DE102013207244A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug Download PDF

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Arnulf Sponheimer
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Mathias Zilly
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, wobei das Brennstoffzellenhybridfahrzeug ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist, wobei in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem nur durch die HV-Batterie bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem sowohl durch die HV-Batterie als auch durch die Brennstoffzelle bereitgestellt wird, wobei ein Übergang zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus auf Basis wenigstens eines vorbestimmten Kriteriums erfolgt, und wobei dieses vorbestimmte Kriterium im Betrieb des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs abhängig von der aktuellen Fahrsituation variiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, welches ausschließlich elektrisch angetrieben wird und ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist.
  • In einem solchen Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCEV = "Fuel Cell Electric Vehicle") wird die für das Antriebssystem benötigte elektrische Energie von der Brennstoffzelle und/oder der HV-Batterie bereitgestellt. Demzufolge ist in einem solchen Brennstoffzellenhybridfahrzeug eine Strategie zur Steuerung der Verteilung der bereitzustellenden Leistung bzw. Energie zwischen HV-Batterie und Brennstoffzelle erforderlich.
  • Aus DE 199 38 623 C2 ist u.a. ein System zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente eines Antriebssystems in Form eines Hybridsystems aus einem Primärenergiewandler wie einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle und einen elektrochemischen Energiespeicher bekannt, wobei das Antriebssystem wenigstens einen Freiheitsgrad zu einer Variation eines Betriebspunktes wenigstens einer der Komponenten des Antriebssystems durch eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung aufweist.
  • Aus EP 1 455 930 B1 ist u.a. eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage bekannt, bei der eine Aktivierung der Brennstoffzelle unterbleibt, sofern die geschätzte Energie, welche zum Aktivieren der Brennstoffzelle erforderlich ist, größer oder gleich einem vorbestimmten Bestimmungswert ist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug bereitzustellen, welche einen robusten Betrieb mit größerem Wirkungsgrad ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, wobei das Brennstoffzellenhybridfahrzeug ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist, wird in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem nur durch die HV-Batterie bereitgestellt, und in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem sowohl durch die HV-Batterie als auch durch die Brennstoffzelle bereitgestellt. Dabei erfolgt ein Übergang zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus auf Basis wenigstens eines vorbestimmten Kriteriums, wobei dieses vorbestimmte Kriterium im Betrieb des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs abhängig von der aktuellen Fahrsituation variiert wird.
  • Gemäß der Erfindung wird die Schwelle, unterhalb der das Brennstoffzellensystem deaktiviert ist bzw. oberhalb der ein Mischbetrieb unter Einsatz von Brennstoffzellensystem und HV-Batterie erfolgt, somit nicht als feststehender bzw. konstanter Wert behandelt, sondern aus einer Mehrzahl von Parametern fortwährend neu bestimmt. Oberhalb der Einschaltschwelle findet ein Mischbetrieb unter Einsatz sowohl der Brennstoffzelle als auch der HV-Batterie statt. Dieser Mischbetrieb ist dadurch charakterisiert, dass sowohl die HV-Batterie als auch die Brennstoffzelle jeweils allein oder auch gemeinsam in unterschiedlichem Anteil bzw. Verhältnis eingesetzt werden können, und zwar grundsätzlich in sämtlichen denkbaren Lastzuständen bis hin zu Volllast. Hierbei wird die HV-Batterie nicht auf einem konstanten Ladezustand gehalten, sondern zügig aufgeladen und wieder entladen.
  • Die erfindungsgemäße Strategie ist insofern adaptiv, als sie an die tatsächliche Fahrtsituation des Fahrzeugs angepasst wird. Die erfindungsgemäße Strategie zeichnet sich insbesondere durch einen adaptiven Start/Stopp-Leistungspegel des Brennstoffzellensystems auf Basis bordseitiger Berechnungen gemäß der Fahrtsituation und des Fahrzeugstatus (z.B. des Alterungszustandes von Schlüsselkomponenten) aus, sowie auch durch einen vergleichsweise hohen Energiegehalt sowie eine stärkere Nutzung der HV-Batterie im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Dies bedeutet insbesondere, dass der Start/Stopp-Leistungspegel des Brennstoffzellensystems keinen festen Wert besitzt, sondern gemäß der Fahrtsituation und dem Fahrzeugstatus bordseitig (= "on-board") berechnet wird, wobei insbesondere der Alterungszustand bestimmter signifikanter Komponenten berücksichtigt wird. Der Einsatz des Brennstoffzellensystems erfolgt somit gemäß vorgegebenen Start-Stopp-Trigger-Ereignissen, welche wiederum in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrtsituation veränderlich sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform ergeht z.B. eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (dT) um einen vorgegebenen Wert (dSOC) abnimmt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergeht eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie einen unteren Grenzwert erreicht, und eine Abschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem ergeht, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie einen oberen Grenzwert erreicht.
  • Der Erfindung liegt des Weiteren das Konzept zugrunde, Betriebspunkte im Leerlauf – sowie Niedriglastbereich des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs ausschließlich mit der HV-Batterie abzudecken, wohingegen das Brennstoffzellensystem nur bei vergleichsweise hohen Lasten eingeschaltet wird. Mit anderen Worten wird ein Leistungsabschalt-Level ("power cutoff level"), unterhalb dessen eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems und damit eine Bereitstellung von Energie für das Antriebssystem ausschließlich über die HV-Batterie erfolgt, bei der Erfindung zu vergleichsweise hohen Werten verschoben. Hierdurch kann, wie anhand von Simulationen nachgewiesen wurde, für gegenwärtig gebräuchliche wie auch für künftige Brennstoffzellenkonzepte sowohl eine Steigerung des Wirkungsgrades, eine Senkung des H2-Verbrauchs sowie auch eine verbesserte Robustheit erreicht werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird somit insbesondere eine Energiemanagement-Strategie bereitgestellt, bei welcher die erforderliche Energie für das Antriebssystem des Fahrzeugs durch die HV-Batterie bis hin zu Leistungsanforderungen bereitgestellt wird, die wesentlich höher als bei gegenwärtigen FCEV-Konzepten liegen. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei ein vergleichsweise höherer Energiegehalt der HV-Batterie im Vergleich zu gegenwärtigen Systemen mit der Folge, dass ein batteriegestützter Betrieb in signifikantem Ausmaß erfolgen kann. Die Erfindung macht sich dabei insbesondere auch den Umstand zunutze, dass bei der erfindungsgemäßen Realisierung in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug anders als etwa bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen (welche sowohl einen Elektro – als auch einen Verbrennungsmotor aufweisen) ein Mischbetrieb bis zu hohen Lasten möglich ist.
  • Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass kritische Betriebspunkte im Betrieb eines Brennstoffzellensystems im Leerlauf- und Niedriglastbereich liegen, da in diesen Bereichen der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems vergleichsweise gering ist. Dieser vergleichsweise schlechte Wirkungsgrad wird hauptsächlich durch hohe parasitäre Lasten des Brennstoffzellensystems verursacht, welche für einen robusten Betrieb erforderlich sind.
  • Durch die Erfindung kann insbesondere eine verbesserte Effizienz bzw. ein höherer Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenelektrofahrzeugs (FCEV) erzielt werden, indem die Flexibilität bei der Leistungserzeugung und -verteilung gesteigert wird. Des Weiteren kann eine größere Robustheit des FCEV infolge der Eliminierung von Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems bei Leerlaufbetrieb und Niedriglast erzielt werden. Ferner kann auch die Hardware des Brennstoffzellensystems einfacher dimensioniert werden, was wiederum eine Kosteneinsparung zur Folge hat.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus nur, wenn eine Lastanforderung des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 15%, weiter insbesondere wenigstens 20% der maximalen Lastanforderung beträgt. Erfindungsgemäß kann somit insbesondere der Betrieb der Brennstoffzelle bei Lastanforderungswerten unterhalb von 10%, insbesondere unterhalb von 15 % der maximalen Lastanforderung vermieden bzw. nur im Notfall zugelassen werden. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus nur, wenn eine Lastanforderung des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs wenigstens 4kW, insbesondere wenigstens 6kW, weiter insbesondere wenigstens 8kW beträgt. Die Erfindung beinhaltet somit auch eine Abkehr von herkömmlichen Strategien, bei denen in der Regel soviel Last wie möglich über das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wohingegen herkömmlicherweise die HV-Batterie im Wesentlichen nur unterstützend in dynamischen Lastzuständen eingesetzt wird.
  • Hierdurch kann eine wesentliche Vereinfachung sowie Kostensenkung des Brennstoffzellensystems erreicht werden, wobei zugleich die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht und der Betrieb robuster gestaltet wird.
  • Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei Anwendung der erfindungsgemäßen Strategie eine Verschlechterung des Wirkungsgrades, wie man sie zunächst grundsätzlich erwarten könnte, vermieden werden kann, sofern nur die HV-Batterie hinreichend groß dimensioniert und im gesamten Kapazitätsband genutzt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Energiemanagement derart, dass elektrischen Verbrauchern in dem Brennstoffzellenhybridfahrzeug unterschiedliche Prioritätsgrade zugewiesen werden, wobei die den jeweiligen Verbrauchern zugewiesenen Lastanforderungen in Abhängigkeit von dem Prioritätsgrad variiert werden. Gemäß solchen Ausführungsformen wird somit auch ein Prioritätsgrad der Anforderungen (etwa ein vergleichweise hohen Prioritätsgrad für "sicherheitskritische" Verbraucher bis hin zu einem vergleichweise niedrigen Prioritätsgrad für "komfortbezogene" Verbraucher) berücksichtigt. Bei der erfindungsgemäßen Steuerungsstrategie werden dann basierend auf diesen Charakteristika der Leistungssollwert für das Brennstoffzellensystem (FCS = "Fuel Cell System") und die Batterie (Kapazität), die Stopp/Start-Bedingungen für die primäre Energiequelle (d.h. das Brennstoffzellensystem oder FCS) sowie die Energie für die elektrischen Hilfslasten und deren Priorität bestimmt, wobei eine Lastreduzierung für Lasten von niedriger Priorität erfolgt.
  • Durch die Erfindung wird im Ergebnis eine Strategie verwirklicht, bei der ein Ausgleich zwischen der Energieanforderung des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs und der aktuell (über Brennstoffzellensystem, Batterie und regeneratives Bremsen) verfügbaren Energie erfolgt. Dabei werden die Energiequellen und -senken jeweils hinsichtlich ihrer Dynamikrate, ihrem Leistungspegel sowie der Dauer der Lastanforderung charakterisiert. Bei der erfindungsgemäßen Bestimmung des vorstehend beschriebenen Abschalt-Levels des Brennstoffzellensystems können insbesondere die Lastanforderung des Fahrzeugs, der Ladezustand (SOC = "State of Charge") der HV-Batterie, der voraussichtliche Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges sowie die Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Des Weiteren erfolgt die Bestimmung des Abschalt-Levels des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf einen möglichst robusten Betrieb des Brennstoffzellensystems, die Vermeidung von Betriebszuständen, die eine Schädigung der Brennstoffzelle zur Folge haben können, und gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung besonderer/außergewöhnlicher Betriebszustände wie ein Start unter nachteiligen bzw. negativen Umgebungsbedingungen, z. B. bei niedrigen Außentemperaturen.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, wobei das Brennstoffzellenhybridfahrzeug ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist, und wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;
  • 2a–b schematische Diagramme zur Erläuterung beispielhafter Ausführungsformen für die Auslösung bzw. das Triggern einer Ein- bzw. Abschaltung des Brennstoffzellensystems; und
  • 3a–b schematische Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.
  • Im Weiteren wird zunächst ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Prinzip unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
  • In 1 ist durch die punktierte Kurve ein beispielhafter zeitabhängiger Verlauf der durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellten Leistung dargestellt. Diese Leistung steigt vom Wert Null zu einem Einschaltpunkt bzw. einer Einschaltschwelle an, wobei der Bereich der Brennstoffzelleneinschaltung in 1 schraffiert dargestellt ist. Dieser Einschaltpunkt des Brennstoffzellensystems liegt nicht zwingend in dem angegebenen, vorgegebenen Bereich bzw. Korridor, sondern kann in Abhängigkeit von der konkreten aktuellen Fahrtsituation auch gegebenenfalls signifikant darüber liegen.
  • Die ebenfalls zeitlich variierende Leistungsanforderung des Fahrzeugs ist in 1 durch die strichpunktierte Kurve dargestellt. Die gestrichelte Kurve bezeichnet den ebenfalls zeitlich (zwischen Werten "min." und "max.") variierenden Ladezustand (SOC) der HV-Batterie. In einem in 1 als "Batterie-Modus” bezeichneten ersten Betriebsmodus wird elektrische Energie für das Antriebssystem nur durch die HV-Batterie bereitgestellt. Hingegen wird in einem als "Mischmodus" bezeichneten zweiten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem elektrische Energie sowohl durch die HV-Batterie als auch durch die Brennstoffzelle bereitgestellt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Strategie erfolgt das Anfahren des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs grundsätzlich mit Hilfe der HV-Batterie. Wie in 2a–b schematisch dargestellt kann der Einsatz des Brennstoffzellensystems gemäß vorgegebenen Start-Stopp-Trigger-Ereignissen erfolgen, welche wiederum in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrtsituation veränderlich sind. So ergeht in einem Ausführungsbeispiel etwa gemäß 2a eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne dT um einen vorgegebenen Wert dSOC abnimmt. In einem Ausführungsbeispiel gemäß 2b ergeht eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie seinen unteren Grenzwert erreicht, wohingegen eine Abschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem ergeht, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie seinen oberen Grenzwert erreicht.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann etwa der Abschalt-Level ("cutoff level") des Brennstoffzellensystems auf einen Wert von 8kW eingestellt werden, d.h. unterhalb eines (im Vergleich zu herkömmlichen Management-Strategien hohen) Wertes von 8kW soll kein Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgen. Diese Deaktivierung des Brennstoffzellensystems bzw. die alleinige Bereitstellung von Energie für das Antriebssystem durch die HV-Batterie erfolgt dann in einem Bereich, in welchem – wie aus dem Diagramm gemäß 3a ersichtlich – der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems signifikant abfällt. Zudem ergibt sich, wie aus dem Diagramm gemäß 3b ersichtlich, für einen solchen, im Vergleich zu herkömmlichen Management-Strategien hohen Abschalt-Level eine signifikante Einsparung im H2-Verbrauch, welche im konkreten Beispiel etwa 4% beträgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19938623 C2 [0003]
    • EP 1455930 B1 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, wobei das Brennstoffzellenhybridfahrzeug ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem nur durch die HV-Batterie bereitgestellt wird; und in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie für das Antriebssystem sowohl durch die HV-Batterie als auch durch die Brennstoffzelle bereitgestellt wird; wobei ein Übergang zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus auf Basis wenigstens eines vorbestimmten Kriteriums erfolgt, und wobei dieses vorbestimmte Kriterium im Betrieb des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs abhängig von der aktuellen Fahrsituation variiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem ergeht, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (dT) um einen vorgegebenen Wert (dSOC) abnimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem ergeht, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie einen unteren Grenzwert erreicht, und eine Abschaltaufforderung für das Brennstoffzellensystem ergeht, sobald der Ladezustand (SOC) der HV-Batterie einen oberen Grenzwert erreicht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus nur erfolgt, wenn eine Lastanforderung des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 15%, weiter insbesondere wenigstens 20% der maximalen Lastanforderung beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus nur erfolgt, wenn eine Lastanforderung des Brennstoffzellenhybridfahrzeugs wenigstens 4kW, insbesondere wenigstens 6kW, weiter insbesondere wenigstens 8kW beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemanagement derart erfolgt, dass elektrischen Verbrauchern in dem Brennstoffzellenhybridfahrzeug unterschiedliche Prioritätsgrade zugewiesen werden, wobei die den jeweiligen Verbrauchern zugewiesenen Lastanforderungen in Abhängigkeit von dem Prioritätsgrad variiert werden.
  7. Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, wobei das Brennstoffzellenhybridfahrzeug ein Antriebssystem sowie eine Brennstoffzelle und eine HV-Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Antriebssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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