedoch sehr ungenau sind, hat dies negative Folgen für die Effizienz des Energiemanagements. Weitere Probleme können sich dadurch ergeben, dass der Fahrer des Fahrzeugs überhaupt kein Fahrtziel in das Navigationssystem seines Fahrzeugs eingibt oder aber von der vom Navigationssystem vorgeschlagenen Route abweicht.
  • Um eine effiziente Verbrauchsreduzierung auch ohne dezidierte Streckeninformationen realisieren zu können, müssen „globale” Optimierungsvariablen durch „lokale” Optimierungsvariablen ersetzt werden, damit eine Steuerung des Energiemanagements in Echtzeit möglich ist. Einen entsprechenden Lösungsansatz offenbart der Artikel von A. Fadel et al. „An experimental and analytical comparison study of power management methodologies of fuel cell-battery vehicles" (in: Journal of Power Sources 196 (2011), S. 3271–3279). Dieser Ansatz befasst sich mit der momentanen Reduzierung des Gesamtverbrauchs des für den Betrieb des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs benötigten Brennstoffs. Zu diesem Zweck wird eine so genannte äquivalente Wasserstoffleistung des Energiespeichermittels definiert. Zur Bestimmung der äquivalenten Wasserstoffleistung eines reversiblen Energiespeichermittels, wie zum Beispiel einer Batterie, ist neben der Kenntnis des gegenwärtigen Ladeverlustes auch die Kenntnis vorheriger Ladeverluste des elektrischen Energiespeichermittels erforderlich. Für eine effiziente Verlagerung des Arbeitspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung ist ein derartiges Verfahren daher ungeeignet.
  • Ein weiterer Ansatz zur Optimierung des Energiemanagements eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs wird in dem Artikel von P. Rodatz et al. „Optimal power management of an experimental fuel cell/supercapacitor-powered hybrid vehicle" (in: Control Engineering Practice 13 (2005) S. 41–53) beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf einer Kostenfunktion, wobei zur Bestimmung der Kostenfunktion auf einen Vergleich des aktuellen Fahrzustands mit vorhergehenden, im Fahrzeug gespeicherten Zyklen zurückgegriffen wird. Ein derartiges Verfahren mit zyklusabhängigen. Werten zur Betriebspunktverlagerung liefert ebenfalls kein unter allen Umständen optimales Energiemanagement.
  • Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besteht zudem das Problem, dass das Abschalten der Brennstoffzelleneinrichtung sowie das Fahren mit abgeschalteter Brennstoffzelleneinrichtung bei den Verfahren zur Betriebspunktverlagerung überhaupt nicht berücksichtigt werden.
  • Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs anzugeben, welches bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ein optimiertes Energiemanagement und dadurch eine Reduktion des Brennstoffverbrauchs für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs umfasst die Schritte
    • – Bestimmen einer momentanen Leistungsanforderung Po(t) elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs,
    • – Bestimmen eines momentanen Ladezustands SOC(t) des elektrischen Energiespeichermittels,
    • – Bestimmen der Sollwerte eines spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) und Δbsoll,Absenken(t) für das Anheben und das Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC(t) des elektrischen Speichermittels, wobei der spezifische Wasserstoffverbrauch als Quotient der Änderung des Brennstoffverbrauchs und der Änderung der elektrischen Leistung bei der Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung definiert ist,
    • – Bestimmen der Sollwerte der durch das Anheben und Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung hervorgerufenen Leistungsänderungen ΔPsoll,Anheben(t) = f2(P0(t), Δbsoll,Anheben(t)) und ΔPsoll,Absenken(t) = f2(P0(t), Δbsoll,Absenken(t)),
    • – Anheben des Betriebspunktes, wenn bei gegebener Leistungsanforderung P0(t) dem spezifischen Wasserstoffverbrauch Δbsoll,Anheben(t) ein Sollwert ΔPsoll,Anheben(t) > 0 zugeordnet werden kann, oder Absenken des Betriebspunktes, wenn bei gegebener Leistungsanforderung P0(t) dem spezifischen Wasserstoffverbrauch Δbsoll,Absenken(t) ein Sollwert ΔPsoll,Absenken(t) < 0 zugeordnet werden kann, wobei
      Figure 00070001
      ist, wobei EAbsenken(t) und EAnheben(t) die Energiemengen beim Absenken und Anheben des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung, mAbsenken(t) die eingesparte Brennstoffmenge für das Absenken des Betriebspunktes, mAnheben(t) die verbrauchte Brennstoffmenge für das Anheben des Betriebspunktes und η den Wirkungsgrad der Lade-Entladekette beim bisherigen Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichermittels bezeichnen,
    • – Berechnen des Sollwerts der Leistungsanforderung der Brennstoffzelleneinrichtung PSoll(t) = P0(t) + ΔPsoll,Generieren(t) + ΔPsoll,Dauerboosten(t) + ΔPsoll,Anheben(t) + ΔPsoll,Absenken(t), wobei ΔPsoll,Absenken(t) = 0 gesetzt wird, wenn der Betriebspunkt angehoben wird, und ΔPsoll,Anheben(t) = 0 gesetzt wird, wenn der Betriebspunkt abgesenkt wird, und wobei ΔPsoll,Generieren(t) der Sollwert der durch Generieren hervorgerufenen Leistungsänderung ist und ΔPsoll,Dauerboosten(t) der Sollwert der durch dauerhaftes Boosten hervorgerufenen Leistungsänderung ist,
    • – Kompensieren einer Differenz zwischen der momentanen Leistungsanforderung Po(t) und dem Sollwert der Leistungsenforderung der Brennstoffzelleneinrichtung PSoll(t) durch Aufladen oder Entladen des elektrischen Energiespeichermittels.
  • Ein zentraler Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine zusätzliche Funktion implementiert wird, die den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung während der Fahrt ohne explizite Kenntnis des künftigen Leistungsanforderungsprofils künstlich verlagern kann, so dass im Ergebnis am Ende der Fahrt eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs erreicht werden kann. Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung auch auf null verlagert werden kann, so dass das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug auch mit abgeschalteter Brennstoffzelleneinrichtung betrieben werden kann. Die Sollwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) sind die Zielgrößen für die Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung. Diese Werte geben an, wie günstig oder ungünstig eine Verlagerung (Anhebung oder Absenkung) des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung ist. Es zeigt sich, dass der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes nicht überall konstant ist. Im Allgemeinen ist Δb geringer bei vergleichsweise geringen Leistungsanforderungen Po. Anschaulich bedeutet dies, dass eine Anhebung des Betriebspunktes (ΔP > 0) beziehungsweise das Aufladen des elektrischen Energiespeichermittels bei geringen Leistungsanforderungen Po unter dem Aspekt des Brennstoffverbrauchs offenbar energetisch günstiger ist als bei hohen Leistungsanforderungen. Bei steigenden Leistungsanforderungen ist somit der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes relativ hoch. Es zeigt sich, dass besonders höhe Werte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes auch bei geringen Leistungsanforderungen Po bestehen, sofern die Brennstoffzellerteinrichtung abgeschaltet ist. Deshalb kann eine Absenkung des Betriebspunktes (ΔP < 0) beziehungsweise das Entladen des Energiespeichermittels mehr Brennstoff einsparen, wenn diese Absenkung bei hohen Leistungsanforderungen Po oder aber bei sehr geringen Leistungsanforderungen Lind abgeschalteter Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt. Im Ergebnis ist es möglich, dass am Ende einer Fahrt eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs realisiert werden kann, sofern das Aufladen des Energiespeichermittels (beziehungsweise Anheben des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneirtrichtung) unter energetisch günstigen Bedingungen erfolgt ist und das Entladen (beziehungsweise Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung) unter energetischen Aspekten wirtschaftlich erfolgt ist.
  • Eine Bedingung für eine Verbrauchsreduzierung ist, dass die Lade- beziehungsweise Entladeverluste für eine bestimmte Energiemenge durch die Brennstoffeinsparung kompensiert werden können. Derartige Verluste können zum Beispiel durch einen DC-DC-Wandler hervorgerufen werden, der in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug zwischen die Brennstoffzelleneinrichtung und das elektrische Energiespeichermittel geschaltet ist. Zusätzlich können zum Beispiel Verkabelungen oder das elektrische Energiespeichermittel selbst elektrische Leistungsverluste hervorrufen. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass sich der Wirkungsgrad η der Lade-Entlade-Kette während des Betriebs des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs ändern kann. Daher wird der Wirkungsgrad η vorzugsweise kontinuierlich bestimmt und kann insbesondere in einem Speichermittel abrufbar gespeichert werden. ΔPsoll,Absenken(t) und ΔPsoll,Dauerboosten(t) sind stets kleiner oder gleich null. Demgegenüber sind ΔPsoll,Anheben(t) und ΔPsoll,Generieren(t) stets größer oder gleich null. Wenn SOC(t) zwischen einer oberen SOC-Grenze (SOCo) und einer unteren SOC-Grenze (SOCu) liegt, sind ΔPsoll,Dauerboosten(t) und ΔPsoll,Generieren(t) gleich null. Wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung angehoben wird, ist ΔPsoll,Absenken(t) = 0, und wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung abgesenkt wird, ist ΔPsoll,Anheben(t) = 0, da entweder ein Anheben oder aber ein Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt. PSoll(t) selbst ist stets > 0.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass
    • – die eingesparten Brennstoffmengen bei der Absenkung des Betriebspunkts mAbsenken(t) sowie die mehr verbrauchten Brennstoffmengen bei der Anhebung des Betriebspunkts mAnheben(t) während des Betriebs der Brennstoffzelleinrichtung in Echtzeit mit Hilfe von Ist-Werten des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δbist,Absenken und Δbist,Anheben sowie Ist-Werten der Leistungsverlagerungen ΔPist,Anheben und ΔPist,Absenken bestimmt und gespeichert werden und
    • – die Energiemengen EAbsenken(t) und EAnheben(t) beim Absenken und Anheben des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung mit Hilfe von Ist-Werten der Leistungsverlagerunger ΔPist,Anheben und ΔPist,Absenken bestimmt und gespeichert werden. Die tatsächliche Menge des eingesparten Brennstoffs bei der Absenkung des Betriebspunkts mAbsenken(t) sowie die tatsächliche Menge des verbrauchten Brennstoffs bei der Anhebung des Betriebspunkts mAnheben(t) können insbesondere anhand der nachfolgend aufgeführten Gleichungen bestimmt werden: mAbsenken(t) = ∫Δbist,Absenken(t)·ΔPist,Absenken(t)·dt und mAnheben(t) = ∫Δbist,Anheben(t)·ΔPist,Anheben(t)·dt
  • Die Energiemengen können insbesondere anhand der nachfolgendes Gleichungen bestimmt werden: EAbsenken(t) = ∫ΔPist,Absenken(t)·dt EAnheben(t) = ∫ΔPist,Anheben(t)·dt
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass anhand der Brennstoffmengen mAbsenken(t), mAnheben(t) und der Energiemengen EAbsenken(t), EAnheben(t) Mittelwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb ist,Absenken(t), Δb ist,Anheben(t) für das Absenken und Anheben des Betriebspunktes berechnet werden und dass bei der Bestimmung der Sollwerte Δbsoll,Anheben(t), Δbsoll,Absenken(t) für das Anheben und Absenken des Betriebspunktes das Kriterium Δb ist,Absenken(t)·η ≥ Δb ist,Anheben(t) erfüllt wird. Die miteinander in Beziehung gesetzten Mittelwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs geben an, wie profitabel oder energetisch günstig bis zu einem bestimmten Zeitpunkt der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung verlagert (angehoben und/oder abgesenkt) wurde. Bei der Bestimmung der Sollwerte Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) wird dieses Kriterium entsprechend berücksichtigt.
  • Um den Rechenaufwand bei der Durchführung des Verfahrens zu verringern, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb der Betriebspunktverlagerung für Leistungsanforderungen Po zwischen 0% und 100% und Leistungsverschiebungen ΔP zwischen –100% und +100% berechnet wird und in einem Speichermittel, insbesondere als Nachschlagetabelle, abrufbar gespeichert wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass Δbsoll,Absenken(t) adaptiv zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbauchs Δb definierten Grenzen Δbsoll,Absenken,max(t) = Δbmax und Δbsoll,Absenken,min(t) = Δbmin· 1 / η variiert wird, wobei Δbmax und Δbmin das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Betriebspunktverlagerung angeben. Wenn der Sollwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs für die Betriebspunktabsenkung eher gering ist, wird die Absenkung des Betriebspunktes (Entladen des elektrischen Energiespeichermittels) gefördert.
  • Vorzugsweise kann Δbsoll,Absenken(t) durch eine lineare Interpolation mit
    Figure 00100001
    bestimmt werden, wobei SOCu eine untere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist und SOCo eine obere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsfarm besteht die Möglichkeit, dass Δbsoll,Anheben(t) zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δb definierten Grenzen Δbsoll,Anheben,max(t) = Δb ist,Absenken(t)·η und Δbsoll,Anheben,min(t) = Δbmin variiert wird, wobei Δbmin das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Betriebspunktverlagerung und Δb ist,Absenken(t) einen zeitlichen Mittelwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Absenkung des Betriebspunktes bezeichnen.
  • Vorzugsweise kann Δbsoll,Anheben(t) durch eine lineare Interpolation mit
    Figure 00110001
    bestimmt werden, wobei SOCu eine untere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist und SOCo eine obere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist. Wenn der Sollwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs für die Betriebspunktanhebung eher hoch ist, wird die Anhebung des Betriebspunktes (Laden des elektrischen Energiespeichermittels) gefördert.
  • Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass eine lineare Interpolation des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) rechnerisch relativ einfach handhabbar ist. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, ist es möglich, zu diesem Zweck auch komplexere Berechnungsalgorithmen zu verwenden. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang, dass sich die Werte für Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) mit steigendem Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichermittels verringern und mit sinkendem Ladezustand SOC erhöhen.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass die momentane elektrische Leistungsanforderung Po(t) anhand einer Pedalstellung eines Gaspedals des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs sowie anhand von Komponentenwirkungsgraden elektrischer Komponenten des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs berechnet wird. Dadurch kann auf einfache Weise eine Bestimmung der momentanen Leistungsanforderung Po(t) elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs erfolgen.
  • Um das hier vorgestellte Verfahrenskonzept für ein effizienteres Energiemanagement auch auf ein so genanntes Plug-In-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das zum Aufladen des elektrischen Energiespeichermittels an eine elektrische Ladestation angeschlossen werden kann, zu erweitern, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass während des Betriebs der Brennstoffzelleneinrichtung eine Obergrenze des elektrischen Ladezustands des elektrischen Speichermittels SOCo(t) = SOCo – ΔSOC(sL(t)), wobei sL(t) die Entfernung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs zu einer Ladestation ist, derart verschoben wird, dass das elektrische Energiespeichermittel umso mehr entladen wird, je kürzer die Entfernung sL(t) zur Ladestation ist. Bei diesem Gestaltungsansatz spielt die Entfernung sL zur Ladestation eine wesentliche Rolle. Für eine möglichst effiziente und damit kostengünstige Fahrt zur Ladestation muss das Energiemanagement des Plug-In-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs dafür sorgen, dass des elektrische Energiespeichermittel bei Erreichen der Ladestation zumindest weitgehend leer ist. Dadurch wird eine hinsichtlich des Brennstoffmittelverbrauchs sparsamere Fahrt ermöglicht. Eine kritische Untergrenze (SOCu) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels sollte in diesem Zusammenhang vorzugsweise jedoch nicht unterschritten werden. Durch eine systematische (zeitabhängige) Verringerung der oberen Ladungsgrenze SOCo während der Fahrt kann erreicht werden, dass das elektrische Energiespeichermittel nach und nach entladen wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorlegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines Funktionsablaufs eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels mit den Hybridfunktionen des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs,
  • 3a und 3b eine zweidimensionale beziehungsweise dreidimensionale Darstellung eines spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei einer Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung Po und der Leistungsverschiebung ΔP.
  • 1 zeigt schematisch einen Funktionsablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs. Das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug umfasst eine elektrische Antriebsvorrichtung, ein elektrisches Energiespeichermittel zum Speichern elektrischer Energie sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Brennstoffzelleneinrichtung. Durch adaptives Verlagern (Anheben und/oder Absenken) eines Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung kann dabei der Brennstoffverbrauch des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs effizient verringert werden.
  • Ein wesentliches Merkmal des hier vorgestellten Verfahrens besteht darin, dass eine zusätzliche Funktion implementiert wird, die den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs während der Fahrt ohne explizite Kenntnis des künftigen Leistungsanforderungsprofils künstlich verlagern kann, so dass im Ergebnis am Ende der Fahrt eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs erreicht werden kann. Die aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Hybridfahrzeugfunktionen wie zum Beispiel das Generieren oder das dynamische Boosten, werden bei dem hier vorgestellten Verfahren vorzugsweise ebenfalls implementiert und so abgebildet, dass es möglichst viel freie Energiespeicherkapazität im elektrischen Energiespeichermittel für die adaptive Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung gibt. Diese Hybridfahrzeugfunktionen werden vorzugsweise nur dann aktiviert, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichermittels eine kritische Untergrenze SOCu unterschreitet beziehungsweise eine kritische Obergrenze SOCo überschreitet. Die in der Steuerungseinrichtung implementierten Funktionen „Generieren” und „dauerhaftes Boosten” sind zwei Funktionen, die aktiviert werden können, ohne dass dabei der Brennstoffverbrauch berücksichtigt wird. Um das Brennstoffeinsparpotential bei der adaptiven Betriebspunktverlagerung gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren hoch zu halten, liegen die SOC-Grenzen (SOCu beziehungsweise SOCo) für diese beiden Funktionen vorteilhaft möglichst wert auseinander, so dass – wie in 2 veranschaulicht – ein „freier” SOC-Bereich zwischen diesen beiden SOC-Grenzen für eine adaptive Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Ferner können zum Beispiel auch die folgenden Hybridfahrzeugfunktionen implementiert sein:
    • – Start-Stop-Funktion,
    • – Rekuperation (Energierückgewinnung, insbesondere Bremsenergierückgewinnung),
    • – dynamisches Boosten.
  • Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird zwischen einer Anhebung und einer Absenkung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung differenziert. Die untere SOC-Grenze (SOCu) für die adaptive Betriebspunktanhebung kann bis zum Bereich „Generieren” verschoben werden, weil diese beiden Funktionen dazu tendieren, das elektrische Speichermittel aufzuladen. In ähnlicher Weise kann die obere SOC-Grenze (SOCo) für die adaptive Betriebspunktabsenkung bis zum Bereich „dauerhaftes Boosten” verschoben werden, da diese beiden Funktionen dazu tendieren, das elektrische Speichermittel zu entladen.
  • Das in der Steuerungseinrichtung implementierte Energiemanagement bestimmt die Leistungsanforderung PSoll(t) der Brennstoffzelleneinrichtung als Summe der momentanen Leistungsanforderung Po(t) und des Sollwerts für eine künstliche Leistungsverlagerung ΔPsoll(t), wobei sich der Sollwert der Leistungsverlagerung aus vier Summanden zusammensetzt, die sich auf die Betriebspunktabsenkung einerseits sowie auf die Betriebspunktanhebung andererseits sowie auf das Generieren und das dauerhafte Boosten beziehen. Es gilt somit: PSoll(t) = Po(t) + ΔPsoll(t) = Po(t) + ΔPsoll,Generieren(t) + ΔPsoll,Dauerboosten(t) + ΔPsoll,Anheben(t) + ΔPsoll,Absenken(t) (1)
  • ΔPsoll,Generieren(t) bezeichnet dabei den Sollwert der durch Generieren hervorgerufenen Leisturtgsänderung. ΔPsoll,Dauerboosten(t) ist der Sollwert der durch dauerhaftes Boosten hervorgerufenen Leistungsänderung. Dabei sind ΔPsoll,Absenken(t) und ΔPsoll,Dauerboosten(t) stets kleiner oder gleich null. Demgegenüber sind ΔPsoll,Anheben(t)und ΔPsoll,Generieren(t) stets größer oder gleich null. Wenn SOC(t) zwischen der oberen SOC-Grenze (SOCo) und der unteren SOC-Grenze (SOCu) liegt, sind ΔPsoll,Dauerboosten(t) und ΔPsoll,Generieren(t) gleich null. Wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung angehoben wird, ist ΔPsoll,Absenken(t) = 0, und wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung abgesenkt wird, ist ΔPsoll,Anheben(t) = 0, da entweder ein Anheben oder aber ein Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt. PSoll(t) ist stets > 0.
  • Die momentane elektrische Leistungsanforderung Po(t) kann vorteilhaft anhand der Pedalstellung des Gaspedals des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs sowie anhand von Komponentenwirkungsgraden elektrischer Komponenten des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs berechnet werden und dem Energiemanagement zur Verfügung gestellt werden. Von besonderer Wichtigkeit ist es in diesem Zusammenhang, die Sollwerte für die Leistungsverlagerungen ΔPsoll,Anheben(t) und ΔPsoll,Absenken(t) zu bestimmen. Um eine Optimierung in Echtzeit durchführen zu können, wird bei dem hier vorgestellten Verfahren ein neuer Parameter verwendet, der die Änderung des spezifischen Wasserstoffverbrauchs während einer Verlagerung des Betriebspunktes quantifizieren kann. Zu diesem Zweck wird bestimmt, wie sich bei unterschiedlichen Betriebspunkten eine Verlagerung des Betriebspunktes (Anheben oder Absenken) auf den Brennstoffverbrauch auswirkt. Eine Änderung des Betriebspunktes kann entweder zu einem Mehrverbrauch oder zu einer Einsparung von Brennstoff führen. Dabei ist zu beachten, dass der Brennstoffverbrauch der
  • Brennstoffzelleneinrichtung typischerweise nicht-linear ansteigt, wenn die elektrische Leistung zunimmt.
  • Die leistungsabhängige Änderung des Wasserstoffverbrauchs Δṁ = ∫1(P) bei einer Verlagerung des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung ergibt sich aus der Differenz des Wasserstoffverbrauchs bei verschobenem Betriebspunkt und des Wasserstoffverbrauchs bei nicht verschobenem Betriebspunkt zu Δm = ṁverschoben – ṁumwerschoben = ∫1(P0 + ΔP) – ∫1(P0) (2)
  • Die Gleichung (2) definiert die Änderung des Wasserstoffverbrauchs bei einer Verlagerung des Betriebspunktes, die einerseits von der Leistungsanforderung Po und andererseits auch von der Leistungsverlagerung ΔP abhängt. In Abhängigkeit davon, ob durch eine Leistungsverlagerung ΔP mehr oder weniger Brennstoff verbraucht wird als für die Leistungsanforderung Po kann die Änderung des Brennstoffverbrauchs ein positives oder negatives Vorzeichen haben. Der Brennstoffverbrauch kann mit anderen Worten also zunehmen oder abnehmen.
  • Der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb wird definiert als Quotient der Änderung des Brennstoffverbrauchs und der Änderung der elektrischen Leistung bei der Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung. Es gilt also: Δb = Δṁ / ΔP (3)
  • Der spezifische Brennstoffverbrauch Δb bei einer Änderung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung hat folglich die physikalische Einheit [g/kWs] beziehungsweise [g/kWh.]
  • Es ist möglich, den spezifischen Wasserstoffverbrauch bei einer Betriebspunktverlagerung für jede Leistungsanforderung Po zwischen 0% und 100% und jede mögliche Leistungsverschiebung ΔP zwischen –100% und +100% zu berechnen. 3a und 3b zeigen exemplarisch eine zweidimensionale beziehungsweise dreidimensionale Darstellung des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei einer Betriebspunktverlagerung in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung Po und der Leistungsverschiebung ΔP. Vorzugsweise werden die berechneten Werte für den spezifischen Wasserstoffverbrauch Δb bei einer Betriebspunktverlagerung in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung Po und der Leistungsverschiebung ΔP in einem Speichermittel der zentralen Steuerungseinrichtung, insbesondere als Nachschlagetabelle, gespeichert. Dadurch kann der Rechenaufwand wirksam verringert werden, da die Zahlenwerte für den spezifischen Wasserstoffverbrauch Δb nur ein einziges Mal berechnet werden müssen und danach abrufbar in dem Speichermittel gespeichert sind.
  • Mit der Kenntnis des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei einer Betriebspunktverlagerung kann die Bestimmung der Sollwerte für die Leistungsverlagerung ΔPsoll,Anheben(t) beziehungsweise ΔPsoll,Absenken(t) in eine Bestimmung der Sollwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) konvertiert werden.
  • Es gelten folgende Beziehungen: ΔPsoll,Anheben(t) = f2(P0(t), Δbsoll,Anheben(t)) (4) ΔPsoll,Absenken(t) = f2(P0(t), Δbsoll,Absenken(t)) (5)
  • Die Sollwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) sind die Zielgrößen für die Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung. Diese Werte geben an, wie günstig oder ungünstig eine Verlagerung (Anhebung oder Absenkung) des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung ist.
  • Aus 3a und 3b wird deutlich, dass der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes nicht überall konstant ist. Im Allgemeinen ist Δb geringer bei vergleichsweise geringen Leistungsanforderungen Po. Anschaulich bedeutet dies, dass eine Anhebung des Betriebspunktes (ΔP > 0) beziehungsweise das Aufladen des elektrischen Speichermittels bei geringen Leistungsanforderungen Po unter dem Aspekt des Brennstoffverbrauchs offenbar energetisch günstiger ist als bei hohen Leistungsanforderungen.
  • Bei steigenden Leistungsanforderungen ist somit der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes relativ hoch. Es zeigt sich, dass besonders hohe Werte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei der Verlagerung des Betriebspunktes auch bei geringen Leistungsanforderungen Po bestehen, sofern die Brennstoffzelleneinrichtung abgeschaltet ist. Deshalb kann eine Absenkung des Betriebspunktes (ΔP < 0) beziehungsweise das Entladen des Energiespeichermittels mehr Brennstoff einsparen, wenn diese Absenkung bei hohen Leistungsanforderungen Po oder aber bei sehr geringen Leistungsanforderungen und abgeschalteter Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt.
  • Im Ergebnis ist es möglich, dass am Ende einer Fahrt eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs realisiert werden kann, sofern das Aufladen des Energiespeichermittels (beziehungsweise Anheben des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung) unter energetisch günstigen Bedingungen erfolgt ist und das Entladen (beziehungsweise Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung) unter energetischen Aspekten wirtschaftlich erfolgt ist.
  • Eine Bedingung für eine Verbrauchsreduzierung ist, dass die Lade- beziehungsweise Entladeverluste für eine bestimmte Energiemenge durch die Brennstoffeinsparung kompensiert werden können. Derartige Verluste können zum Beispiel durch einen DC-DC-Wandler hervorgerufen werden, der in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug zwischen die Brennstoffzelleneinrichtung und das elektrische Energiespeichermittel geschaltet ist. Zusätzlich können zum Beispiel Verkabelungen oder das elektrische Energiespeichermittel selbst Leistungsverluste hervorrufen. Unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad η der Lade-Entladekette sowohl beim Laden, als auch beim Entladen des elektrischen Energiespeichermittels gleich groß ist, ergibt sich folgendes Kriterium für eine Verbrauchsreduzierung, das auch in Echtzeit angewandt werden kann:
  • Figure 00170001
  • Dabei bezeichnen EAbsenken(t) und EAnheben(t) die Energiemengen beim Absenken beziehungsweise Anheben des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung, mAbsenken(t) die eingesparte Brennstoffmenge für das Absenken des Betriebspunktes und mAnheben(t) die verbrauchte Brennstoffmenge für das Anheben des Betriebspunktes. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass sich der Wirkungsgrad η der Lade-Entladekette während des Betriebs des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs ändern kann. Daher wird der Wirkungsgrad η vorzugsweise kontinuierlich bestimmt und kann insbesondere in einem Speichermittel abrufbar gespeichert werden.
  • Die tatsächliche Menge des eingesparten Brennstoffs bei der Absenkung des Betriebspunkts mAbsenken(t) sowie die tatsächliche Menge des verbrauchten Brennstoffs bei der Anhebung des Betriebspunkts mAnheben(t) können während der Fahrt des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs in Echtzeit mit Hilfe von Ist-Werten, des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δbist,Absenken beziehungsweise Δbist,Anheben sowie den Ist-Werten der Leistungsverlagerungen ΔPist,Anheben beziehungsweise ΔPist,Absenken anhand der nachfolgend aufgeführten Gleichungen bestimmt werden: mAbsenken(t) = ∫Δbist,Absenken(t)·ΔPist,Absenken(t)·dt (7) mAnheben(t) = ∫Δbist,Anheben(t)·ΔPist,Anheben(t)·dt (8)
  • Für die Energiemengen gilt: Absenken(t) = ∫ΔPist,Absenken(t)·dt (9) EAnheben(t) = ∫ΔPist,Anheben(t)·dt (10)
  • Durch Einsetzen der Gleichungen (7) bis (10) in Gleichung (6) folgt unmittelbar:
    Figure 00180001
  • Daraus ergibt sich: Δb ist,Absenken(t)·η ≥ Δb ist,Anheben(t) (12)
  • Die in Formel (12) miteinander in Beziehung gesetzten Mittelwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs geben an, wie profitabel oder energetisch günstig bis zu einem bestimmten Zeitpunkt der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung verlagert wurde. Bei der Bestimmung der Sollwerte Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) wird das in Formel (12) angegebene Kriterium berücksichtigt.
  • Das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Betriebspunktverlagerung (Δbmax und Δbmin) ergeben sich unmittelbar aus 3a und 3b. Sie geben die günstigsten Bedingungen für das Entladen (Absenken des Betriebspunkts) sowie das Laden (Anheben des Betriebspunktes) des elektrischen Energiespeichermittels an.
  • Die maximale Grenze und die minimale Grenze für den Sollwert der Betriebspunktabsenkung sind: Δbsoll,Absenken,max(t) = Δbmax (13) sowie Δbsoll,Absenken,min(t) = Δbmin· 1 / η (14)
  • Wenn der Sollwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs für die Betriebspunktabsenkung gering ist, wird die Absenkung des Betriebspunktes (Entladen des elektrischen Energiespeichermittels) gefördert.
  • Um die Betriebspunktabsenkung auf die Fahrweise zu adaptieren, wird Δbsoll,Absenken(t) zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbauchs definierten Grenzen variiert. Dies kann vorteilhaft beispielsweise durch eine lineare Interpolation unter Berücksichtigung des Ladezustands (SOC) des elektrischen Energiespeichermittels erreicht werden. Dabei gilt:
    Figure 00190001
  • Die Gleichung (15) stellt sicher, dass der Sollwert für den spezifischen Wasserstoffverbrauch bei der Betriebspunktabsenkung sein Maximum bei der unteren Grenze (SOCu) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels und sein Minimum bei der oberen Grenze (SOCo) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels hat. Dadurch kann eine effiziente Adaption auf die tatsächlichen Fahrbedingungen realisiert werden.
  • Die maximale und die minimale Grenze für die Anhebung des Betriebspunktes können wie folgt bestimmt werden: Δbsoll,Anheben,max(t) = Δb ist,Absenken(t)·η (16) sowie Δbsoll,Anheben,min(t) = Δbmin (17)
  • Durch Gleichung (16) wird sichergestellt, dass das in Formel (12) aufgestellte Kriterium erfüllt ist. Anschaulich bedeutet dies, dass die Verluste durch das Anheben des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung durch entsprechende Einsparungen beim Absenken des Betriebspunktes kompensiert werden.
  • Wenn der Sollwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs für die Betriebspunktanhebung hoch Ist, wird die Anhebung des Betriebspunktes (Laden des elektrischen Energiespeichermittels) gefördert. Um die Betriebspunktanhebung auf die Fahrweise zu adaptieren, wird Δbsoll,Anheben(t) zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs definierten Grenzen variiert. Dies kann in einer vorteilhaften Ausführungsform zum Beispiel durch eine lineare Interpolation unter Berücksichtigung des Ladezustands SOC(t) des elektrischen Energiespeichermittels erreicht werden. Dabei gilt:
    Figure 00200001
  • Die Gleichung (18) stellt ihrerseits sicher, dass der Sollwert für den spezifischen Wasserstoffverbrauch bei der Betriebspunktanhebung sein Maximum bei der unteren Grenze (SOCu) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels und sein Minimum bei der oberen Grenze (SOCo) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels hat. Dadurch kann eine effiziente Adaption auf die tatsächliche Fahrbedingungen realisiert werden.
  • Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass eine lineare Interpolation des spezifischen Wasserstoffverbrauchs, wie sie durch die beiden Gleichungen (15) und (18) angegeben ist, ein rechnerisch sehr einfach handhabbares Verfahren darstellt. Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es möglich, zu diesem Zweck auch komplexere Berechnungsalgorithmen zu verwenden. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang, dass sich die Werte für Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) mit steigendem Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichermittels verringern und mit sinkendem Ladezustand SOC erhöhen.
  • Bei der Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs werden die Sollwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) bei der Verlagerung (Anheben beziehungsweise Absenken) des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung bestimmt. Anhand der Gleichungen (4) und (5) werden dann die Sollwerte für die Leistungsverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung durch das Anheben beziehungsweise Absenken des Betriebspunktes bestimmt. Wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung angehoben wird, ist ΔPsoll,Absenken(t) = 0, und wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinrichtung abgesenkt wird, ist ΔPsoll,Anheben(t) = 0 da entweder ein Anheben oder aber ein Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt. Die sich daraus schließlich ergebende Leistungsanforderung wird der Steuerungseinrichtung der Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung gestellt. Die Differenz zwischen der gesamten Leistungsanforderung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs und der Leistung der Brennstoffzelleneinrichtung wird mit dem elektrischen Energiespeichermittel durch Aufladen oder Entladen kompensiert. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung mit der Leistungskapazität des elektrischen Energiespeichermittels zu begrenzen.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gibt es keinen Parameter, der die Auswirkungen einer Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung in Echtzeit quantifizieren kann. Im Rahmen des hier erläuterten Verfahrens wird der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb bei der Betriebspunktverlagerung eingeführt und in das Energiemanagement des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs integriert. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Brennstoffeinsparpotential bei einer Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung in Echtzeit zu bestimmen. Im Stand der Technik existiert kein Parameter, der die Gegebenheiten bei vorhergehenden Betriebspunktverlagerungen aufzeichnet. Daher wird im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, dass der Durchschnittwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δb(t) während der Fahrt gespeichert wird.
  • Die Bestimmung der Sollwerte für den spezifischen Brennstoffverbrauch bei einer Betriebspunktverlagerung Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) erfolgt vorzugsweise auf Basis des durchschnittlichen, spezifischen Brennstoffverbrauchs Δb(t). Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Verbrauchsreduzierung am Ende der Fahrt erreicht werden.
  • Die systematische, vom Ladezustand SOC abhängige Veränderung der Sollwerte des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei einer Betriebspunktverlagerung Δbsoll,Anheben(t) beziehungsweise Δbsoll,Absenken(t) ermöglicht eine adaptive Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung, die in jedem Fahrzustand ein sehr hohes Einsparpotential bietet.
  • Das hier vorgestellte Verfahrenskonzept für ein effizienteres Energiemanagement kann auf einfache Weise auch auf ein so genanntes Plug-In-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das zum Aufladen des elektrischen Energiespeichermittels an eine elektrische Ladestation angeschlossen werden kann, erweitert werden. Bei diesem Gestaltungsansatz spielt die Entfernung sL zur Ladestation eine wesentliche Rolle. Für eine möglichst effiziente und damit kostengünstige Fahrt zur Ladestation muss das Energiemanagement des-Plug-In-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs dafür sorgen, dass das elektrische Energiespeichermittel bei Erreichen der Ladestation zumindest weitgehend leer ist. Dadurch wird eine hinsichtlich des Brennstoffmittelverbrauchs sparsamere Fahrt ermöglicht. Die kritische Untergrenze (SOCu) des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels sollte in diesem Zusammenhang vorzugsweise jedoch nicht unterschritten werden. Durch eine systematische (zeitabhängige) Verringerung der oberen Ladungsgrenze SOCo während der Fahrt kann erreicht werden, dass das elektrische Energiespeichermittel nach und nach entladen wird.
  • Die folgenden Gleichungen geben an, wie eine systematische Reduzierung der oberen Ladegrenze SOCo während der Fahrt geregelt werden kann: ΔSOC(t) = ∫(sL(t)) (19) SOCo(t) = SOCo – ASOC(sL(t)) (20)
  • An Stelle einer festen oberen Grenze des Ladungszustands des elektrischen Energiespeichermittels wird eine demgegenüber zeitabhängig verschobene Grenze SOCo(t) verwendet. Auf diese Weise kann auch in einem Plug-In-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug eine effiziente Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung implementiert werden.
  • An Stelle des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb bei der Betriebspunktverlagerung können auch andere Parameter, mittels derer Verbrauchsunterschiede beziehungsweise Verbrauchsänderungen bei der Verlagerung des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung erfasst werden können, verwendet werden. Ein alternativer Parameter, der zu diesem Zweck bei den hier beschriebenen Verfahren genutzt werden kann, ist zum Beispiel die spezifische Wasserstoffleistung ΔPWasserstoff bei der Betriebspunktverlagerung.
  • Es gilt: ΔPWasserstoff = Δb·H. Dabei bezeichnet H den Heizwert von Wasserstoff.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, welches eine elektrische Antriebsvorrichtung, ein elektrisches Energiespeichermittel und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Brennstoffzelleneinrichtung umfasst, durch adaptives Verlagern eines Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung, umfassend die Schritte – Bestimmen einer momentanen Leistungsanforderung Po(t) elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, – Bestimmen eines momentanen Ladezustands SOC(t) des elektrischen Energiespeichermittels, – Bestimmen der Sollwerte eines spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δbsoll,Anheben(t) und Δbsoll,Absenken(t) für das Anheben und das Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC(t) des elektrischen Speichermittels, wobei der spezifische Wasserstoffverbrauch als Quotient der Änderung des Brennstoffverbrauchs und der Änderung der elektrischen Leistung bei der Betriebspunktverlagerung der Brennstoffzelleneinrichtung definiert ist, – Bestimmen der Sollwerte der durch das Anheben und Absenken des Betriebspunktes der Brennstoffzelleneinrichtung hervorgerufenen Leistungsänderungen ΔPsoll,Anheben(t) = f2(P0(t), ΔPsoll,Anheben(t)) und ΔPsoll,Absenken(t) = f2(P0(t), Δbsoll,Absenken(t)), – Anheben des Betriebspunktes, wenn bei gegebener Leistungsanforderung P0(t) dem spezifischen Wasserstoffverbrauch Δbsoll,Anheben(t) ein Sollwert ΔPsoll,Anheben(t) > 0 zugeordnet werden kann, oder Absenken des Betriebspunktes, wenn bei gegebener Leistungsanforderung P0(t) dem spezifischen Wasserstoffverbrauch Δbsoll,Absenken(t) ein Sollwert ΔPsoll,Absenken(t) < 0 zugeordnet werden kann, wobei
    Figure 00240001
    ist, wobei EAbsenken(t) und EAnheben(t) die Energiemengen beim Absenken und Anheben des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung, mAbsenken(t) die eingesparte Brennstoffmenge für das Absenken des Betriebspunktes, mAnheben(t) die verbrauchte Brennstoffmenge für das Anheben des Betriebspunktes und η den Wirkungsgrad der Lade-Entladekette beim bisherigen Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichermittels bezeichnen, – Berechnen des Sollwerts der Leistungsanforderung der Brennstoffzelleneinrichtung Psoll(t) = Po(t) + ΔPsoll,Generieren(t) + ΔPsoll,Dauerboosten(t) + ΔPsoll,Anheben(t) + ΔPsoll,Absenken(t), wobei ΔPsoll,Absenken(t) = 0 gesetzt wird, wenn der Betriebspunkt angehoben wird und ΔPsoll,Anheben(t) = 0 gesetzt wird, wenn der Betriebspunkt abgesenkt wird, und wobei ΔPsoll,Generieren(t) der Sollwert der durch Generieren hervorgerufenen Leistungsänderung ist und ΔPsoll,Dauerboosten(t) der Sollwert der durch dauerhaftes Boosten hervorgerufenen Leistungsänderung ist, – Kompensieren einer Differenz zwischen der momentanen Leistungsanforderung Po(t) und dem Sollwert der Leistungsanforderung der Brennstoffzelleneinrichtung PSoll(t) durch Aufladen oder Entladen des elektrischen Energiespeichermittels.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die eingesparten Brennstoffmengen bei der Absenkung des Betriebspunkts mAbsenken(t) sowie die mehr verbrauchten Brennstoffmengen bei der Anhebung des Betriebspunkts mAnheben(t) während des Betriebs der Brennstoffzelleinrichtung in Echtzeit mit Hilfe von Ist-Werten des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δbist,Absenken und Δbist,Anheben sowie Ist-Werten der Leistungsverlagerungen ΔPist,Anheben und ΔPist,Absenken bestimmt und gespeichert werden und – die Energiemengen EAbsenken(t) und EAnheben(t) beim Absenken und Anheben des Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinrichtung mit Hilfe von Ist-Werten der Leistungsverlagerungen ΔPist,Anheben und ΔPist,Absenken bestimmt und gespeichert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Brennstoffmengen mAbsenken(t), mAnheben(t) und der Energiemengen EAbsenken(t), EAnheben(t) Mittelwerte des spezifischen Wasserstoffverbrauchs Δb ist,Absenken(t), Ab ist,Anheben(t) für das Absenken und Anheben des Betriebspunktes berechnet werden und dass bei der Bestimmung der Sollwerte Δbsoll,Anheben(t), Δbsoll,Absenken(t) für das Anheben und Absenken des Betriebspunktes das Kriterium Δb ist,Absenken(t)·η ≥ Δb ist,Anheben(t) erfüllt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Wasserstoffverbrauch Δb der Betriebspunktverlagerung für Leistungsanforderungen Po zwischen 0% und 100% und Leistungsverschiebungen ΔP zwischen –100% und +100% berechnet wird und in einem Speichermittel, insbesondere als Nachschlagetabelle, abrufbar gespeichert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Δbsoll,Absenken(t) adaptiv zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbauchs Δb definierten Grenzen Δbsoll,Absenken,max(t) = Δbmax und Δbsoll,Absenken,min(t) = Δbmin· 1 / η variiert wird, wobei Δbmax und Δbmin das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Betriebspunktverlagerung angeben.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Δbsoll,Absenken(t) durch eine lineare Interpolation mit
    Figure 00260001
    bestimmt wird, wobei SOCu eine untere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist und SOCo eine obere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Δbsoll,Anheben(t) zwischen den durch das Maximum und das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs Δb definierten Grenzen Δbsoll,Anheben,max(t) = Δb ist,Absenken(t)·η und Δbsoll,Anheben,min(t) = Δbmin variiert wird, wobei Δbmin das Minimum des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Betriebspunktverlagerung und Δb ist,Absenken(t) einen zeitlichen Mittelwert des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei der Absenkung des Betriebspunktes bezeichnen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Δbsoll,Anheben(t) durch eine lineare Interpolation mit
    Figure 00270001
    bestimmt wird, wobei SOCu eine untere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist und SOCo eine obere Grenze des Ladezustands des elektrischen Energiespeichermittels ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane elektrische Leistungsanforderung Po(t) anhand einer Pedalstellung eines Gaspedals des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs sowie anhand von Komponentenwirkungsgraden elektrischer Komponenten des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs berechnet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennstoffzellerteinrichtung eine Obergrenze des elektrischen Ladezustands des elektrischen Speichermittels SOCo(t) = SOCo = ΔSOC(sL(t)), wobei sL(t) die Entfernung des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs zu einer Ladestation ist, derart verschoben wird, dass das elektrische Energiespeichermittel umso mehr entladen wird, je kürzer die Entfernung sL(t) zur Ladestation ist.
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