DE102013104324B4 - Wirkungsgradbasierender Stand-by-Betrieb für Brennstoffzellenantriebssysteme - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) in einem Stand-by-Betrieb des Systems (10), wobei das Verfahren umfasst:- Bestimmen eines Leistungsgrenzwertes, wobei das System (10) in den Stand-by-Betrieb des Systems (10) übergehen wird, wenn eine Leistungsanfrage des Systems (10) unter den Leistungsgrenzwert fällt;- Bestimmen, dass die Leistungsanfrage des Systems (10) unter den Leistungsgrenzwert gefallen ist;- Eintreten in einen dynamischen Stand-by-Betrieb, wobei ein Brennstoffzellenstapel (12) in dem Brennstoffzellensystem (10) abgeschaltet wird und ein Kompressor (14), der Kathodenluft an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) liefert, mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird;- Akkumulieren eines Kompressorleistungswerts, der identifiziert, wie viel Energie durch das Betreiben des Kompressors (14) mit der Leerlaufdrehzahl während des dynamischen Stand-by-Betriebs verbraucht worden ist; und- Eintreten in einen statischen Stand-by-Betrieb, wenn der akkumulierte Kompressorleistungswert einen Kompressorwiederstartsenergiewert erreicht, der identifiziert, wie viel Energie benötigt wird, um den Kompressor (14) zu starten, wobei das Eintreten in den statischen Stand-by-Betrieb das Abschalten des Kompressors (14) beinhaltet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und Verfahren für das Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Stand-by-Betrieb und insbesondere auf ein System und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Stand-by-Betrieb, das das Bestimmen, wenn in den Stand-by-Betrieb basierend auf einer Optimierung zwischen der Brennstoffzellenstapelleistung und der Batterieleistung übergegangen werden soll, und das anschließende Vorsehen eines dynamischen Stand-by-Betriebs, bei dem der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet ist und der Kathodenkompressor bei einer Leerlaufdrehzahl arbeitet, bis eine berechnete Zeit verstrichen ist, und das darauf folgende Vorsehen eines statischen Stand-by-Betriebs, bei dem der Kompressor nicht arbeitet, umfasst.
  • 2. Diskussion des Standes der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthalten. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Ein typischer Kathodenluftkompressor umfasst Luftlager. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel umfasst ferner Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
  • Ein Brennstoffzellenstapel weist eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen die mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
  • Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine Antriebsquelle zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise eine Hochvolt DC Batterie oder einen Ultrakondensator, verwenden. Ein bidirektionaler DC/DC-Konverter wird manchmal dazu verwendet, um die Batteriespannung mit der Spannung des Brennstoffzellenstapels abzugleichen. Die Antriebsquelle liefert zusätzliche Leistung für die verschiedenen Fahrzeug-Hilfslasten, für das Hochlaufen des Systems und während hoher Leistungsnachfrage, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel liefert Leistung an einen elektrischen Traktionsmotor über einen elektrischen DC-Hochvoltbus für den Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert zusätzliche Leistung an den elektrischen Bus während derjenigen Zeiten, bei denen zusätzliche Leistung über das hinaus benötigt wird, was der Stapel liefern kann, beispielsweise während einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel 70 kW an Leistung liefern, wohingegen das Fahrzeug für die Beschleunigung 100 kW Leistung benötigen kann. Der Brennstoffzellenstapel wird verwendet, um die Batterie oder den Superkondensator an denjenigen Zeiten wieder aufzuladen, bei denen der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, die Leistungsanforderungen des Systems zu erfüllen. Die von dem Traktionsmotor verfügbare Generatorleistung wird während regenerativen Bremsens auch dazu verwendet, um die Batterie oder den Superkondensator wieder aufzuladen.
  • Es ist notwendig, Kontrollalgorithmen auf einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug bereitzustellen, um zu bestimmen, wie viel Leistung von dem Brennstoffzellenstapel geliefert werden wird und wie viel Leistung von der Batterie im Hinblick auf eine Fahrerleistungsanfrage und unter allen Fahrzeugbetriebsbedingungen geliefert werden wird. Es ist wünschenswert, die Leistungsverteilung, die von dem Brennstoffzellenstapel und der Batterie geliefert wird, zu optimieren, so dass der Betrag an Wasserstoff, der verwendet wird, um das Fahrzeug zu betreiben, minimiert wird. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, dass Brennstoffzellensystem auf die effizienteste Art zu betreiben, die es gestattet, dass das Fahrzeug die weitmöglichste Strecke unter Verwendung des niedrigsten möglichen Betrags an Wasserstoff zurücklegt. Die Batterie muss innerhalb eines definierten Bereichs des Ladezustands (SOC) betrieben werden, wobei die Kontrollalgorithmen typischerweise einen SOC-Sollwert bereitstellen, auf welchen das Batterieladen und -entladen mithilfe dieses Sollwerts geregelt wird.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug in einem Leerlaufbetrieb ist, beispielsweise wenn das Fahrzeug an einer roten Ampel gestoppt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel keine Leistung erzeugt, um die Systemgeräte zu betreiben, werden Luft und Wasserstoff im Allgemeinen weiterhin an den Brennstoffzellenstapel geliefert und der Stapel erzeugt eine Ausgangsleistung. Diese Leistung wird typischerweise dazu verwendet, um die Batterie bis eine obere SOC-Grenze der Batterie erreicht ist, wiederaufzuladen, wobei die Batterie beschädigt werden kann, wenn die Batterie über diese Obergrenze hinaus aufgeladen wird. Wenn diese SOC-Grenze erreicht wird, wird die Batterielast vom Stapel getrennt, was die Stapelspannung erhöht und ein gewisses Phänomen erzeugt, dass die Lebensdauer des Stapels verringert. Wenn das Brennstoffzellensystem während der Leerlaufbedingungen abgeschaltet wird, muss das Problem mit dem Bereitstellen einer Last an den Stapel, sobald die Batterie ihren maximalen Ladezustand erreicht hat, nicht adressiert werden. Darüber hinaus ist das Bereitstellen von Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel, wenn diese im Leerlaufbetrieb ist, im Allgemeinen verschwenderisch, da das Betreiben des Stapels unter dieser Bedingung, wenn überhaupt, keine besonders nutzvolle Arbeit ausführt.
  • Für diese und andere Brennstoffzellensystembetriebsbedingungen kann es wünschenswert sein, das System in einen Stand-by-Betrieb zu versetzen, wobei das System wenig oder gar keine Leistung aufnimmt, die verwendete Menge an Wasserstoffbrennstoff minimal ist und das System schnell aus dem Stand-by-Betrieb zurückkehren kann, um so die Systemeffizienz zu steigern und die Systemalterung zu reduzieren. Die
    US 2011 / 0 087 389 A1 mit dem Titel „Stand-by-Betrieb für die Optimierung der Effizienz und Lebensdauer einer Brennstoffzellenfahrzeugapplikation“, angemeldet am 12. März 2010 von dem Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit inkorporiert durch Bezugnahme, offenbart ein Verfahren zum Versetzen eines Brennstoffzellensystems auf einem Fahrzeug in einen Stand-by-Betrieb, um Brennstoff zu sparen.
  • Die US 2001 / 0 053 950 A1 offenbart eine Leerlaufsteuervorrichtung für Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Die DE 10 2009 036 199 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug.
  • Die DE 10 2011 009 670 A1 offenbart eine Online-Anodendruckvorbelastung zur Maximierung der Ablassgeschwindigkeit, während Emissionsbeschränkungen eingehalten werden.
  • Die WO 02 / 036 385 A1 offenbart eine Betriebslastregelung für das Brennstoffzellen-Stromversorgungssystem in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Stand-by-Betrieb offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen eines Leistungsgrenzwertes basierend auf einer Brennstoffzellenstapel- und Batterieleistungsoptimierung, wobei das System in den Stand-by-Betrieb übergehen wird, wenn eine Systemleistungsanfrage unter den Leistungsgrenzwert des Systems fällt. Wenn die Leistungsanfrage unter den Leistungsgrenzwert fällt, geht das System zuerst in einen dynamischen Stand-by-Betrieb über, wobei der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird und ein Kompressor, der Kathodenluft an die Kathodenseite des Stapels liefert, mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird. Das Verfahren speichert einen Kompressorleistungswert, der identifiziert, wie viel Energie durch das Betreiben des Kompressors bei der Leerlaufdrehzahl während des dynamischen Stand-by-Betriebs verbraucht worden ist und schaltet dann auf einen statischen Stand-by-Betrieb um, wobei der Kompressor abgeschaltet wird, wenn der gespeicherte Kompressorleistungswert einen Kompressorwiederstartsenergiewert erreicht, der identifiziert, wie viel Energie benötigt wird, um den Kompressor zu starten.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
    • 2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und Leistung auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche verschiedene Beziehungen zwischen der Stapelausgangsleistung und der gesparten Energie während eines Stand-by-Betriebs veranschaulicht; und
    • 3 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zum Betreiben des Systems aus der 1 in einem Stand-by-Betrieb veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Stand-by-Betrieb gerichtet ist, das sowohl die Optimierung von Stapel- und Batterieleistung als auch das Regeln des Kathodenkompressors beinhaltet, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise hat die vorliegende Erfindung eine Anwendung bei einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug. Fachleute können jedoch leicht erkennen, dass die vorliegende Erfindung eine Anwendung bei anderen Brennstoffzellensystemen haben kann, die nicht auf einem Fahrzeug befindlich sind.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Der Brennstoffzellenstapel 12 beinhaltet eine Kathodenseite, die Kathodenluft von einem Kompressor 14 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 erhält. Der Kompressor 14 kann jeder für die hier beschriebenen Zwecke geeignete Kompressor sein und wird typischerweise ein Kompressor sein, der Luftlager verwendet. Das kathodenseitige Abgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodenausgangsleitung 18 durch ein Auslassventil 90 ausgelassen. Eine Bypass-Leitung 20 mit einem Bypass-Ventil 22 ist vorgesehen, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Kompressor 14 während verschiedener Systembetriebsbedingungen, beispielsweise während einem Stand-by-Betrieb, wie unten detailliert diskutiert werden wird, um den Stapel 12 herumgeleitet wird. Wenn das Bypass-Ventil 22 offen ist und das Auslassventil 90 geschlossen ist, strömt Kathodenluft um den Stapel 12 und nicht durch den Stapel 12.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Wasserstoffquelle 24, die Wasserstoffgas an einen Injektor 28 liefert, der das Gas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 unter einem gesteuerten gepulsten Tastverhältnis auf einer Anodeneingangsleitung 26 injiziert. Das anodenseitige Abgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Anodenrezirkulationsleitung 30 ausgelassen, die das anodenseitige Abgas zurück auf die Anodeneingangsleitung 26 durch den Injektor 28 rezirkuliert, welcher ebenso als Ejektor arbeiten kann, was von Fachleuten gut verstanden ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner eine Hochvoltbatterie 34, die jedes geeignete wiederaufladbare Batteriesystem sein kann, das verschiedene gewünschte Ladeund Entladecharakteristiken für die Brennstoffzellensystemanwendungen liefert, beispielsweise Lithium-Ionenbatterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien, Blei-Säurebatterien, Nickel-Kadmium-Batterien etc.. Obwohl die Batterie 34 in dieser nicht einschränkenden Ausführungsform als eine Hilfsenergiequelle verwendet wird, können andere Hochvolt-Gleichstromspeichervorrichtungen anstelle der Batterie 34, beispielsweise ein Superkondensator, verwendet werden.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 und die Batterie 34 können verschiedene Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von ihrer Ausgestaltung und dem Laststrom aufweisen. Ein DC/DC-Hochsetzsteller 36 stellt den Spannungsabgleich zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 34 bereit und liefert eine Stromregelung, die selektiv bestimmt, wie viel Leistung von dem Stapel 12 geliefert wird, um die verschiedenen Systemlasten und einen elektrischen Traktionsmotor 38 unter wechselnden Brennstoffzellensystembetriebsbedingungen und Fahrerleistungsanfragen anzutreiben.
  • In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel 12 elektrisch mit dem DC/DC-Hochsetzsteller 36 über einen Stapel 40 gekoppelt und der DC/DC-Hochsetzsteller 36 ist elektrisch mit der Hochvoltbatterie 34 über einen Hochvoltbus 42 gekoppelt. Die verschiedenen Hochvoltkomponenten des Systems 10 sind elektrisch mit dem Hochvoltbus 42 zwischen dem Hochsetzsteller 36 und der Batterie 34 gekoppelt. Insbesondere sind der Kompressor 14 und verschiedene Systemlasten 44 mit dem Hochvoltbus 42 am Knoten 46 elektrisch gekoppelt. Ferner sind der elektrische Traktionsmotor 38 zusammen mit der Hochvoltbatterie 34 mit dem Hochvoltbus 42 am Knoten 48 gekoppelt. Ein Systemkontroller 32 steuert das Brennstoffzellensystem 10 und umfasst Algorithmen zum Bereitstellen einer Leistungsoptimierung und einer Stand-by-Betriebsregelung, die mit der hier geführten Diskussion konsistent ist.
  • US-Patentanmeldung Serien Nummer 13/396,145 mit dem Titel „Analytisches Verfahren eines brennstoffverbrauchsoptimierten Hybridkonzepts für Brennstoffzellensysteme“, angemeldet am 14. Februar 2012 vom Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart einen Leistungsoptimierer, der bestimmt, wie viel Leistung an einen Brennstoffzellenstapel 12 geliefert werden muss und wie viel Leistung von der Hochvoltbatterie 34 für eine bestimmte Fahrerleistungsanfrage geliefert werden muss, so dass der Betrag an Wasserstoff, der verbraucht wird, minimiert wird. Der Leistungsoptimierer basiert auf Effizienztabellen für den Brennstoffzellenstapel 12 und die Hochvoltbatterie 34. Bei einer vorgegebenen Fahrerleistungsanfrage PDriver,req berechnet der Optimierer die optimale Leistungsverteilung zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 34, wobei die Effizienztabellen in Polynomgleichungen transformiert werden. Die Berechnungen definieren die Leistung, die von dem Stapel 12 als eine virtuelle Stapelwasserstoffleistung PH2 ,FCS geliefert wird, und die Leistung, die von der Batterie 34 als eine virtuelle Batteriewasserstoffleistung PH2 ,Bat. geliefert wird. Die Polynomgleichungen werden gelöst, um eine Stapelleistungsanfrage PFCS,req zu bestimmen und danach wird diejenige Leistung von der Fahrerleistungsanfrage PDriver,req zusammen mit anderen Faktoren subtrahiert, um eine Batterieleistungsanfrage PBat,req zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt einen effizienten Stand-by-Betrieb für das Brennstoffzellensystem 10 vor. Das System 10 kann in den Stand-by-Betrieb versetzt werden, wenn bestimmte Voraussetzungen und Eintrittskriterien, beispielsweise diejenigen aus der oben zitierten '261-Patentanmeldung, erfüllt wurden. Diese Eintrittskriterien können beispielsweise den Batterieladezustand, die Fahrerleistungsanfrage, die Zündschlüsselposition etc. umfassen. Sobald die Eintrittskriterien für den Stand-by-Betrieb erfüllt worden sind, bestimmt der Systemkontroller 32 dann, ob der Stand-by-Betrieb eingegangen werden sollte basierend auf einer berechneten Leistungsoptimierung zwischen der Stapel- und der Batterieleistung, und grundsätzlich, ob der Brennstoffzellenstapel 12 weiterhin betrieben werden sollte, um Leistung abzugeben, um die Batterie 34 zu laden, so dass diese einen Sollladezustandswert aufweist. Mit anderen Worten bestimmt der Systemkontroller 32 zuerst, ob all die notwendigen Voraussetzungen für das Eintreten in den Stand-by-Betrieb erfüllt sind, und wenn dies der Fall ist, dann verwendet dieser beispielsweise den Leistungsoptimierungsalgorithmus, der in der '145-Patentanmeldung offenbart ist, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel 12 weiterhin betrieben werden sollte oder mit dem Stand-by-Betrieb begonnen werden sollte.
  • Wenn der Kontroller 32 bestimmt, dass der Stand-by-Betrieb eingegangen werden sollte, betreibt der Kontroller 32 zuerst das System 10 in einem dynamischen Stand-by-Betrieb, wobei der Kompressor 14 mit dem Bypass-Ventil 22 in geöffneter Position und dem Auslassventil 90 in der geschlossenen Position im Betrieb verbleibt. In dem dynamischen Stand-by-Betrieb arbeitet der Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl, beispielsweise bei 30.000 rpm, der Brennstoffzellenstapel 12 ist jedoch abgeschaltet. Da der Kompressor 14 einen signifikanten Betrag an Beschleunigungsenergie benötigt, um wieder gestartet zu werden, ist es effizienter, den Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl in dem dynamischen Stand-by-Betrieb für einige Zeit zu belassen, nachdem der Sand-by-Betrieb gestartet ist. Wenn der Kompressor 14 abgeschaltet wird, wenn der Stand-by-Betrieb eingegangen wird, ist mit anderen Worten die für das Wiederstarten des Kompressors 14 benötigte Leistung grösser als der Betrag an Leistung, der durch das Abschalten des Kompressors 14 beim Start des Stand-by-Betriebs gespart wird.
  • Basierend auf der Drehzahl des Kompressors 14, der Art des Kompressors etc. kann eine Berechnung durchgeführt werden, um zu bestimmen, bei welcher Zeit der Kompressor 14 abgeschaltet werden sollte, wobei das Belassen des Kompressors 14 im Betrieb mehr Energie benötigen würde, als während des Stand-by-Betriebs gespart werden würde. Wenn der Kompressor 14 abgeschaltet wird, geht die Stand-by-Betriebsart von dem dynamischen Stand-by-Betrieb in einen statischen Stand-by-Betrieb über, wobei sowohl der Brennstoffzellenstapel 12 als auch der Kompressor 14 abgeschaltet werden. Die vorliegende Erfindung identifiziert den Break-Even-Punkt der Leerlaufenergie des Kompressors 14 und der Wiederstartenergie des Kompressors 14.
  • Durch das Betreiben des Kompressors 14 in dem dynamischen Stand-by-Betrieb kann der Kompressor 14 sehr schnell von der Leerlaufdrehzahl auf eine Solldrehzahl hochlaufen, wenn eine Leistungsanfrage gestellt wird. Es erfordert jedoch kontinuierliche Leistung, um den Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl zu betreiben. Darüber hinaus ist es von Vorteil, den Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl zu betreiben, da bei denjenigen Kompressoren, die Luftlager verwenden, da Reibung auf die Lager ausgeübt wird, was möglicherweise zu eine Beschädigung führen kann, wenn der Kompressor 14 jedes Mal die Drehzahl Null durchläuft. Darüber hinaus ist der Betrag an Beschleunigungsenergie, die für das Hochlaufen des Kompressors auf seine Leerlaufdrehzahl erforderlich ist, signifikant, wenn der Kompressor 14 nicht betrieben wird. Wenn der Kompressor 14 in dem dynamischen Stand-by-Betrieb betrieben wird, kommt es auch zu Vorteilen für aggressivere Fahrer die aus der Leerlaufstellung sehr schnell beschleunigen, da der Kompressor 14 seine Drehzahl nicht von Null hochfahren muss.
  • 2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Leistung und Energie auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der die Leistungsbeziehungen, die oben für den Stand-by-Betrieb diskutiert wurden, veranschaulicht. Die Graphenkurve 50 stellt die Leistung dar, die von dem Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise von dem Hybridleistungsoptimierer angefordert wird. Die Linie 52 stellt einen Leistungsgrenzwert dar, der den Leistungswert identifiziert, bei dem das Brennstoffzellensystem 10 während der Leerlaufbedingungen abgeschaltet werden sollte, und bei dem darüber hinaus das Laden der Batterien nicht erwünscht oder nicht möglich ist. Darüber hinaus wird Batterieleistung verwendet, um den Kompressor 14 zu betreiben, und es wird Energie verbraucht, da der Kompressor 14 arbeitet, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 abgeschaltet ist. Da Batterieleistung verwendet wird, um den Kompressor 14 während des Stand-by-Betriebs zu betreiben, ist es notwendig, dass der Ladezustand der Batterie 34 über einem vorbestimmten Ladezustandsgrenzwert liegt, wenn der Stapel 12 abgeschaltet wird, so dass das Betreiben des Kompressors 14 und anderer Systemgeräte während des Stand-by-Betriebs nicht dazu führen, dass der Batterieladezustand unter den minimal erforderlichen Batterieladezustand fällt. Die Linie 68 stellt den erforderlichen Betrag an Leistung dar, um den Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl zu betreiben, und die Linie 60 stellt die Beschleunigungsenergie dar, die erforderlich ist, um den Kompressor 14 von der Drehzahl Null auf die Leerlaufdrehzahl hochzufahren. Die Linie 58 stellt die Akkumulation der Leistung dar, die der Energie entspricht, um den Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl über die Zeit zu betreiben.
  • Wenn die Leistungsanfrage zu sinken beginnt, was eine potentielle Stand-by-Betriebsbedingung indiziert, wird die Leistungsanfrage eventuell die Leistungslinie 52 zu der Zeit t1, dargestellt durch die Linie 54, erreichen, bei der der Kontroller 32 mit dem Beginn des Stand-by-Betriebs beginnen wird. Der Kontroller 32 gestattet es, eine gewisse Zeitdauer unverändert fortzufahren, nachdem die Stand-by-Betriebsbedingungen erfüllt worden sind, um Stabilität, eine Dämpfung und das Ausschließen der Möglichkeit, dass die Leistungsanfrage sofort wieder über die Leistungsgrenzwertlinie 52 zurückkehren wird, zu gewährleisten. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beträgt diese Zeit 1 - 2 Sekunden. Sobald diese Zeit zu einer Zeit t2, die durch die Linie 56 dargestellt ist, verstrichen ist, geht der Kontroller 32 dann spezifisch in den Stand-by-Betrieb über, indem er zuerst in dem dynamischen Stand-by-Betrieb arbeitet, wobei der Kompressor 14 damit fortfährt, mit seiner Leerlaufdrehzahl zu laufen.
  • Während das System 10 in dem dynamischen Stand-by-Betrieb arbeitet, wird der Energiebetrag, der von dem Kompressor 14 verbraucht wird, um bei seiner Leerlaufdrehzahl zu laufen, eventuell die Kompressorwiederstartsbeschleunigungsenergie zu der Zeit t3 erreichen, welche durch die Linie 62 dargestellt ist, wobei der Energiebetrag, der von dem Kompressor 14 verwendet wird, um betrieben zu werden, gleich zu dem Energiebetrag ist, welcher erforderlich ist, um den Kompressor 14 wieder zu starten, wäre dieser zu der Zeit t2 abgeschaltet worden. Zur Zeit t3 steuert der Kontroller 32 in den statischen Stand-by-Betrieb, wobei der Kompressor 14 für den Rest des Stand-by-Betriebs abgeschaltet wird. Eventuell wird die Leistungsanfrage steigen, wenn der Fahrer aus den Leerlaufbedingungen geht. Wenn die Leistungsanfrage die Leistungsgrenzlinie 52 zur Zeit t4, die durch die Linie 66 dargestellt ist, erreicht, wird der Stand-by-Betrieb enden und die Hybridleistungsoptimierungsregelung wird beginnen.
  • Durch das Betreiben des Kompressors 14 im dynamischen Stand-by-Betrieb und im statischen Stand-by-Betrieb in dieser Weise, ist der Betrag an Energie, der durch das Dreieck, das durch die Linie 56, die Kompressorenergielinie 58 und die Kompressorwiederstartsenergiemenge 60 gebildet wird, der Betrag an Energie, der eingespart wird. Die Linie 64 ist eine Verlängerung der Linie 58, die anzeigt, wie viel Energie von dem Kompressor 14 während des statischen Stand-by-Betriebs verwendet werden würde, wäre diese nicht abgeschaltet worden.
  • 13 ist ein Flussdiagramm 70, das ein Verfahren zum Regeln des Stand-by-Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 in der oben diskutierten Art veranschaulicht. Der Algorithmus überwacht die Brennstoffzellensystemleistungsanfrage, um zu bestimmen, ob diese unter die Leistungsgrenzlinie 52 in der Entscheidungsraute 72 fällt. Wenn die Leistungsanfrage unter die Leistungsgrenzlinie 52 fällt, startet der Algorithmus einen Zähler im Kasten 74 und bestimmt, ob der Zähler einen vorbestimmten Zählwert in der Entscheidungsraute 76 erreicht hat, um die Verzögerung zwischen den Zeiten t1 und t2 einzustellen. Sobald diese Zeit in der Entscheidungsraute 76 verstrichen ist, geht der Algorithmus durch Abschalten des Brennstoffzellensystems 10, Öffnen des Bypass-Ventils 22, Schließen des Auslassventil 90 und Betreiben des Kompressors 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl in den dynamischen Stand-by-Betrieb im Kasten 78 über. Der Algorithmus akkumuliert dann im Kasten 80 die Leistung für den Betrieb des Kompressor 14 bei seiner Leerlaufdrehzahl und bestimmt in der Entscheidungsraute 82, ob die angeforderte Leistung auf die Leistungsgrenzlinie 52 angestiegen ist, und verlässt den Stand-by-Betrieb, wenn dies der Fall ist. Wenn die angeforderte Leistung nicht auf die Leistungsgrenzlinie 52 angestiegen ist, bestimmt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 84, ob die akkumulierte Leistung den Kompressorwiederstartsenergiewert erreicht hat. Wenn die akkumulierte Leistung den Kompressorwiederstartsenergiewert in der Entscheidungsraute 84 erreicht, tritt in der Entscheidungsraute 84 der Algorithmus durch Abschalten des Kompressors 14 in den statischen Stand-by-Betrieb ein. Der Algorithmus überwacht wiederum, ob die angeforderte Leistung auf die Leistungsgrenzwertlinie 52 angestiegen ist, und kehrt, wenn dies nicht der Fall ist, zu dem Kasten 86 zurück, um mit dem momentanen Stand-by-Betrieb fortzufahren. Wenn in der Entscheidungsraute 88 die Leistungsanfrage auf die Leistungsgrenzwertlinie 52 ansteigt, dann verlässt der Algorithmus den Stand-by-Betrieb.
  • Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
  • Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) in einem Stand-by-Betrieb des Systems (10), wobei das Verfahren umfasst: - Bestimmen eines Leistungsgrenzwertes, wobei das System (10) in den Stand-by-Betrieb des Systems (10) übergehen wird, wenn eine Leistungsanfrage des Systems (10) unter den Leistungsgrenzwert fällt; - Bestimmen, dass die Leistungsanfrage des Systems (10) unter den Leistungsgrenzwert gefallen ist; - Eintreten in einen dynamischen Stand-by-Betrieb, wobei ein Brennstoffzellenstapel (12) in dem Brennstoffzellensystem (10) abgeschaltet wird und ein Kompressor (14), der Kathodenluft an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) liefert, mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird; - Akkumulieren eines Kompressorleistungswerts, der identifiziert, wie viel Energie durch das Betreiben des Kompressors (14) mit der Leerlaufdrehzahl während des dynamischen Stand-by-Betriebs verbraucht worden ist; und - Eintreten in einen statischen Stand-by-Betrieb, wenn der akkumulierte Kompressorleistungswert einen Kompressorwiederstartsenergiewert erreicht, der identifiziert, wie viel Energie benötigt wird, um den Kompressor (14) zu starten, wobei das Eintreten in den statischen Stand-by-Betrieb das Abschalten des Kompressors (14) beinhaltet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Leistungsgrenzwertes das Bestimmen des Leistungsgrenzwertes basierend auf einer Optimierung zwischen einer Brennstoffzellenstapelleistung und einer Batterieleistung beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Optimierung zwischen der Brennstoffzellenstapelleistung und der Batterieleistung eine Optimierung für das Laden der Batterie (34) mit der Brennstoffzellenstapelleistung beinhaltet, bis die Batterie (34) einen vorbestimmten Batterieladezustand erreicht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Eintreten in einen dynamischen Stand-by-Betrieb ein Verzögern der Zeit beinhaltet, zu der das System (10) in den dynamischen Stand-by-Betrieb eintritt, nachdem die Systemleistungsanfrage unter den Leistungsgrenzwert fällt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verzögern der Zeit, zu der das System (10) in den dynamischen Stand-by-Betrieb eintritt, das Verzögern der Zeit um 1 - 2 Sekunden beinhaltet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Verlassen des Stand-by-Betriebs des Systems (10), wenn die Systemleistungsanfrage über den Leistungsgrenzwert ansteigt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kompressor (14) Luftlager beinhaltet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem (10) auf einem Fahrzeug ist.
  9. Ein Kontrollsystem zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) in einem Stand-by-Betrieb des Systems (10), wobei das Kontrollsystem umfasst: - Mittel zum Bestimmen eines Leistungsgrenzwertes, wobei, wenn eine Systemleistungsanfrage unter den Leistungsgrenzwert fällt, das System (10) in den Stand-by-Betrieb des Systems (10) eintreten wird; - Mittel zum Bestimmen, dass die Systemleistungsanfrage unter den Leistungsgrenzwert gefallen ist; - Mittel zum Eintreten in einen dynamischen Stand-by-Betrieb, wobei ein Brennstoffzellenstapel (12) in dem Brennstoffzellensystem (10) abgeschaltet wird und ein Kompressor (14), der Kathodenluft an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) liefert, bei einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird; - Mittel zum Akkumulieren eines Kompressorleistungswerts, der identifiziert, wie viel Energie durch das Betreiben des Kompressors (14) bei der Leerlaufdrehzahl während des dynamischen Stand-by-Betriebs verbraucht worden ist; und - Mittel zum Eintreten in einen statischen Stand-by-Betrieb, wenn der akkumulierte Kompressorleistungswert einen Kompressorwiederstartsenergiewert erreicht, der identifiziert, wie viel Energie benötigt wird, um den Kompressor (14) zu starten, wobei das Eintreten in den statischen Stand-by-Betrieb das Ausschalten des Kompressors (14) beinhaltet.
  10. Kontrollsystem nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Bestimmen eines Leistungsgrenzwerts den Leistungsgrenzwert basierend auf einer Optimierung zwischen einer Brennstoffzellenstapelleistung und einer Batterieleistung bestimmen.
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