DE102012203219A1 - Method for operating drive system for electric drive of vehicle, involves switching-off fuel cell system and propulsion of vehicle from energy store if loading condition of energy store lies above upper charging condition threshold - Google Patents

Method for operating drive system for electric drive of vehicle, involves switching-off fuel cell system and propulsion of vehicle from energy store if loading condition of energy store lies above upper charging condition threshold Download PDF

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Abstract

The method involves detecting a low load operating state of a vehicle (100), and determining a charging condition of an energy store (30). A fuel cell system (20) and propulsion of the vehicle are switched off from the energy store if a loading condition of the energy store lies above an upper charging condition threshold. The fuel cell system is operated or switched on if the loading condition of the energy store lies below a lower charging condition threshold. Temperature of the fuel cell system is monitored during switch-off condition of the fuel cell system. An independent claim is also included for an energy management system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems mit einem Brennstoffzellensystem zumindest zum Laden wenigstens eines Energiespeichers für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs sowie ein Energiemanagementssystem mit einer Kontrolleinheit für den Betrieb eines Antriebssystems für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs.The present invention relates to a method for operating a drive system with a fuel cell system at least for charging at least one energy store for the electric drive of a vehicle, and to an energy management system having a control unit for operating a drive system for the electric drive of the vehicle.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems mit einem Brennstoffzellensystem sind grundsätzlich bekannt. Zum Beispiel offenbart die US 2009/0297901 A1 ein derartiges Verfahren beziehungsweise ein entsprechendes Energiemanagementssystem. Bei bekannten Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems wird grundsätzlich eine Regelung des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der entsprechenden Lastanforderung für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs durchgeführt. Mit anderen Worten wird das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Leistungen betrieben. Methods for operating a drive system with a fuel cell system are known in principle. For example, the US 2009/0297901 A1 Such a method or a corresponding energy management system. In known methods for the operation of a drive system, a regulation of the fuel cell system is generally carried out as a function of the corresponding load requirement for the electric drive of the vehicle. In other words, the fuel cell system is operated depending on the current operating situation of the vehicle with different powers.

Dieses hat den Nachteil, dass das Brennstoffzellensystem in direkter Abhängigkeit der notwendigen Betriebsleistung häufig in unökonomischen beziehungsweise ineffizienten Arbeitsbereichen betrieben wird. Insbesondere ist die Dynamik eines Brennstoffzellensystems durch einzelne Komponenten, wie zum Beispiel das Luftversorgungssystem, insbesondere den Luftverdichter, beschränkt. Bei hochdynamischen Lastsprüngen, die bei einem Fahrzeug unvermittelt auftreten können, kann ein Brennstoffzellensystem nicht sofort folgen. Auch kann durch ein hochdynamisches schnelles Hochfahren beziehungsweise eine spätere Absenkung der Luftversorgung ein erhöhter Kraftstoffverbrauch sowie eine erhöhte Komponentenbelastung bei gleichzeitigem Betrieb mit schlechtem Wirkungsgrad erfolgen. Bei Betriebsphasen ohne jegliche Belastung ist es problematisch, dass sich das Brennstoffzellensystem in dem so genannten OCV-Betrieb (Open cell voltage) befindet. Dabei können schädigende chemische Nebenreaktionen dazu führen, dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzt wird. Alternativ ist bekannt, trotz Leerlaufphase die Brennstoffzelle mit einer niedrigen Leistung zu betreiben und die zur Verfügung gestellte Leistung als Wärmeverlust an die Umgebung abzugeben. Dieses führt ebenfalls zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. This has the disadvantage that the fuel cell system is operated in direct dependence on the necessary operating performance often in uneconomical or inefficient work areas. In particular, the dynamics of a fuel cell system is limited by individual components, such as the air supply system, in particular the air compressor. In the case of highly dynamic load transients, which can occur suddenly in a vehicle, a fuel cell system can not follow immediately. Also can be done by a highly dynamic fast startup or a subsequent reduction of the air supply increased fuel consumption and increased component load with simultaneous operation with poor efficiency. During operating phases without any load, it is problematic that the fuel cell system is in the so-called OCV operation (open cell voltage). Damaging chemical side reactions can lead to a shortening of the lifetime of the fuel cell. Alternatively, it is known to operate despite idling phase, the fuel cell with a low power and deliver the power provided as heat loss to the environment. This also leads to increased fuel consumption.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems eines Fahrzeugs sowie ein entsprechendes Energiemanagementsystem zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Weise einen optimierten, insbesondere einen verbrauchsoptimierten, Betrieb für Niedriglast-Betriebszustände des Fahrzeugs und vorzugsweise eine Reduktion des Verschleißes des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. It is an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages of known methods described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for operating a drive system of a vehicle and a corresponding energy management system which, in a cost effective and simple manner, optimizes, in particular optimizes consumption, operation for low load operating conditions of the vehicle and preferably a reduction To provide deterioration of the fuel cell system.

Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Energiemanagementssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiemanagementssystem beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.The above object is achieved by a method having the features of claim 1 and by an energy management system having the features of claim 10. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details described in connection with the energy management system according to the invention are of course also in connection with the method according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Betrieb eines Antriebssystems mit wenigstens einem Brennstoffzellensystem zumindest zum Laden wenigstens eines Energiespeichers für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren weist hierfür die folgenden Schritte auf:

  • – Erkennen eines Niedriglast-Betriebszustands des Fahrzeugs,
  • – Bestimmen des Ladestandes des Energiespeichers,
  • – Bei einem Ladestand des Energiespeichers oberhalb einer oberen Ladestandschwelle, Ausschalten des Brennstoffzellensystems und Antrieb des Fahrzeugs aus dem Energiespeicher.
The method according to the invention serves to operate a drive system having at least one fuel cell system at least for charging at least one energy store for the electrical drive of a vehicle. The method according to the invention has the following steps for this purpose:
  • Detecting a low-load operating state of the vehicle,
  • Determining the charge state of the energy store,
  • - At a charge of the energy storage above an upper charging threshold, switching off the fuel cell system and drive the vehicle from the energy storage.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Energiespeicher kombiniert. Als Energiespeicher kann zum Beispiel eine oder mehrere Batterien, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie zum Einsatz kommen. Auch können als Energiespeicher ein oder mehrere Kondensatorvorrichtungen vorgesehen sein. Durch das Vorhandensein und die Lademöglichkeit des Energiespeichers durch das Brennstoffzellensystem kann eine Entkoppelung der elektrischen Antriebsweise des Fahrzeugs von dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfolgen. So kann das Brennstoffzellensystem vorzugsweise ausschließlich zum Laden des wenigstens einen Energiespeichers ausgebildet sein. Auch ist es möglich, dass der Energiespeicher ausschließlich zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs dient. In the method according to the invention, a fuel cell system is combined with at least one energy store. As energy storage, for example, one or more batteries, in particular a rechargeable battery can be used. Also can be provided as an energy storage one or more capacitor devices. Due to the presence and the possibility of charging the energy storage device by the fuel cell system, decoupling of the electric drive mode of the vehicle from the operating state of the fuel cell system can take place. Thus, the fuel cell system may preferably be designed exclusively for charging the at least one energy store. It is also possible that the energy storage is used exclusively for the electric drive of the vehicle.

Unter einem Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs ist ein Zustand zu verstehen, bei welchem das Fahrzeug mit geringerer Leistung als der durchschnittlichen Leistung beziehungsweise mit geringerer Leistung als der Maximalleistung betrieben wird. Solche Niedriglast-Betriebszustände können zum Beispiel bei Stadtfahrten, bei langsamen Überlandfahrten oder bei Bergabfahrten vorliegen. Auch Stausituationen oder Ampelwartephasen können als Niedriglast-Betriebszustände definiert sein. Nach dem Erkennen des Niedriglast-Betriebszustandes führt das Bestimmen des Ladestandes des Energiespeichers dazu, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Information über mögliche Reichweiten für einen rein energiespeicherbetriebenen Antrieb, also einen rein elektrischen Antrieb aus dem Energiespeicher heraus für das Fahrzeug, vorliegt. Liegt der Ladestand des Energiespeichers oberhalb einer oberen Ladestandschwelle, so wird das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet und der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt rein aus dem Energiespeicher. Ein Nachladen des Energiespeichers erfolgt bei dieser Verfahrensweise nicht beziehungsweise nicht, wenn der Ladestand des Energiespeichers über einer oberen Ladestandschwelle liegt. Under a low-load operating state of the vehicle is a state in which the vehicle is operated with less power than the average power or with less power than the maximum power. Such low-load operating conditions can be present, for example, in city driving, on slow overland trips or on downhill runs. Also traffic jam situations or traffic light waiting phases can be defined as low-load operating states. After the detection of the low-load operating state, determining the charge state of the energy storage means that the information about possible ranges for a pure energy storage-powered drive, ie a purely electric drive from the energy storage for the vehicle, is present by the inventive method. If the charge level of the energy store is above an upper charging threshold, the fuel cell system is switched off and the drive of the vehicle takes place purely from the energy store. Recharging the energy storage is done in this procedure, not or not if the charge level of the energy storage is above an upper charge threshold.

Mit anderen Worten erfolgt der Betrieb des Fahrzeugs rein beziehungsweise ausschließlich elektrisch aus dem Energiespeicher ohne Betrieb des Brennstoffzellensystems. Erst wenn der Ladestand nicht die obere Ladestandschwelle erreicht beziehungsweise unterhalb einer unteren Ladestandschwelle gefallen ist, wird das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet beziehungsweise verbleibt eingeschaltet, um den Ladestand des Energiespeichers konstant zu halten oder diesen zu erhöhen.In other words, the operation of the vehicle takes place purely or exclusively electrically from the energy store without operation of the fuel cell system. Only when the charge level has not reached the upper charging threshold or fallen below a lower charge threshold, the fuel cell system is turned on again or remains turned on to keep the charge level of the energy storage constant or to increase this.

Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Stack aus einer Vielzahl von Brennstoffzellenplatten, die miteinander gestapelt verbunden sind. In particular, the fuel cell system is a so-called stack of a plurality of fuel cell plates that are stacked together.

Ein Mindestabstand zwischen einer oberen und einer unteren Ladestandschwelle, zum Beispiel 10% des Maximalladestands des Energiespeichers dient dazu, ein zu schnelles Hin- und Herschalten des Brennstoffzellensystems zu vermeiden. Auch ein Betrieb bei stehendem Fahrzeug, also zum Versorgen von elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs im Inneren, wie diese zum Beispiel eine Standheizung oder die Versorgung der Bordsteckdosen sind, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sein. A minimum distance between an upper and a lower charge threshold, for example, 10% of the maximum capacity of the energy storage is used to avoid too fast switching back and forth of the fuel cell system. An operation when the vehicle is stationary, so for supplying electrical consumers of the vehicle inside, as these are, for example, a heater or the supply of the board sockets, may be possible in the context of the present invention.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs optimiert. So wird das Brennstoffzellensystem in einem Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs, in welchem das Brennstoffzellensystem nicht oder nur unstetig beziehungsweise bei schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden könnte, nicht betrieben. Deswegen erfolgt hier ein rein elektrischer Antrieb aus dem Energiespeicher, bis es wieder sinnvoll ist, das Brennstoffzellensystem in einer möglichst optimalen Betriebsweise, also bei verbessertem Wirkungsgrad, zu betreiben. The inventive method, the fuel consumption of a vehicle is optimized. Thus, the fuel cell system is not operated in a low-load operating state of the vehicle in which the fuel cell system could not operate or only discontinuously or with poor efficiency. Therefore, a purely electric drive from the energy storage takes place here until it makes sense again to operate the fuel cell system in the best possible mode of operation, ie with improved efficiency.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet sein, dass bei einem Ladestand des Energiespeichers unterhalb einer unteren Ladestandschwelle das Brennstoffzellensystem weiter betrieben oder eingeschaltet wird. Die untere Ladestandschwelle unterscheidet sich dabei von der oberen Ladestandschwelle, durch einen definierten Prozentsatz, beispielsweise 10 %, bezogen auf den maximalen Ladestandes des Energiespeichers. Befindet sich der Ladestand des Energiespeichers bei erkanntem Niedriglast-Betriebszustand unterhalb der unteren Ladestandschwelle, so wird das Brennstoffzellensystem weiter betrieben. Befindet sich der Ladestand eines Energiespeichers oberhalb der oberen Ladestandschwelle, so wird das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet, und der Antrieb des Fahrzeugs rein aus dem Energiespeicher solange durchgeführt, bis der Energiespeicher sich bis zur unteren Ladestandschwelle entladen hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet, um ein weiteres Entladen des Energiespeichers zu verhindern, insbesondere um den Energiespeicher wieder aufzuladen. Dies erfolgt vorzugsweise bis mindestens zur oberen Ladestandschwelle, so dass ein Ausschalten des Brennstoffzellensystems zu diesem Zeitpunkt wieder erfolgen kann, sofern der Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs weiter andauert. The method according to the invention can be further developed such that the fuel cell system continues to be operated or switched on when the energy storage device is charged below a lower charging threshold. The lower charge threshold differs from the upper charge threshold, by a defined percentage, for example, 10%, based on the maximum charge level of the energy storage. If the charge level of the energy store is below the lower charging threshold when the low-load operating state is detected, then the fuel cell system continues to be operated. If the charge level of an energy store is above the upper charge threshold, the fuel cell system is switched off and the drive of the vehicle is carried out purely from the energy store until the energy store has discharged to the lower charge threshold. At this time, the fuel cell system is turned on again to prevent further discharge of the energy storage, in particular to recharge the energy storage. This preferably takes place at least up to the upper charge threshold, so that switching off of the fuel cell system can take place again at this time, as long as the low-load operating state of the vehicle continues.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet sein, dass ein Betrieb des Brennstoffzellensystems während des Niedriglast-Betriebszustandes in wirkungsgradoptimierter Weise erfolgt. Geht man von einer Nennleistung von 100% des Brennstoffzellensystems aus, so liegt dieser optimierte Betrieb im Niedriglast-Betriebszustand insbesondere bei circa 10 bis circa 20% der Nennleistung des Brennstoffzellensystems. Unter einer wirkungsgradoptimierten Weise ist insbesondere eine möglichst treibstoffsparende Weise des Betriebs des Brennstoffzellensystems bei maximierter Leistungsabgabe zu verstehen. Dies reduziert den Treibstoffverbrauch und lädt bei Betrieb des Brennstoffzellensystems gleichzeitig den Energiespeicher auf möglichst energieeffiziente Weise auf. Damit wird der Treibstoffverbrauch des Gesamtsystems für den Antrieb des Fahrzeugs insgesamt reduziert. The method according to the invention can be further developed such that an operation of the fuel cell system during the low-load operating state takes place in an efficiency-optimized manner. Assuming a rated power of 100% of the fuel cell system, this optimized operation is in the low-load operating state, in particular at about 10 to about 20% of the rated power of the fuel cell system. An efficiency-optimized manner is to be understood in particular as fuel-efficient as possible of the operation of the fuel cell system with maximized power output. This reduces fuel consumption and at the same time charges the energy store in the most energy-efficient manner possible during operation of the fuel cell system. This reduces the fuel consumption of the overall system for driving the vehicle as a whole.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Erkennen der Beendigung des Niedriglast-Betriebszustandes des Fahrzeugs das Brennstoffzellensystem zumindest teilweise für das Laden des Energiespeichers betrieben wird. Dieses führt dazu, dass für einen folgenden Niedriglast-Betriebszustand der Energiespeicher vorzugsweise wieder mit einem Ladestand versehen wird, welcher oberhalb der oberen Ladestandschwelle liegt. Damit kann bis zum nächsten Betrieb im Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs eine Situation hergestellt werden, die wieder über eine längere Dauer den rein elektrischen Betrieb aus dem Energiespeicher des Fahrzeugs für dessen Antrieb zur Verfügung stellen kann. Dieses kann sowohl bei der Weiterfahrt des Fahrzeugs, als auch beim Parken beziehungsweise beim Beenden der Fahrt des Fahrzeugs geschehen. Insbesondere ist dabei der Ladestand des Energiespeichers gekoppelt mit der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise wird ein Einschalten des Brennstoffzellensystems nur dann durchgeführt, wenn der Ladestand ausreichend gering ist, so dass sich das Aufladen auch lohnt. In diesem Betrieb wird das Brennstoffzellensystem vorzugsweise ausschließlich für das Laden des Energiespeichers verwendet. It may also be advantageous if, in the method according to the invention, after detecting the termination of the low-load operating state of the vehicle, the fuel cell system is operated at least partially for charging the energy store. This leads to that for one Following low-load operating state of the energy storage is preferably provided again with a charge, which is above the upper charge threshold. Thus, a situation can be established until the next operation in the low-load operating state of the vehicle, which can provide the pure electrical operation from the energy storage of the vehicle for its drive again over a longer period. This can be done both during the onward journey of the vehicle, as well as when parking or when stopping the drive of the vehicle. In particular, while the state of charge of the energy storage is coupled with the operation of the fuel cell system. Preferably, a switching on of the fuel cell system is only performed when the charge level is sufficiently low, so that the recharging is worthwhile. In this operation, the fuel cell system is preferably used exclusively for charging the energy store.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise dahingehend weitergebildet werden, dass für das Ausschalten des Brennstoffzellensystems die Luftversorgung der Kathoden des Brennstoffzellensystems ausgeschaltet wird. Dies kann auch als Kathoden Bleed Down bezeichnet werden. Dabei wird der Sauerstoff auf der Kathodenseite abgereichert, so dass ein Zusammenbruch der elektrischen Stackspannung erfolgt. Damit kann auch bei längeren Stillstandszeiten des Fahrzeugs, zum Beispiel im Stau oder an einer Ampel, ein sogenannter OCV-Zustand, wie in er in der Einleitung beschrieben worden ist, vermieden werden. Eventuelle Schädigungen durch Nebenreaktionen im Brennstoffzellensystem können auf diese Weise reduziert beziehungsweise vollständig vermieden werden. Zum Ausschalten des Brennstoffzellensystems kann alternativ oder zusätzlich auch die Anodenrezirkulation ausgeschaltet werden. The method according to the invention can advantageously be developed in such a way that the air supply to the cathodes of the fuel cell system is switched off for switching off the fuel cell system. This can also be referred to as cathodes Bleed Down. In this case, the oxygen is depleted on the cathode side, so that a collapse of the electrical stack voltage occurs. Thus, even with longer downtime of the vehicle, for example in a traffic jam or at a traffic light, a so-called OCV state, as it has been described in the introduction, be avoided. Any damage caused by side reactions in the fuel cell system can be reduced or completely avoided in this way. To switch off the fuel cell system, alternatively or additionally, the anode recirculation can also be switched off.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass die Erkennung des Niedriglast-Betriebszustandes des Fahrzeugs auf wenigstens einem der folgenden Parameter beruht:

  • – Fahrpedalstellung
  • – Fahrzeuggeschwindigkeit
  • – Fahrzeugbeschleunigung
  • – Position des Fahrzeugs aus einem Navigationssystem
  • – Erkannte Beschilderungen der Umgebung des Fahrzeugs
  • – Informationen zum Abstand zu umgebenden Fahrzeugen
  • – Informationen zum Verkehrsfluss
  • – Aktivierung durch den Fahrer
In the method according to the invention, it is possible that the detection of the low-load operating state of the vehicle is based on at least one of the following parameters:
  • - accelerator pedal position
  • - Vehicle speed
  • - Vehicle acceleration
  • - Position of the vehicle from a navigation system
  • - Detected signs of the environment of the vehicle
  • - Information about the distance to surrounding vehicles
  • - Traffic information
  • - Activation by the driver

Die Fahrpedalstellung ist insbesondere die zeitlich gemittelte Fahrpedalstellung beziehungsweise eine gefilterte Fahrpedalstellung. Über diese kann indirekt der aktuelle Beschleunigungswunsch beziehungsweise der aktuelle Geschwindigkeitswunsch des Fahrers abgelesen werden. Bei nur leicht durchgetretenem Pedal kann auf einen Niedriglast-Betriebszustand geschlossen werden. Auch bei besonders geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten, zum Beispiel unterhalb von circa 65 km/h oder im Bereich um circa 50 km/h kann von einem Betrieb des Fahrzeugs im Stadtverkehr, also ebenfalls von einem Niedriglast-Betriebszustand ausgegangen werden. Die Fahrzeugbeschleunigung, insbesondere ein Abbremsen von höherer Geschwindigkeit, kann kombiniert mit anderen Parametern oder als Einzelparameter ebenfalls für die Erkennung des Niedriglast-Betriebszustandes verwendet werden. Die Position des Fahrzeugs aus einem Navigationssystem kann Rückschlüsse auf aktuelle Straßensituationen in der Umgebung des Fahrzeugs zulassen. Auch erkannte Beschilderungen, insbesondere Höchstgeschwindigkeiten anhand einer Beschilderung, sind für einen Niedriglast-Betriebszustand möglicherweise ausschlaggebende Parameter. Auch bei reduziertem Abstand zu umgebenden Fahrzeugen, kann ein Niedriglast-Betriebszustand erkannt werden, also zum Beispiel im Bereich von Stau oder im Stadtverkehr. Auch anderweitige Informationen über den Verkehrsfluss, zum Beispiel aus Radiofunksystemen, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Selbstverständlich kann ein Niedriglast-Betriebszustand auch aktiv durch den Fahrer, also in manueller Weise, aktiviert werden. Die voranstehend beschriebenen Möglichkeiten und Parameter können selbstverständlich alle einzeln beziehungsweise auch in Kombination miteinander für die Erkennung des Niedriglast-Betriebszustandes eingesetzt werden. Als Sensorik kann dabei vorzugsweise eine Kamera, Radar, Infrarot oder Ultraschallsensorik zur Verfügung gestellt werden. The accelerator pedal position is in particular the time-averaged accelerator pedal position or a filtered accelerator pedal position. About this can be read off the current acceleration request or the current speed request of the driver indirectly. With only slightly pedaled pedal can be closed to a low load operating state. Even at particularly low vehicle speeds, for example below about 65 km / h or in the range of about 50 km / h, it can be assumed that the vehicle operates in city traffic, ie also from a low-load operating state. The vehicle acceleration, in particular a deceleration of higher speed, combined with other parameters or as individual parameters, can also be used for the detection of the low-load operating state. The position of the vehicle from a navigation system can allow conclusions about current road situations in the vicinity of the vehicle. Even recognized signage, especially speed limits based on signage, may be paramount to a low load operating condition. Even with reduced distance to surrounding vehicles, a low-load operating state can be detected, for example, in the area of congestion or in city traffic. Also other information about the traffic flow, for example from radio radio systems, are conceivable within the scope of the present invention. Of course, a low-load operating state can also be actively activated by the driver, ie in a manual manner. Of course, the possibilities and parameters described above can all be used individually or in combination with one another for the detection of the low-load operating state. As a sensor, preferably a camera, radar, infrared or ultrasonic sensors can be provided.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass ein Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs als solcher erkannt wird, wenn das Fahrzeug länger als eine definierte Zeitdauer z.B. 10 Sekunden oder eine Minute, die entsprechenden Kriterien für einen Niedriglast-Betriebszustand erfüllt. Damit wird ein Niedriglast-Betriebszustand mit einer Mindestlänge definiert, so dass kurzfristiges Hin- und Herschalten zwischen Normalbetrieb und Niedriglast-Betrieb des Fahrzeugs vermieden wird. Insbesondere in Kombination mit einer Erkennung durch die Parameter gemäß dem voranstehenden Absatz kann auf diese Weise ein sicheres Erkennen des Niedriglast-Betriebszustandes insbesondere in andauernder Weise für das Fahrzeug erkannt werden. Ein zu schnelles Schalten und damit eine sprunghafte Verfahrensausführung der vorliegenden Erfindung werden auf diese Weise wirkungsvoll verhindert. The method according to the invention can be developed in such a way that a low-load operating state of the vehicle is recognized as such when the vehicle has been in operation for longer than a defined period of time, e.g. 10 seconds or one minute, meets the appropriate criteria for a low load operating condition. This defines a low load operating condition with a minimum length so as to avoid short-term toggling between normal operation and low-load operation of the vehicle. In particular, in combination with a recognition by the parameters according to the preceding paragraph can be detected in this way a secure detection of the low-load operating state, in particular in a continuous manner for the vehicle. Too fast switching and thus a sudden process execution of the present invention are effectively prevented in this way.

Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem die Temperatur des Brennstoffzellensystems überwacht wird und bei Unterschreiten einer Mindesttemperatur, insbesondere von circa 20° Celsius, das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet wird. Als Mindesttemperatur kann auch ein Bereich um circa 5° Celsius angegeben werden, um insbesondere einen Einfrierschutz zu gewährleisten. Somit ist ein schnelles Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems möglich. Ein starkes Auskühlen würde die Reaktionsgeschwindigkeit für ein Wiedereinschalten bei Beendigung des Niedriglast-Betriebszustandes beziehungsweise bei Erreichen einer Ladestandschwelle im Bereich der unteren Ladestandschwelle des Energiespeichers verhindern. Damit ist ein besonders schnelles Anfahren des Brennstoffzellensystems auch nach längerer Betriebsweise im Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs bei dieser Ausführungsform möglich. Another advantage is achieved in that the temperature of the fuel cell system is monitored in the inventive method with the fuel cell system switched off and falls below a minimum temperature, in particular of about 20 ° C, the fuel cell system is turned on again. As a minimum temperature, a range can be specified by about 5 ° Celsius, in particular to ensure a Einfrierschutz. Thus, a quick restart of the fuel cell system is possible. A strong cooling would prevent the reaction speed for restarting at the end of the low-load operating state or when reaching a charging threshold in the region of the lower charge threshold of the energy storage. For a particularly fast startup of the fuel cell system even after prolonged operation in the low-load operating state of the vehicle in this embodiment is possible.

Erfindungsgemäß kann es ebenfalls vorteilhaft sein, wenn bei dem Verfahren nach dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems dieses Brennstoffzellensystem in einem Betriebszustand gehalten wird, welcher ein Einschalten des Brennstoffzellensystems in weniger als circa 1s, insbesondere in weniger als circa 300ms ermöglicht. Vorzugsweise ist ein Wiedereinschalten im Bereich von circa 150ms möglich. Dabei können zum Beispiel die Verdichterschaufeln der Luftzufuhr des Brennstoffzellensystems weiterlaufen, ohne dass Treibstoff in dem Brennstoffzellensystem verbraucht wird. Mit einem geringen Energieaufwand wird dabei ein schnelles Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems möglich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren mit hoher Flexibilität durchgeführt werden kann. According to the invention, it may also be advantageous if, in the method after switching off the fuel cell system, this fuel cell system is kept in an operating state which enables the fuel cell system to be switched on in less than approximately 1 s, in particular less than approximately 300 ms. Preferably, a reconnection in the range of about 150ms is possible. In this case, for example, the compressor blades of the air supply of the fuel cell system can continue to run without fuel is consumed in the fuel cell system. With a low energy consumption while a quick restart of the fuel cell system is possible, so that the inventive method can be performed with high flexibility.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Energiemanagementsystem mit einer Kontrolleinheit für den Betrieb eines Antriebssystems für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, wobei das Antriebssystem ein Brennstoffzellensystem und wenigstens einen Energiespeicher aufweist. Das Brennstoffzellensystem ist zumindest zum Laden des wenigstens einen Energiespeichers ausgebildet. Ein erfindungsgemäßes Energiemanagementsystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontrolleinheit für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Selbstverständlich kann ein solches Energiemanagementsystem auch einen oder mehrere Sensoren aufweisen, um einen Niedriglast-Betriebszustand in erfindungsgemäßer Weise (wie zu dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt) erkennen zu können. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren als Computerprogrammprodukt in der Kontrolleinheit des Energiemanagementssystems gespeichert und als solches dort ausführbar. Ein erfindungsgemäßes Energiemanagementsystem bringt auf diese Weise die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert worden sind. Likewise provided by the present invention is an energy management system with a control unit for operating a drive system for the electric drive of a vehicle, wherein the drive system has a fuel cell system and at least one energy store. The fuel cell system is designed at least for charging the at least one energy store. An inventive energy management system is characterized in that the control unit is designed for the execution of a method according to the invention. Of course, such an energy management system can also have one or more sensors in order to be able to recognize a low-load operating state in accordance with the invention (as mentioned in relation to the method according to the invention). In particular, the inventive method is stored as a computer program product in the control unit of the energy management system and as such there executable. An energy management system according to the invention brings in this way the same advantages as have been explained in detail with reference to the method according to the invention.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELEPREFERRED EMBODIMENTS

Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Es zeigen schematisch:The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing figures. They show schematically:

1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems und 1 a schematic representation of a drive system and

2 eine schematische Darstellung des Ladestandes des Energiespeichers. 2 a schematic representation of the charge level of the energy storage.

In 1 ist schematisch ein Antriebssystem 10 dargestellt, welches mit einem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem ausgestattet ist. Hierfür ist eine Kontrolleinheit 40 vorgesehen, in welcher ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist, welches ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Die Kontrolleinheit 40 dient zum Steuern und/oder zum Regeln des Antriebssystems 10. Das Antriebssystem 10 weist ein Brennstoffzellensystem 20 sowie einen Energiespeicher 30 auf. Der Energiespeicher 30 ist als Batterie, ins besondere als wiederaufladbare Batterie beziehungsweise als Akkumulator, ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ können auch ein oder mehrere Kondensatoren als Energiespeicher 30 vorgesehen sein. Über einen Spannungswandler, z.B. einen Wechselrichter, eine elektrischen Antriebsmotor 110 und optional ein Getriebe 120 kann der Antrieb einer Achse des Fahrzeugs 100 erfolgen. In 1 is schematically a drive system 10 represented, which is equipped with an energy management system according to the invention. This is a control unit 40 is provided, in which a computer program product is stored, which performs a method according to the invention. The control unit 40 serves for controlling and / or regulating the drive system 10 , The drive system 10 has a fuel cell system 20 as well as an energy storage 30 on. The energy storage 30 is designed as a battery, in particular as a rechargeable battery or as an accumulator. Additionally or alternatively, one or more capacitors as energy storage 30 be provided. About a voltage converter, such as an inverter, an electric drive motor 110 and optionally a gearbox 120 can drive an axle of the vehicle 100 respectively.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass im Niedriglast-Betriebszustand des Fahrzeugs und bei einem Ladestand oberhalb der oberen Ladestandschwelle der Betrieb rein aus dem Energiespeicher durchgeführt werden kann. Das Brennstoffzellensystem 20 wird dabei vorzugsweise ausschließlich für das Laden des Energiespeichers 30 verwendet, wenn der Ladestand des Energiespeichers 30 unter eine untere Ladestandschwelle 34 sinkt. The inventive method ensures that in the low-load operating state of the vehicle and at a charge level above the upper charge threshold, the operation can be performed purely from the energy storage. The fuel cell system 20 is preferably exclusively for charging the energy storage 30 used when the charge level of the energy storage 30 below a lower charging threshold 34 sinks.

Die beiden Ladestandschwellen 32 und 34 sind schematisch in 2 dargestellt, wobei die obere Ladestandschwelle 32 deutlich über der unteren Ladestandschwelle 34 liegt. Insbesondere ist der Abstand zwischen den beiden Ladestandschwellen 32 und 34 größer als ein applizierbarer Wert, zum Beispiel 10% der maximal möglichen 100% Ladestand des Energiespeichers 30 und liegt zum Beispiel für die obere Ladestandschwelle 32 bei circa 50% und für die untere Ladestandschwelle 34 bei circa 30%. The two charging thresholds 32 and 34 are schematic in 2 shown, wherein the upper charge threshold 32 significantly above the lower charge threshold 34 lies. In particular, the distance between the two charging thresholds 32 and 34 greater than an applicable value, for example 10% of the maximum possible 100% charge level of the energy store 30 and is for example for the upper charge threshold 32 at about 50% and for the lower charge threshold 34 at about 30%.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zum Laden des Energiespeichers 30 wird dieser Betrieb vorzugsweise in optimierter beziehungsweise wirkungsgradoptimierter Weise durchgeführt. Damit wird eine deutliche Reduktion des Treibstoffverbrauches des Brennstoffzellensystems 20 erreicht. In operation of the fuel cell system 20 to charge the energy storage 30 will this Operation preferably carried out in an optimized or efficiency-optimized manner. This is a significant reduction in fuel consumption of the fuel cell system 20 reached.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung nur im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above explanation of the embodiments describes the present invention only in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments, if technically feasible, can be combined freely with one another, without departing from the scope of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2009/0297901 A1 [0002] US 2009/0297901 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems (10) mit einem Brennstoffzellensystem (20) zumindest zum Laden wenigstens eines Energiespeichers (30) für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs (100), aufweisend die folgenden Schritte: – Erkennen eines Niedriglast-Betriebszustands des Fahrzeugs (100), – Bestimmen des Ladestandes des Energiespeichers (30), – Bei einem Ladestand des Energiespeichers (30) über einer oberen Ladestandschwelle (32), Ausschalten des Brennstoffzellensystems (20) und Antrieb des Fahrzeugs (100) aus dem Energiespeicher (30).Method for operating a drive system ( 10 ) with a fuel cell system ( 20 ) at least for charging at least one energy store ( 30 ) for the electric drive of a vehicle ( 100 ), comprising the following steps: - detecting a low-load operating condition of the vehicle ( 100 ), - Determining the charge state of the energy store ( 30 ), - At a charge level of the energy store ( 30 ) above an upper charge threshold ( 32 ), Switching off the fuel cell system ( 20 ) and driving the vehicle ( 100 ) from the energy store ( 30 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ladestand des Energiespeichers (30) unterhalb einer unteren Ladestandschwelle (34) das Brennstoffzellensystem (20) weiter betrieben oder eingeschaltet wird.A method according to claim 1, characterized in that at a state of charge of the energy store ( 30 ) below a lower charge threshold ( 34 ) the fuel cell system ( 20 ) is operated or switched on. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems (20) während des Niedriglast-Betriebszustandes dieser Betrieb in wirkungsgradoptimierter Weise erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during operation of the fuel cell system ( 20 ) during the low-load operating state, this operation takes place in an efficiency-optimized manner. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennen der Beendigung des Niedriglast-Betriebszustandes des Fahrzeugs (100) das Brennstoffzellensystem (20) zumindest teilweise für das Laden des Energiespeichers (30) betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after detecting the termination of the low-load operating state of the vehicle ( 100 ) the fuel cell system ( 20 ) at least partially for charging the energy store ( 30 ) is operated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Ausschalten des Brennstoffzellensystems (20) die Luftversorgung der Kathoden des Brennstoffzellensystems (20) und/oder die Rezirkulationseinheit der Anode des Brennstoffzellensystems (20) ausgeschaltet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that for switching off the fuel cell system ( 20 ) the air supply of the cathodes of the fuel cell system ( 20 ) and / or the recirculation unit of the anode of the fuel cell system ( 20 ) is switched off. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung des Niedriglast-Betriebszustandes des Fahrzeugs (100) auf wenigstens einem der folgenden Parameter beruht: – Fahrpedalstellung – Fahrzeuggeschwindigkeit – Fahrzeugbeschleunigung – Position des Fahrzeugs aus einem Navigationssystem – Erkannte Beschilderung in der Umgebung des Fahrzeugs – Abstand zu umgebenden Fahrzeugen – Informationen zum Verkehrsfluss – Aktivierung durch den FahrerMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the detection of the low-load operating state of the vehicle ( 100 ) is based on at least one of the following parameters: - Accelerator pedal position - Vehicle speed - Vehicle acceleration - Position of the vehicle from a navigation system - Detected signs in the vicinity of the vehicle - Distance to surrounding vehicles - Information about traffic flow - Activation by the driver Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niedriglast-Betriebszustands des Fahrzeugs (100) als solcher erkannt wird, wenn das Fahrzeug (100) sich mehr als 10 Sekunden, insbesondere mehr als 1 Minute, in diesem Betriebszustand befindet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a low-load operating state of the vehicle ( 100 ) is recognized as such when the vehicle ( 100 ) is in this operating state for more than 10 seconds, in particular more than 1 minute. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem (20) die Temperatur des Brennstoffzellensystems (20) überwacht wird und bei unterschreiten einer Mindesttemperatur, insbesondere von circa 20°C, das Brennstoffzellensystem (20) wieder eingeschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the fuel cell system ( 20 ) the temperature of the fuel cell system ( 20 ) is monitored and falls below a minimum temperature, in particular of about 20 ° C, the fuel cell system ( 20 ) is turned on again. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems (20) dieses Brennstoffzellensystem (20) in einem Betriebszustand gehalten wird, welcher ein Einschalten des Brennstoffzellensystems (20) in weniger als circa 1s, insbesondere in weniger als circa 300ms, ermöglicht. Method according to one of the preceding claims, characterized in that after switching off the fuel cell system ( 20 ) this fuel cell system ( 20 ) is maintained in an operating state, which switching on the fuel cell system ( 20 ) in less than about 1 s, in particular less than about 300 ms. Energiemanagementsystem mit einer Kontrolleinheit (40) für den Betrieb eines Antriebssystems (10) für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs (100), wobei das Antriebssystem (10) ein Brennstoffzellensystem (20) und wenigstens einen Energiespeicher (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (40) ausgebildet ist für die Ausführung eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9.Energy management system with a control unit ( 40 ) for the operation of a drive system ( 10 ) for the electric drive of a vehicle ( 100 ), wherein the drive system ( 10 ) a fuel cell system ( 20 ) and at least one energy store ( 30 ), characterized in that the control unit ( 40 ) is designed for carrying out a method having the features of one of claims 1 to 9.
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