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Bekannte Brennstoffzellenfahrzeuge beziehen im Dauerbetrieb die gesamte Leistungsanforderung aus der Brennstoffzelle. Im Kurzzeitbetrieb wird diese bis zu ihrem Leistungsmaximum betrieben. Für Kurzzeitanforderungen und Hybridfunktionen ist in der Regel eine Hybridbatterie vorhanden. Bei bekannten Brennstoffzellenfahrzeugen wird diese Hybridbatterie aber nur bis zu dem aus Effizienzsicht sinnvollen Maß verwendet.
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Sowohl Brennstoffzelle als auch Hybridbatterie weisen eine kritische Bauteil-/Kühlwassertemperatur auf. Die abzufordernde Leistung wird bei einem drohenden Erreichen der kritischen Temperaturobergrenze aus Bauteilschutzgründen von Bauteilsteuergeräten reduziert.
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Der wesentliche Anteil der auftretenden Verlustwärme der Brennstoffzelle ist über das Kühlwasser und den Fahrzeugkühler abzuführen. Zudem arbeitet die Brennstoffzelle auf einem geringeren Temperaturniveau als ein konventioneller Verbrennungsmotor, so dass für die Wärmeabfuhr ein geringeres Temperaturgefälle zur Umgebung besteht. Die Auslegung des Kühlkreislaufs für ein Brennstoffzellenfahrzeug erfolgt unter Definition der dauerhaft von der Brennstoffzelle geforderten Leistung und der zugehörigen Umgebungsbedingungen. Typische Beispiele für Auslegungsfälle sind eine Bergfahrt bei sehr hohen Außentemperaturen oder wiederholte Volllastbeschleunigungen.
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Die Auslegung der Brennstoffzelle für die genannten Fälle der Bergfahrt und wiederholten Volllastbeschleunigung korreliert mit der Dimensionierung des Fahrzeugkühlers. Je höher die erwarteten Belastungsgrenzen liegen, desto größer ist der Fahrzeugkühler zu dimensionieren. Um die Verlustleistung der Brennstoffzelle zu reduzieren, wird bei herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeugen die Brennstoffzelle oftmals gegenüber den Leistungsanforderungen des Fahrzeugs überdimensioniert. Damit wird die Brennstoffzelle bei gleicher Systemleistung spezifisch weniger belastet und arbeitet in einem besseren Wirkungsgrad. Dies ist allerdings mit Bauraum-, Gewichts- und insbesondere Kostennachteilen verbunden und löst die Kühlungsproblematik nur eingeschränkt.
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Eine andere bekannte Variante zur Vermeidung einer Überlastung des Fahrzeugkühlers besteht in der Reduzierung der dauerhaft darstellbaren Fahrleistungen durch ein thermisches Derating. Das heißt, die Fahrleistung wird nach den thermischen Gegebenheiten limitiert.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 207 244 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Energiemanagement in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug bekannt, wobei abhängig von der aktuellen Fahrsituation elektrische Energie für das Antriebssystem nur durch eine HV-Batterie, oder sowohl durch die HV-Batterie als auch durch eine Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Eine Berücksichtigung von Informationen über eine Verlustleistung der Brennstoffzelle erfolgt allerdings nicht.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2012 208 197 A1 lehrt ferner ein Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem nach Erkennen des Bergauffahrens über eine lange Strecke die elektrische Leistung, die von einer Brennstoffzelle ausgegeben wird, größer ist, als vor der Erkennung des Bergauffahrens über eine lange Strecke.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie, insbesondere einer Hybridbatterie, umfasst das Ermitteln einer Brennstoffzellen-Leistungsanforderungsgröße basierend auf einer Fahrleistungsanforderungsgröße und basierend auf Lastaufteilungsinformationen, wobei die Fahrleistungsanforderungsgröße eine elektrische Leistung beschreibt, welche von einer elektrischen Maschine des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird, um einen Drehmomentwunsch des Fahrers zu erfüllen, wobei die Brennstoffzellen-Leistungsanforderungsgröße eine elektrische Leistung beschreibt, welche die Brennstoffzelle der elektrischen Maschine zur Verfügung stellen soll, und wobei die Lastaufteilungsinformationen Informationen für eine Lastaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie liefern.
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Die Fahrleistungsanforderungsgröße kann beispielsweise auf Grundlage des momentanen Fahrpedalwegs bestimmt werden, mit dem der Fahrer seinen momentanen Drehmomentwunsch vermittelt.
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Die Brennstoffzellen-Leistungsanforderungsgröße kann dabei derart ermittelt werden, dass die angeforderte Fahrleistung nicht alleine durch die Brennstoffzelle, sondern auch durch die Batterie bedient wird.
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So kann eine Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie realisiert werden, wobei ein Teil der angeforderten Fahrleistung von der Brennstoffzelle bereitgestellt wird und ein weiterer Teil der angeforderten Fahrleistung von der Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt wird.
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Indem ein Teil der angeforderten Fahrleistung nicht von der Brennstoffzelle, sondern temporär von der Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt wird, reduziert sich in vorteilhafter Weise die Verlustleistung der Brennstoffzelle und folglich auch der Kühlleistungsbedarf der Brennstoffzelle. Hierdurch kann beispielsweise bei hoher Außentemperatur die Fahrleistung noch aufrechterhalten werden, während im anderen Falle die Brennstoffzelle aus thermischen Gründen die Leistung reduzieren müsste. Auch kann eine Reduzierung des Fahrzeugkühlers ermöglicht werden, was Package-, Kosten- und Gewichtsvorteile mit sich bringt. Um eine thermische Entastung der Brennstoffzelle zu erreichen kann die Batterie gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens demnach über ein aus reiner Effizienzsicht sinnvolles Maß verwendet werden.
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Wie in den Ausführungsbeispielen aufgezeigt, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise der Kühlleistungsbedarf der Brennstoffzelle im Falle einer wiederholten Anfahrperformance durch intelligente Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie reduzieren.
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Bei den Lastaufteilungsinformationen kann es sich um jegliche Informationen handeln, welche für eine Bestimmung der Lastaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie herangezogen werden. Beispielsweise kann es sich bei den Lastaufteilungsinformationen um eine oder mehrere Größen handeln, die direkt oder indirekt einen Einfluss auf die momentane oder zu erwartende Verlustleistung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs haben.
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Das Verfahren kann beispielsweise von einer Hybridsteuerung oder auch einem Hybridmanagement des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgeführt werden.
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Die Lastaufteilungsinformationen können beispielsweise die elektrische Leistung der Brennstoffzelle umfassen. Je höher die elektrische Leistung der Brennstoffzelle ist, desto höher ist auch die Verlustleistung der Brennstoffzelle.
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Weiterhin können die Lastaufteilungsinformationen auch um die Temperatur der Brennstoffzelle umfassen. Für einen thermisch stabilen Betrieb sollte die Temperatur der Brennstoffzelle einen gewissen Wert nicht überschreiten, so dass die Verlustleistung in diesem kritischen Temperaturbereich zu reduzieren ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wertet die Hybridsteuerung zurückgemeldete Leistungs- und Temperaturwerte der Brennstoffzelle aus und nutzt diese, um die Leistungsaufteilung zu verschieben.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zudem oder alternativ dazu auch eine an die Hybridsteuerung zurückgemeldete Temperatur der Batterie berücksichtigt, da auch die Batterie eine thermische Obergrenze hat, oberhalb derer die abrufbaren Leistung reduziert werden muss. So kann die Hybridsteuerung beispielsweise die Leistungsaufteilung zulasten der Brennstoffzelle verschieben, sofern ein an die Hybridsteuerung zurückgemeldeter Temperaturwert auf eine bevorstehende Überhitzung der Batterie hinweist.
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Bei den Lastaufteilungsinformationen kann es sich ferner auch um eine Umgebungstemperatur handeln. Je größer die Umgebungstemperatur ist, desto schwieriger wird es für das Kühlsystem, die Verlustleistung der Brennstoffzelle abzuführen. Bei hohen Umgebungstemperaturen ist es demnach vorteilhaft, wenn die von der Brennstoffzelle angeforderte Leistung reduziert wird und ein Teil der angeforderten Fahrleistung von der Batterie bereitgestellt wird, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden.
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Eine momentane oder zu erwartende erhöhte Verlustleistung der Brennstoffzelle kann sich ferner aus einer momentanen oder zu erwartenden erhöhten Fahrleistungsanforderung ergeben.
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Ein erhöhter Leistungsbedarf kann sich beispielsweise aus einer Extrapolation von Informationen über eine zurückliegende Fahrstrecke ergeben. So kann sich ein erhöhter Leistungsbedarf beispielsweise aus Informationen ergeben, die auf eine Bergfahrt hinweisen. Auch kann die Hybridsteuerung den Leistungsbedarf aus Informationen über die momentane und zukünftige Fahrstrecke ableiten, welche aus einem Navigationsgerät gewonnen werden. Ein erhöhter Leistungsbedarf kann sich beispielsweise aus einer zu erwartenden Steigung aus Navigationsgerätinformation ergeben.
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Ein erhöhter Leistungsbedarf kann sich aber auch aus einer Analyse des Fahrverhaltens des Fahrers ergeben. Die Hybridsteuerung kann beispielsweise berücksichtigen, ob die bisherige Fahrweise des Fahrers ausgeprägt sportlich war. Ein erhöhter momentaner oder zukünftiger Leistungsbedarf kann sich beispielsweise bei einer Wählhebelstellung (”S”) ergeben, welche einen Sportmodus auswählt, der automatisch schaltet, aber eine ”sportlichere” Schaltstrategie verfolgt.
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Bei dem Verfahren ist es zudem vorteilhaft, wenn bei zu erwartendem hohem Leistungsbedarf der Ladezustand der Batterie gezielt erhöht wird. Dies hat wiederum den Vorteil, dass für den Fall einer hohen Fahrleistungsanforderung eine ausreichende Reserve an elektrischer Energie zur Verfügung steht.
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Die Erfindung betrifft auch eine Hybridsteuerung, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, einer Batterie, einer elektrischen Maschine und einer Hybridsteuerung, wobei die Hybridsteuerung dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug können Aggregate und/oder Kühlkreislauf unter Berücksichtigung der intelligenten Leistungsaufteilung des oben beschriebenen Verfahrens dimensioniert werden.
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Wird über eine intelligente Leistungsverteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle reduziert, können unter Ausnutzung der thermischen Batteriemasse die Anforderungen an den Kühlkreislauf reduziert werden. Indem ein Teil der angeforderten Fahrleistung nicht von der Brennstoffzelle, sondern von der Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt wird, reduziert sich in vorteilhafter Weise die Verlustleistung der Brennstoffzelle und folglich auch der Kühlleistungsbedarf der Brennstoffzelle. Hierdurch kann beispielsweise eine Reduzierung des Fahrzeugkühlers ermöglicht werden, was Package-, Kosten- und Gewichtsvorteile mit sich bringt.
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Gemäß solcher Ausführungsbeispiele teilen sich die Brennstoffzelle und die Batterie, insbesondere eine Hybridbatterie, die Aufgabe der Bereitstellung von elektrischer Leistung an die elektrische Maschine. Insbesondere bei hoher thermischer Masse kann die Batterie als Puffer verwendet werden, um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs länger bedienen zu können und gerade bei kurzzeitig hoher Leistungsanforderung (Überholmanöver, Volllastanfahrt, kurzzeitig hohe Steigung) kann die Batterie die Brennstoffzelle thermisch entlasten.
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Eine beispielhafte elektrische Maschinen des Brennstoffzellenfahrzeugs wandelt elektrische Energie in mechanische um und umgekehrt. Abhängig von der Energieflussrichtung kann die elektrische Maschine entweder als Motor zum Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs genutzt werden, oder als Generator rekuperative Verwendung finden, beispielsweise um Bremsenergie zurückzugewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die rekuperativ gewonnene Energie derart steuern, dass beispielsweise bei zu erwartendem hohem Leistungsbedarf der Ladezustand der Batterie gezielt erhöht wird, so dass für den Fall einer hohen Fahrleistungsanforderung eine ausreichende Reserve an elektrischer Energie zur Verfügung steht.
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Bei der Brennstoffzelle kann es sich beispielsweise um eine galvanische Zelle handeln, die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Typische elektrische Leistungen solcher Brennstoffzellen betragen fahrzeugabhängig zwischen 60 und 150 kW. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch unabhängig von der Brennstoffzellenleistung möglich.
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Bei der Batterie des Kraftfahrzeugs handelt es sich vorzugsweise um eine Hybridbatterie, beispielsweise eine Plug-In-Hybrid-Zelle.
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Die Zellen dieser Batterie weisen bevorzugt eine Kapazität von 25 Ah oder noch bevorzugter mehr auf. Eine solche Auslegung der Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs ermöglicht es auf besonders vorteilhafte Weise eine thermische Entastung der Brennstoffzelle zu erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Batterie beispielsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Ein beispielhafter Lithium-Ionen-Akkumulator bietet eine spezifische Energie von etwa 180 Wh/kg. Die Verwendung eines Lithium-Ionen-Akkumulators hat demnach den Vorteil, dass dieser eine erhöhte thermische Masse aufweist und damit viel Spielraum für die Leistungsaufteilung besteht.
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Bei der Batterie des Kraftfahrzeugs kann es sich aber auch um eine oder mehrere konventionelle Hochenergiezellen, beispielsweise NiMH-Hochenergiezellen handeln. Eine NiMH-Hochenergiezelle kann beispielsweise eine spezifische Energie von etwa 80 Wh/kg bieten, so dass auch hier, je nach Dimensionierung der Batterie, ausreichend Spielraum für eine Leistungsaufteilung gegeben ist.
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Alternative Brennstoffzellen- und Batterietechnologien können gleichermaßen zur Anwendung kommen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der elektrischen Maschine eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der elektrischen Maschine eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der elektrischen Maschine eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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5 schematisch ein weiteres Diagramm der Fahrzeuggeschwindigkeit über der Zeit zeigt, für eine beispielhafte Anfahrperformance, bei der das Fahrzeug sechs Mal aus dem Stand (0 km/h) auf eine Geschwindigkeit von 150 km/h beschleunigt wird;
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6a schematisch die ermittelte Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie für eine erste Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt;
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6b schematisch den Verlauf der Kühlwassertemperatur für eine erste Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt;
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6c schematisch den Verlauf der Batterietemperatur für eine erste Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt;
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7a schematisch die ermittelte Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie für eine zweite Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt;
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7b schematisch den Verlauf der Kühlwassertemperatur für eine zweite Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt; und
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7c schematisch den Verlauf der Batterietemperatur für eine zweite Ausführungsform einer Hybridbatterie zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist schematisch in 1 gezeigt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 dieses Ausführungsbeispiels ist vom Typ Plug-In-Hybrid. Es umfasst eine Hybridsteuerung 2, eine Brennstoffzelle 3, eine Hybrid-Batterie 4, eine elektrische Maschine 5 und ein Kühlsystem 6. Die Hybridsteuerung 2 ist, wie durch die Pfeile symbolisiert ist, kommunikativ mit der Brennstoffzelle 3, der Hybrid-Batterie 4, der elektrischen Maschine 5 und dem Kühlsystem 6 gekoppelt. Die Brennstoffzelle kann thermische Energie mit dem Kühlsystem 6 austauschen, insbesondere überschüssige Wärme an das Kühlsystem 6 abgeben. Die Brennstoffzelle 3 ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine 5 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Hybridbatterie 4 ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine 5 mit elektrischer Energie zu versorgen oder rekuperativ gewonnene elektrische Energie von der elektrischen Maschine 5 aufzunehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der elektrischen Maschine eines Brennstoffzellenfahrzeugs ist in 2 gezeigt. Eine Hybridsteuerung 2 oder eine Untereinheit einer Hybridsteuerung 2 empfängt eine Fahrleistungsanforderungsgröße 7, die eine elektrische Leistung beschreibt, welche von einer elektrischen Maschine (5 in 1) des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird, um einen Drehmomentwunsch des Fahrers zu erfüllen. Ferner empfängt die Hybridsteuerungseinheit 2 Lastaufteilungsinformationen 8, die Informationen über eine Verlustleistung der Brennstoffzelle liefern. Basierend auf der Fahrleistungsanforderungsgröße 1 und basierend auf Lastaufteilungsinformationen 8 ermittelt die Hybridsteuerungseinheit 2 eine Brennstoffzellen-Leistungsanforderungsgröße 9, die eine elektrische Leistung beschreibt, welche die Brennstoffzelle der elektrischen Maschine zur Verfügung stellen soll.
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Die Hybridsteuerung ist ferner so eingerichtet sein, dass angeforderte Fahrleistung, die nicht von der Brennstoffzelle 3 bereitgestellt wird, von der Hybridbatterie 4 bereitgestellt wird, so dass in solchen Fällen eine Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle 3 und Hybridbatterie 4 erfolgt.
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3 zeigt schematisch eine Tabelle gemäß eines Ausführungsbeispiels für die Konfiguration einer Hybridsteuerung, welche die Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie auf Grundlage der Kühlwassertemperatur (bzw. der Bauteiltemperatur) der Brennstoffzelle steuert. Hier erfolgt abhängig von der Temperaturerhöhung gegenüber der stationären Betriebstemperatur der Brennstoffzelle eine Reduzierung der geforderten Brennstoffzellenleistung durch eine Aufsteuerung der geforderten Batterieleistung. Unterhalb der stationären Betriebstemperatur wird im Sinne einer schnellen Erwärmung möglichst alle Leistung von der Brennstoffzelle bereitgestellt, während die Leistungsaufteilung oberhalb dieser Temperatur verschoben wird.
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In der ersten Spalte der Tabelle ist die Kühlwassertemperaturerhöhung 10 der Brennstoffzelle in K angegeben. In der zweiten Spalte der Tabelle ist der Leistungsanteil 11 der Brennstoffzelle in %/100 für die entsprechende Brennstoffzellentemperatur angegeben. In der dritten Spalte der Tabelle ist der Leistungsanteil 12 der Hybridbatterie in %/100 für die entsprechende Brennstoffzellentemperatur angegeben.
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4 zeigt schematisch eine Tabelle gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels für die Konfiguration einer Hybridsteuerung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie auf Grundlage des verfügbaren Ladezustands der Batterie bestimmt. Bei ausreichend vorhandener elektrischer Energie aus der Batterie kann diese in diesem Ausführungsbeispiel bis zu 80% der geforderten Leistung aufbringen. Mit abnehmendem Ladezustand nimmt dieser Wert ab bis hin zu 0% bei vollständig entladener Batterie. In der ersten Spalte der Tabelle ist der Ladezustand der Batterie 13 in % angegeben. In der zweiten Spalte der Tabelle ist der Leistungsanteil 11 der Brennstoffzelle in bei gegebenem Ladezustand in %/100 angegeben. In der dritten Spalte der Tabelle ist der Leistungsanteil 12 der Hybridbatterie bei gegebenem Ladezustand %/100 angegeben.
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Hierdurch wird deutlich, dass es im Sinne der Erfindung sinnvoll sein kann, die Batterie vor hoher Leistungsanforderung aufzuladen, zum Beispiel bei bevorstehender Steigung. Die zu erwartende durchschnittliche Steigung wird für eine vorgegebene zukünftige Fahrstrecke von 5 km anhand von Navigationsdaten ermittelt, wobei zur Vereinfachung nur Steigungen berücksichtigt werden, d. h. Streckensegmente mit Gefällen werden wie ebene Strecken (Steigung 0%) behandelt. Je größer die erwartete durchschnittliche Steigung ist, desto größer ist auch die zu erwartende Fahrleistungsanforderung durch den Fahrer. Mit höheren erwarteten Steigungen nimmt gemäß der Steuerung dieses Ausführungsbeispiels der von der Hybridbatterie bereitgestellte Leistungsanteil zu.
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In einer alternativen Ausführungsform prognostiziert die Hybridsteuerung anhand von Navigationsdaten (Fahrstrecke, Steigung, Geschwindigkeitsbeschränkungen etc.) und anhand einer Modellberechnung die zu erwartende Fahrleistungsanforderung über der Zeit und passt die Leistungsanforderung bzw. die Leistungsaufteilung demgemäß an.
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Die Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie ergibt sich in weiteren alternativen Ausführungsformen anhand zusätzlicher Informationen, die einen Einfluss auf die momentane oder zu erwartende Verlustleistung der Brennstoffzelle und die verfügbaren Leistungen aus Brennstoffzelle und Batterie haben können, beispielsweise eine Temperatur der Batterie, eine Umgebungstemperatur, momentane oder zu erwartenden Fahrleistungsanforderung, Informationen über eine zurückliegende Fahrstrecke, Informationen über eine momentane und zukünftige Fahrstrecke, oder Informationen aus einer Analyse des Fahrverhaltens des Fahrers. Eine Hybridsteuerung kann beliebige Kombinationen dieser Größen bei der Leistungsaufteilung berücksichtigen. Auch ist die Hinzunahme weiterer Größen denkbar, welche direkt oder indirekt einen Einfluss auf die momentane oder zu erwartende Verlustleistung der Brennstoffzelle haben können.
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5 zeigt ein schematisches Diagramm der Fahrzeuggeschwindigkeit über der Zeit für eine beispielhafte Anfahrperformance, bei der das Fahrzeug sechs Mal aus dem Stand (0 km/h) unter Volllast auf eine Geschwindigkeit von 150 km/h beschleunigt wird und dann wieder zum Stehen gebracht wird. Auf der Hochwertachse ist die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h abgetragen, auf der Rechtswertachse die Zeit in Sekunden. In dem dargestellten Zeitraum von 300 Sekunden führt das Fahrzeug sechs Anfahrvorgänge durch, wobei jeder Anfahrvorgang etwa 50 Sekunden dauert.
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Die 6a, 6b und 6c zeigen für die in 5 gezeigte Anfahrperformance Zustandsgrößen, die bezüglich einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle mit einem Leistungsangebot entsprechend 75% der geforderten Maximalleistung und einer Hybridbatterie mit einer Kapazität von 5 Ah und kleiner thermischer Masse ermittelt wurden.
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6a zeigt schematisch die ermittelte Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle (durchgezogene Linie) und die Leistungsabgabe der Hybridbatterie (gestrichpunktete Linie) in % aufgetragen. Die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle steigt bei jedem Anfahrvorgang auf einen maximalen Wert von 75% der Leistungsanforderung. Die Leistungsabgabe der Hybridbatterie erreicht mit jedem Anfahrvorgang einen Wert von 25%.
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6b zeigt schematisch den Verlauf der Kühlwassertemperaturerhöhung. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Kühlwassertemperaturerhöhung in K aufgetragen. Mit jedem Anfahrvorgang steigt die Kühlwassertemperatur um einen maximalen Wert von ca. 6 K, welcher in diesem Fall der maximal zulässigen Temperaturerhöhung entspricht, und fällt danach wieder auf den Ursprungswert ab. Die maximal zulässige Temperaturerhöhung ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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6c zeigt schematisch den Verlauf der Batterietemperatur. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Batterietemperaturerhöhung in K aufgetragen. Beim ersten Anfahrvorgang steigt die Batterietemperatur nach etwa 50 Sekunden um einen Wert von etwas über 5 K an und fällt nach dem ersten Anfahrvorgang wieder leicht ab, verharrt aber auf einem erhöhten Wert, da nach etwa 65 Sekunden bereits der zweite Anfahrvorgang zu einer weiteren Zunahme der Batterietemperatur führt, ohne dass die Batterie genug Zeit hat, sich weiter abzukühlen. Mit dem zweiten Anfahrvorgang steigt die Batterietemperatur nach etwa 100 Sekunden weiter auf einen Wert 12 K oberhalb des Startwerts an. Bereits mit dem vierten Anfahrvorgang erreicht die Batterietemperatur nach etwa 200 Sekunden einen in diesem Fall kritischen Anstieg von etwa 30 K gegenüber dem Startwert, so dass eine Fortführung des Vorgangs zu einem thermisch kritischen Batteriezustand führen würde (die kritische Temperaturerhöhung ist durch die gestrichelte Linie angedeutet).
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Die 7a, 7b und 7c zeigen für die in 4 gezeigte Anfahrperformance Zustandsgrößen, die bezüglich einer Ausführungsform mit Brennstoffzelle mit einem Leistungsangebot entsprechend 75% der geforderten Maximalleistung und einer Hybridbatterie mit einer Kapazität von 28 Ah und gegenüber der Ausführungsform in 6a, 6b und 6c erhöhten thermischen Masse. Die Auslegung der Brennstoffzelle dieser Ausführungsform ist identisch zu jener der Ausführungsform der 6a, 6b und 6c. Kapazität und Energiegehalt sowie thermische Masse der Hybridbatterie dieser Ausführungsform sind jedoch wesentlich größer, als jene der in den 6a, 6b und 6c aufgezeigten Ausführungsform, so dass die Hybridbatterie dieser Ausführungsform bei der Lastaufteilung der Brennstoffzelle einen größeren Lastanteil abnehmen kann.
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7a zeigt schematisch die ermittelte Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Hybridbatterie. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle (durchgezogene Linie) und die Leistungsabgabe der Hybridbatterie (gestrichpunktete Linie) in kW aufgetragen. Die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle steigt bei jedem Anfahrvorgang auf einen maximalen Wert von 60% der geforderten elektrische Leistung. Die Leistungsabgabe der Hybridbatterie erreicht mit jedem Anfahrvorgang einen Wert von 40%.
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7b zeigt schematisch den Verlauf der Kühlwassertemperatur. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Kühlwassertemperaturerhöhung in K aufgetragen. Mit jedem Anfahrvorgang steigt die Kühlwassertemperatur in dieser Ausführungsform nur unwesentlich an.
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7c zeigt schematisch den Verlauf der Batterietemperatur. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden für den Zeitraum der Anfahrperformance (0 bis 300 Sekunden) aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Batterietemperaturerhöhung in K aufgetragen. Beim ersten Anfahrvorgang steigt die Batterietemperatur nach etwa 50 Sekunden um ca. 2 K an. Mit dem zweiten Anfahrvorgang steigt die Batterietemperatur nach etwa 100 Sekunden weiter auf einen Wert 4 K gegenüber dem Startwert an. Nach dem dritten Anfahrvorgang ist die Batterietemperatur nach etwa 150 Sekunden weiter um ca. 5 K gegenüber dem Startwert erhöht. Mit dem vierten Anfahrvorgang ist die Batterietemperatur nach etwa 200 Sekunden um ca. 6 K höher als zu Beginn. Mit dem fünften Anfahrvorgang steigt die Batterietemperatur nach etwa 250 Sekunden weiter auf einen Wert von etwas unter 7 K gegenüber dem Startwert an. Mit dem sechsten Anfahrvorgang erreicht die Batterietemperatur nach etwa 300 Sekunden schließlich einen um 8 K höheren Wert als zu Beginn. Die kritische Temperaturerhöhung (gestichelte Linie), wird in dieser Ausführungsform nicht erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenfahrzeug
- 2
- Hybridsteuerung
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Hybridbatterie
- 5
- elektrische Maschine
- 6
- Kühlsystem
- 7
- Fahrleistungsanforderungsgröße
- 8
- Lastaufteilungsinformationen
- 9
- Brennstoffzellen-Leistungsanforderungsgröße
- 10
- Temperatur der Brennstoffzelle
- 11
- Leistungsanteil Brennstoffzelle
- 12
- Leistungsanteil Hybridbatterie
- 13
- erwartete durchschnittliche Steigung der Fahrstrecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013207244 A1 [0006]
- DE 102012208197 A1 [0007]
