DE102014005598A1 - Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung bei einem Leistungsübergang von einer kleineren Leistungsanforderung auf eine größere Leistungsanforderung, einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer luftatmenden Brennstoffzelle (5), einer Luftfördereinrichtung (7), welche zumindest teilweise von einem elektrischen Antriebsmotor (9) angetrieben wird, und mit einem elektrischen Energiespeicher (4), wobei eine Differenz zwischen der größeren Leistungsanforderung und der von der Brennstoffzelle (5) lieferbaren Ist-Leistung durch den elektrischen Energiespeicher (4) gedeckt wird, und wobei der elektrische Antriebsmotor (9) der Luftfördereinrichtung (7) unmittelbar mit Beginn des Leistungsübergangs mit Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (4) versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) in Abhängigkeit einer verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers (4) vorgegeben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung mit einer luftatmenden Brennstoffzelle bei einem Leistungsübergang von einer kleineren Leistungsanforderung auf eine größere Leistungsanforderung, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Die dynamische Bereitstellung von elektrischer Leistung, insbesondere von elektrischer Antriebsleistung für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, ist bei der Verwendung eines Brennstoffzellensystems eine Herausforderung, da das Brennstoffzellensystem nicht so dynamisch ist, wie dies von der Leistungsbereitstellung in einem Fahrzeug durch den Nutzer des Fahrzeugs typischerweise erwartet wird. Um diese fehlende Dynamik des Brennstoffzellensystems auszugleichen, ist es aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik in Form der DE 101 47 149 A1 bekannt, dass, hier insbesondere bei einem Fahrzeug, die Leistungsanforderung sehr schnell durch Leistung aus einer elektrischen Energiespeichereinrichtung befriedigt wird, und gleichzeitig unmittelbar mit Auftreten der Anforderung des Leistungssprungs bzw. Leistungsübergangs einer Luftfördereinrichtung Leistung zugeführt wird, um die Brennstoffzelle möglichst schnell und dynamisch auf die angeforderte höhere Leistung zu bringen.
  • In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass in bestimmten Betriebssituationen dieses Verfahren an seine Grenzen stößt. Dies gilt insbesondere dann, wenn als Luftfördereinrichtung ein Strömungsverdichter, insbesondere ein Strömungsverdichter in einem sogenannten elektrischen Turbolader, also einer Kombination aus elektrischem Motor/Generator, Turbine und Strömungsverdichter eingesetzt wird. Dieser Aufbau bedarf einer vergleichsweise großen Leistung und einer vergleichsweise langen Zeit, um von einer Leerlaufdrehzahl oder gar aus dem Stillstand heraus auf die höhere Drehzahl zur Bereitstellung der geforderten Luftmenge beschleunigt zu werden. In diesen Fällen kann es dann dazu kommen, dass die gewünschte Dynamik, insbesondere wenn die Leistungsbereitstellung durch die Batterie aufgrund einer stark entladenen Batterie oder einer beispielsweise im Winterbetrieb sehr kalten Batterie, nicht erfüllt werden kann, nicht erzielt wird. Das bedeutet dann eine nachteilige für den Nutzer spürbare Einschränkung der gewünschten Funktionsweise.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den Stand der Technik vorteilhaft weiterzubilden und insbesondere die genannten Nachteile zu vermeiden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung mittels einer luftatmenden Brennstoffzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens im Anspruch 10 angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches nicht nur, jedoch bevorzugt, für Fahrzeuge eingesetzt werden kann, wird nun zusätzlich zu dem Verfahren im Stand der Technik die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung in Abhängigkeit einer verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers vorgegeben, insbesondere begrenzt. Dieses Einbeziehen des elektrischen Energiespeichers bzw. seiner zum aktuellen Zeitpunkt vorliegenden Leistungsfähigkeit führt letztlich zu einem Verfahren, welches die elektrische Leistung mit der maximalen möglichen Dynamik bereitstellt, ohne einzelne Komponenten zu überfordern und damit Funktionsprobleme oder Schwierigkeiten hinsichtlich der Lebensdauer dieser Komponenten zu provozieren.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung begrenzt wird, falls die verfügbare Leistung des elektrischen Energiespeichers nicht ausreicht. In dieser besonders günstigen Weiterbildung kann das Verfahren bei ausreichender verfügbarer Leistung des elektrischen Energiespeichers komplett frei erfolgen, sodass durch den elektrischen Energiespeicher elektrische Leistung zur schnellen Beschleunigung des Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung einerseits und zur Verbesserung der Leistungsabgabe des Systems andererseits zur Verfügung gestellt wird. Lediglich dann, wenn die verfügbare Leistung des elektrischen Energiespeichers nicht ausreicht, wird die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung begrenzt. Zwar wird die Dynamik der Leistungsabgabe begrenzt, der Fahrer des Fahrzeugs bemerkt dies jedoch nicht so wie im Stand der Technik, nämlich dass er das Gaspedal durchtritt und für eine gewisse Übergangszeit keinerlei Reaktion spürt. Vielmehr wird die Reaktion unmittelbar erfolgen. Falls die zur Verfügung stehende elektrische Leistung nicht ausreicht, fällt unter Umständen die Beschleunigung des Fahrzeugs etwas schwächer aus als bei voller Batterieleistung, in jedem Fall gibt es jedoch ein direktes Feedback an den Fahrer zur Veränderung der Gaspedalstellung. Dies ermöglicht in jedem Fall ein dynamisches Fahrerlebnis.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee wird dabei insbesondere die Begrenzung während des Leistungsübergangs unter Berücksichtigung der verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers und der von der Brennstoffzelle lieferbaren Ist-Leistung dynamisch angehoben. Diese Besonderheit in dem Verfahren gemäß der vorteilhaften Weiterbildung ermöglicht es, mit sehr geringer Leistung für den elektrischen Antriebsmotor der Luftfördereinrichtung zu starten, sodass ein Großteil der verfügbaren Leistung dem Unterstützen der Leistungsabgabe des Gesamtsystems zur Verfügung gestellt werden kann. Mit zunehmender von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung wird weniger Batterieleistung zum Ausgleichen der Leistungsdifferenz benötigt, sodass die Grenze für die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung entsprechend angehoben und dieser dann schneller beschleunigt werden kann.
  • In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei sogar vorgesehen sein, dass zu Beginn des Leistungsübergangs die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung auf einen Leistungswert begrenzt wird, welcher kleiner als die statische Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung am Zielpunkt des Lastwechsels ist. Sogar ein solch kleiner Wert zum Beschleunigen der Luftfördereinrichtung, welcher zu einer Beschleunigung auf die gewünschte Endgeschwindigkeit gar nicht ausreichen würde, kann durchaus helfen, um das System dynamischer auszugestalten. Mit zunehmender Leistung von der Brennstoffzelle lässt sich dann, wie soeben beschreiben, die Grenze entsprechend anheben, sodass eine Beschleunigung der Luftfördereinrichtung auf den gewünschten Wert letztlich doch möglich wird.
  • Die Luftfördereinrichtung kann dabei – wie erwähnt – insbesondere als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher eine weitaus höhere Beschleunigungsleistung benötigt, als beispielsweise ein Schraubenverdichter und daher von dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich der Steigerung der Dynamik besonders stark profitiert.
  • Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann außerdem die Brennstoffzelle während des Leistungsübergangs zusätzlich mit einer größeren Leistungsentnahme betrieben werden, als ihre stöchiometrische Versorgung mit Edukten entspricht. Dies ist kurzzeitig durchaus möglich. Die Brennstoffzelle wird stationär mit optionalen stöchiometrischen Bedingungen betrieben. Kurzzeitig ist sie jedoch in der Lage, mehr Leistung abzugeben, als dies den stöchiometrischen Bedingungen entspricht. Dies kann genutzt werden, um die Dynamik weiter zu steigern.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit eines Vorgabewerts zwischen dem elektrischen Antriebsmotor der Luftfördereinrichtung und der Differenz beim Leistungsübergang der abgegebenen Leistung des Brennstoffzellensystems aufgeteilt wird. Hier wird also der letzte verbleibende Freiheitsgrad genutzt, um das System bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in gewünschter Art und Weise anzupassen.
  • Diese Anpassung kann beispielsweise manuell oder automatisch erfolgen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es vorgesehen sein, dass der Vorgabewert in Anhängigkeit einer manuellen Einstellung in wenigstens zwei Stufen vorgegeben wird.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann es auch sein, dass der Vorgabewert in Abhängigkeit der Dynamik und/oder der Größe zumindest von der zuletzt aufgetretenen Veränderung der Leistungsanforderung vorgegeben wird. Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise in Abhängigkeit der Dynamik und der Größe der aktuell aufgetretenen Änderung in der Leistungsanforderung vorgenommen werden. Es kann auch über einen längeren Zeitraum eine Auswertung der einzelnen Leistungsanforderungen beispielsweise hinsichtlich Dynamik und Größe erfolgen, sodass sich das Verfahren auf ein bestimmtes Verhalten, beispielsweise auf das Verhalten eines Fahrers beim Einsatz des Verfahrens in einem Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug, einlernen kann. Das System passt sich dann der „Sportlichkeit” des Fahrers an und gibt insbesondere dessen sportliches und/oder ökonomisches Fahrverhalten auch bei zukünftigen Fahrten durch eine entsprechende Aufteilung der Leistung zwischen Steigerung der Dynamik des Systems und Beschleunigung des Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung wieder.
  • Wie bereits mehrfach erwähnt kann das Verfahren vorzugsweise eingesetzt werden, um die Bereitstellung von elektrischer Leistung in einem Brennstoffzellensystem zu beeinflussen, welches elektrische Antriebsleistung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug liefert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
  • 2 ein Leistungszeitdiagramm zur Verdeutlichung eines ersten möglichen Verfahrenablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 3 ein Leistungszeitdiagramm zur Verdeutlichung eines zweiten möglichen Verfahrenablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, welches von einem elektrischen Antriebsmotor 2 angetrieben wird. Die elektrische Leistung zum Antreiben des elektrischen Antriebsmotors 2 wird dabei über eine Leistungselektronik 3 aufbereitet und entstammt einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 4, beispielsweise einer Hochleistungs- bzw. Hochvoltbatterie einerseits und einer Brennstoffzelle 5 andererseits. Die Brennstoffzelle 5 soll insbesondere als luftatmender Brennstoffzellenstack aus PEM-Einzelzellen aufgebaut sein. Der in der Darstellung der 1 vereinfacht dargestellte gemeinsame Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 5 wird mit Luft über eine Luftfördereinrichtung 7 versorgt, welche hier als Strömungsverdichter ausgebildet ist. Abluft aus dem Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 5 gelangt über eine Turbine 8 wieder in die Umgebung. Die Leistung der Turbine 8 kann dabei der Luftfördereinrichtung 7 zur Verfügung gestellt werden. Eine Leistungsdifferenz wird durch einen elektrischen Antriebsmotor 9 der Luftfördereinrichtung 7 ausgeglichen, welcher zum zusätzlichen Antrieb der Luftfördereinrichtung 7 ausgelegt ist, und welcher auch, falls ein Energieüberschuss im Bereich der Turbine 8 auftritt, generatorisch betrieben werden kann, um elektrische Leistung zu erzeugen. Der Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC 15 (electric turbo charger) bezeichnet.
  • Einem Anodenraum 10 der Brennstoffzelle 5 wird in dem hier dargestellten stark vereinfachten Ausführungsbeispiel Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über ein Druckregel- und Dosierventil 12 zugeführt. Restgase und unverbrauchter Wasserstoff gelangen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Kathodenraum 10 in die Umgebung. Genauso gut könnten diese im Kreislauf geführt oder nachverbrannt werden. All dies ist für einen Fachmann der Brennstoffzellensysteme klar, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
  • Die Steuerung der Leistung in dem Fahrzeug erfolgt insbesondere über ein Fahrzeugsteuergerät, welches mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist. Eine Änderung in der gewünschten Leistungsanforderung kann beispielweise als Fahrpedalanforderung, also beim Durchtreten oder Freigeben eines Fahrpedals durch den Fahrer, erzeugt werden. Dies ist in dem mit 14 bezeichneten Kasten beispielhaft dargestellt. Im hier dargestellten Fall soll sich die Leistungsanforderung von einer kleineren auf eine größere Leistungsanforderung erhöhen. Es findet also ein Leistungsübergang bzw. ein Leistungssprung von unten nach oben statt. Dieser Leistungsübergang wird gern auch als Transient bezeichnet.
  • Um für den Fahrer eines solchen Fahrzeugs 1 nun eine dynamische Reaktion auf ein Durchtreten des Fahrpedals zu ermöglichen, ist es allgemein üblich und so auch im Eingangs genannten Stand der Technik beschrieben, dass aufgrund der vergleichsweise trägen Leistungsentfaltung der Brennstoffzelle 5 – aufgrund der prinzipbedingt begrenzten Geschwindigkeit der Medienzufuhr – bei einem Leistungssprung bzw. Leistungsübergang nach oben Leistung aus der Batterie 4 verwendet wird, um die auftretende Leistungsdifferenz auszugleichen. Solange die Batterie 4 die benötigte Leistung problemlos bereitstellen kann, wird dabei sowohl Beschleunigungsleistung für das Fahrzeug 1 als auch Beschleunigungsleistung für die Luftfördereinrichtung 7 von der Batterie 4 zur Verfügung gestellt, indem einerseits der Fahrmotor 2 des Fahrzeugs 1 und andererseits der elektrische Antriebsmotor 9 der Luftfördereinrichtung 7 mit dem Auftreten des Transienten direkt beaufschlag wird. Der Ablauf stellt sich dann so dar, wie er in der Darstellung der 2 in einem Diagramm der Leistung P über der Zeit t zu erkennen und nachfolgend näher beschrieben ist.
  • Sofort zu Beginn des Transienten wird die Leistung des Fahrantriebs 16 (strichpunktiert) sehr zügig erhöht, was ein dynamisches Fahrerlebnis des Fahrzeugs 1 ermöglicht. Die erforderliche Leistung muss zunächst aber komplett von der Batterie 4 bereitgestellt werden. Dies wird auch als Boosten bezeichnet. Zusätzlich wird sofort mit der Beschleunigung der Luftfördereinrichtung 7 bzw. des ETC 15 begonnen. Dessen Gesamtleistung 17 (dünn-gestrichelt) erreicht bereits nach sehr kurzer Zeit den durch die Bauart bedingten maximalen Wert.
  • Mit Anstieg der Drehzahl des ETC 15 steigt auch der stationäre Anteil der Leistung 18 (punktiert) des ETC 15. Dies ist die Leistung, die für die Komprimierung der Luftmasse aufgewendet werden muss. Die Differenz zwischen Gesamtleistung 17 des ETC 15 und stationärem Anteil der Leistung 18 wird für die Beschleunigung des ETC 15 aufgebracht. Ist die Drehzahl des ETC 15 konstant, entspricht die Gesamtleistung 17 dementsprechend dem stationären Anteil 18.
  • Mit deutlicher Verzögerung bezüglich des Beschleunigungsverhaltens des ETC 15 liefert nun auch die Brennstoffzelle 5 selbst Leistung 19 (dick-gestrichelt). Diese Verzögerung ist insbesondere bedingt durch den für die Leistungsabgabe notwendigen Druckaufbau im Kathodenraum 10. Die für den Antrieb zur Verfügung stehende Nettoleistung 20 (durchgezogen) des Brennstoffzellensystems kann als Differenz zwischen der Brennstoffzellenleistung 19 und Gesamtleistung 17 des ETC 15 berechnet werden. Durch den hohen Leistungsbedarf für die Beschleunigung des ETC 15 bricht diese Nettoleistung 20 zunächst unter ihren Wert vor Beginn des Transienten ein. Zusätzlich zur Boost-Leistung muss auch dieser Einbruch von der Batterie 4 aufgefangen werden, was ein erheblicher Unterschied zu früheren Brennstoffzellensystemen mit Schraubenverdichtern ist, bei denen die Entwicklung der Nettoleistung annähernd als monoton steigend angenommen werden konnte.
  • Die Batterie 4 unterstützt also sowohl das Boosten des Fahrantriebs als auch das Beschleunigen des ETC 15. Die von ihr aufzubringende Batterieleistung berechnet sich aus der Differenz der Leistung 16 bzw. dem Leistungsbedarf des Fahrantriebs und der Nettoleistung 20. Das auftretende Maximum dieser Batterieleistung ist in 2 durch einen Pfeil 21 angedeutet.
  • Kann aufgrund von widrigen Witterungsbedingungen, beispielsweise einer sehr kalten Batterie 4, oder aufgrund einer sehr stark entladenen Batterie 4, die gewünschte maximale Batterieleistung 21 nicht so wie oben beschrieben bereitgestellt werden, dann wird die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors 9 der Luftfördereinrichtung 7 bzw. des ETC 15 entsprechend begrenzt, was anhand des Diagramms in 3, welches analog zur Darstellung in 2 zu verstehen ist, gezeigt und nachfolgend näher beschrieben ist.
  • Ist die Batterie 4 nicht immer in der Lage, die maximal auftretende Batterieleistung 21 aufzubringen, beispielsweise weil sie zu stark entladen oder im Winterbetrieb zu kalt geworden ist, muss eine Anpassung der Betriebsstrategie erfolgen, um ein instabiles Verhalten und eine Überlastung der Brennstoffzelle 5 zu vermeiden. Der ETC 15 wird hierzu so ausgelegt, dass die interne Regelung in der Lage ist, die Gesamtleistungsaufnahme des ETC 15 auf einen von außen (z. B. via CAN-Bus) vorgegebenen Wert zu limitieren. Dieser Leistungs-Grenzwert wird dynamisch vom Fahrzeugsteuergerät 13 vorgegeben, welches auch die Information über die gegenwärtig zur Verfügung stehende Batterieleistung erhält. Der Leistungs-Grenzwert wird nun von dem Fahrzeugsteuergerät 13 so eingestellt, dass die Nettoleistung 20 bei einem Leistungsübergang weniger stark einbricht, idealerweise genau so weit, dass dies gerade noch durch die Batterie 4 ausgeglichen werden kann.
  • In 3 ist ein beispielhafter Verlauf mit der so angepassten Strategie dargestellt. Auch hier wird wiederum der Fahrantrieb von der Batterie 4 geboostet. Unter Umständen fällt das Boosten schwächer aus als im Falle der vollen Batterieleistung, es ist aber wichtig, um dem Fahrer ein Feedback zur Veränderung der Gaspedal-Stellung zu geben und ein dynamisches Fahrerlebnis zu ermöglichen.
  • Die neu hinzu gekommene Leistungs-Begrenzung 22 (obere punktierte Linie) für den ETC 15 ist zu Beginn des Übergangs sehr niedrig. Sie entspricht der verfügbaren Batterieleistung abzüglich eines Anteils für das Boosten des Antriebs. Mit Beginn des Transienten zieht der ETC 15 fast unmittelbar die durch die Begrenzung 22 von dem Fahrzeugsteuergerät 13 vorgegebene maximale Gesamtleistung 17 und beginnt zu beschleunigen, wenn auch langsamer als bei dem Vorgang in 2.
  • Wiederum mit Verzögerung zum ETC 15 und ebenfalls insgesamt langsamer baut sich auch die Leistung 19 in der Brennstoffzelle 5 auf. Der Leistungs-Grenzwert 22 des ETC 15 zu Beginn des Transienten muss so niedrig gewählt werden dass, würde er konstant gehalten, der Lastsprung gar nicht zu Ende gefahren werden könnte: Der initiale Leistungsgrenzwert 22 ist niedriger als der endgültige stationäre Wert der Gesamtleistung 17 des ETC 15. Somit wäre die Zieldrehzahl bei dieser Leistung gar nicht erreichbar. Aus diesem Grund wird das Leistungslimit während des Transienten von dem Fahrzeugsteuergerät dynamisch angehoben. Und zwar in Abhängigkeit der Leistungsentwicklung 19 in der Brennstoffzelle 5, so dass die aufzubringende Batterieunterstützung nie die Fähigkeit der Batterie 4 übersteigt. Im Vergleich zu 2 ist die maximale aufzubringende Batterieleistung 21 also geringer. Am Ende des Lastsprungs liegt die Leistungsbegrenzung 22 dann deutlich höher. Ist der Beschleunigungsvorgang beendet, fällt die Gesamtleistung 17 des ETC 15 auf den stationären Wert 18 zurück. Der hierdurch entstehende Abstand zur Leistungsbegrenzung 22, die bei konstanter Last ebenfalls konstant bleibt, steht zu Beginn eines etwaigen weiteren Lastsprungs auf einen noch höheren Lastpunkt dann zur Beschleunigung des ETC 15 zur Verfügung.
  • Prinzipiell besitzt die vorgestellte Strategie einen Freiheitsgrad, mit dem das resultierende Fahrerlebnis eingestellt werden kann, und zwar die Aufteilung der zur Verfügung stehenden Leistung zwischen dem ETC 15 und dem Boosten des Fahrantriebs. Der Leistungsanstieg in der Brennstoffzelle 5 muss/kann also zwischen ETC 15 und Fahrantrieb bzw. dem elektrischen Fahrmotor 2 aufgeteilt werden. Dies betrifft einerseits die verfügbare Batterieleistung zu Beginn, hier gibt es einen Trade-off zwischen der für den Fahrer unmittelbar spürbaren Beschleunigung und einer schnelleren Beschleunigung des ETC 15, die im weiteren Verlauf einen dynamischeren Momenten-Aufbau des Antriebs ermöglichen würde. Andererseits ist während des Transienten eine Aufteilung der neu entstehenden Leistung 19 der Brennstoffzelle 5 zu treffen. Wird diese verstärkt dem Fahrantrieb zur Verfügung gestellt hat dies einen früheren Leistungsanstieg über die initiale Boost-Leistung hinaus zur Folge, dafür wird aber der gesamte Transient länger dauern, d. h. die eigentlich vom Fahrer angeforderte Ziel-Leistung wird später erreicht. Umgekehrt kann der Transient am schnellsten abschlossen werden, wenn die Leistung 19 der Brennstoffzelle 5 zunächst komplett in den ETC 15 „investiert” wird, der Fahrer spürt dann aber nach dem anfänglichen Boost erst mit Verzögerung einen weiteren Leistungsanstieg. Zwischen diesen beiden Extremen gilt es ein Optimum zu finden, dass ein subjektiv möglichst dynamisches Fahrverhalten ermöglicht.
  • 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 10147149 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung bei einem Leistungsübergang von einer kleineren Leistungsanforderung auf eine größere Leistungsanforderung, einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer luftatmenden Brennstoffzelle (5), einer Luftfördereinrichtung (7), welche zumindest teilweise von einem elektrischen Antriebsmotor (9) angetrieben wird, und mit einem elektrischen Energiespeicher (4), wobei eine Differenz zwischen der größeren Leistungsanforderung und der von der Brennstoffzelle (5) lieferbaren Ist-Leistung durch den elektrischen Energiespeicher (4) gedeckt wird, und wobei der elektrische Antriebsmotor (9) der Luftfördereinrichtung (7) unmittelbar mit Beginn des Leistungsübergangs mit Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (4) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) in Abhängigkeit einer verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers (4) vorgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) begrenzt wird, falls die verfügbare Leistung des elektrischen Energiespeichers (4) zur gleichzeitigen Versorgung des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) und zum Ausgleich der Differenz zwischen der Leistungsanforderung und der von der Brennstoffzelle (5) lieferbaren Ist-Leistung nicht ausreicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung während des Leistungsübergangs unter Berücksichtigung der verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers (4) und der von der Brennstoffzelle (5) lieferbaren Ist-Leistung dynamisch angehoben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Leistungsübergangs die Leistungsanforderung des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) auf einen Leistungswert begrenzt wird, welcher kleiner als die stationäre Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors (9) der Luftfördereinrichtung (7) ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftfördereinrichtung (7) ein Strömungsverdichter, insbesondere ein elektrischer Turbolader, verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) während des Leistungsübergangs zusätzlich mit einer größeren Leistungsentnahme, als ihre stöchiometrischen Versorgung mit Edukten entspricht, betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit eines Vorgabewerts zwischen dem elektrischen Antriebsmotor (9) der Luftfördereinrichtung (7) und der Leistung zum Aufbringen der Leistungsdifferenz zwischen der Ist-Leistung der Brennstoffzelle (5) und der Leistungsanforderung aufgeteilt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabewert in Abhängigkeit einer manuellen Einstellung in wenigstens zwei Stufen vorgegeben wird.
  9. Verfahren in Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabewert in Abhängigkeit der Dynamik und/oder Größe zumindest von der zuletzt aufgetretenen Veränderung der Leistungsanforderung vorgegeben wird.
  10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem Brennstoffzellensystem, welches elektrische Antriebsleistung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) bereitstellt.
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WO2023194240A1 (de) * 2022-04-04 2023-10-12 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem im dynamikbetrieb

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DE10147149A1 (de) 2001-09-25 2003-04-24 Ballard Power Systems Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs

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