DE102015110724A1

DE102015110724A1 - Antriebsanordnung

Info

Publication number: DE102015110724A1
Application number: DE102015110724.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas von Unwerth; Marit Schwinger; Christoph Danzer; Felix Rudolf; Florian Toste
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: FCP Fuel Cell Powertrain GmbH
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung 1, umfassend einen Elektromotor 10, eine Brennstoffzellenanordnung 2 und einen Antriebsenergiespeicher 7, 13, wobei die Brennstoffzellenanordnung 2 mit dem Elektromotor 10 elektrisch verbunden ist, so dass elektrische Energie aus der Brennstoffzellenanordnung 2 den Elektromotor 10 antreiben kann und der Elektromotor 10 mechanische Energie an eine Abtriebswelle 20 abgeben kann. Die Brennstoffzellenanordnung 2 umfasst eine Druckluftquelle für eine Brennstoffzelle, wobei ein Kompressor 4 vorgesehen, mit dem Elektromotor 10 mechanisch verbunden und durch den Elektromotor 10 antreibbar ist, und der Kompressor 4 mit der Brennstoffzellenanordnung 2 und einem sowohl als eine Druckluftquelle, als auch als ein Antriebsenergiespeicher ausgeführten Druckspeicher 13 fluidführend verbunden ist. Der Kompressor 4, die Brennstoffzellenanordnung 2 und der Druckspeicher 13 sind in der Weise einstellbar miteinander verknüpft, dass Druckluft aus dem Kompressor 4 an die Brennstoffzellenanordnung 2, aus dem Kompressor 4 an den Druckspeicher 13 und/oder aus dem Druckspeicher 13 an die Brennstoffzellenanordnung 2 oder Druckluft aus dem Druckspeicher 13 an den Kompressor 4 abgegeben werden kann. Der Kompressor 4 ist als ein Druckluftmotor durch die Druckluft aus dem Druckspeicher 13 antreibbar und mechanische Energie des Druckluftmotors kann auf die Abtriebswelle 20 abgegeben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung und einen Energiespeicher, insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einer hybriden Antriebsanordnung, auch als Energieversorgungssystem bezeichnet. Diese Antriebsanordnung findet beispielsweise in einem Fahrzeug Einsatz. Die in der Brennstoffzelle entstehende elektrische Leistung wird in einer Hochvoltbatterie gespeichert. Mit der gespeicherten elektrischen Energie werden der Elektromotor des Fahrantriebes, der Elektromotor des Kompressors, sowie alle anderen elektronischen und elektrischen Bau- und Steuerelemente betrieben.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, die Druckschriften DE 102 23 117 A1 und DE 101 41 740 B4 befassen sich mit hybriden Brennstoffzellensystemen.
Die Druckschrift DE 102 23 117 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs und weiterer Verbraucher mit einem hybriden Energieversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle und einen Energiezwischenspeicher enthält. Sie umfasst eine Steuereinheit für ein Fahrzeug oder eine andere mobile Vorrichtung, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit von der Stellung eines Gebers, dessen Stellung für den Energiebedarf des Antriebs maßgebend ist, den Strom- bzw. Leistungsbedarf des von einem Stromrichter gespeisten Antriebs steuert. Dabei erhält die Fahrzeugsteuereinheit eine der jeweiligen Stellung des Gebers zugeordnete Stromanforderung. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wird gemessen und auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen oder unteren für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht. Es wird zwischen den Betriebsarten „fahren“ und „bremsen“ unterschieden, der motorische Antrieb entsprechend der Stellung des Gebers drehmoment- oder stromgeregelt über den Stromrichter betrieben. Je nach Bedarf wird der Strom von der Brennstoffzelle aufgestockt auf den angeforderten Strom. In einer zweiten Betriebsart „bremsen“ wird der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler im Umkehrbetrieb zur Ladung der Speicherbatterie stromgeregelt und der motorische Antrieb bei einer dem oberen Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangsspannung drehmoment- oder stromgeregelt betrieben und zur Begrenzung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf den oberen Grenzwert eingestellt. Nachteilig ist das Erfordernis einer zusätzlichen Batterie.
Die Druckschrift DE 101 41 740 B4 befasst sich mit einer weiteren Fahrzeuganwendung einer Brennstoffzelle, wobei der Luftkompressor durch einen Elektromotor angetrieben wird. Es besteht nach dieser Offenbarung aber auch die Möglichkeit, den Kompressor mechanisch an den Abtrieb zu koppeln und durch Anschieben des Fahrzeugs den Kompressor, der das Brennstoffzellensystem versorgt, zu starten. Hierdurch kann im Falle einer leeren Batterie für den Start der Brennstoffzelle die Produktion von elektrischer Energie dennoch gestartet werden. Eine zusätzliche Batterie für den Fahrzeugantrieb ist zwar nicht vorhanden, allerdings besteht auch kein dynamisches Leistungsangebot über die Leistung der Brennstoffzelle hinaus. Das Fahrzeug kann also nur über die momentan von der Brennstoffzelle angebotene Leistung verfügen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Antriebsanordnung und ein Betriebsverfahren hierfür anzubieten, die mit wenigen Komponenten und auf kleinem Raum ein dynamisches Leistungsangebot verfügbar machen kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung, umfassend einen Elektromotor, eine Brennstoffzellenanordnung und einen Antriebsenergiespeicher, wobei die Brennstoffzellenanordnung mit dem Elektromotor elektrisch verbunden ist, so dass elektrische Energie aus der Brennstoffzellenanordnung den Elektromotor antreiben kann, wobei der Elektromotor mechanische Energie an eine Abtriebswelle, die beispielsweise in das Getriebe oder direkt auf das Rad eines Fahrzeugs wirkt, abgeben kann. Dabei umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine eigene Druckluftquelle, z. B. einen Kompressor, sowie weitere Zusatzeinrichtungen, die notwendig für den Betrieb einer Brennstoffzelle sind.
Dabei ist der Kompressor mit dem Elektromotor mechanisch verbunden und durch den Elektromotor antreibbar ist. Der Kompressor ist mit der Brennstoffzellenanordnung und einem sowohl als eine Druckluftquelle, insbesondere für den Betrieb der Brennstoffzelle, als auch als ein Antriebsenergiespeicher, wobei die Energie in Form von Druckluft gespeichert wird, ausgeführten Druckluftspeicher fluidführend, bevorzugt durch Druckleitungen, verbunden. Kompressor, Brennstoffzellenanordnung und Druckspeicher sind dabei in der Weise einstellbar miteinander verknüpft, dass Druckluft aus dem Kompressor an die Brennstoffzellenanordnung, aus dem Kompressor an den Druckspeicher und/oder aus dem Druckspeicher an die Brennstoffzellenanordnung oder Druckluft aus dem Druckspeicher an den Kompressor abgegeben werden kann, wobei der Kompressor als ein Druckluftmotor durch die Druckluft aus dem Druckspeicher antreibbar ist und mechanische Energie des Druckluftmotors auf die Abtriebswelle abgegeben werden kann.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebsanordnung, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung und einen Antriebsenergiespeicher, wobei Elektroenergie aus der Brennstoffzellenanordnung zur Versorgung eines Elektromotors dient, wobei

• der Elektromotor mechanische Energie auf eine Abtriebswelle, beispielsweise an ein Fahrzeuggetriebe, abgibt und/oder einen Kompressor antreibt, wobei Kompressor, Brennstoffzellenanordnung und ein Druckspeicher veränderbar, beispielsweise durch ein umstellbares Ventil, miteinander verknüpft werden können und
• in einer ersten Weise der Verknüpfung der Kompressor die Brennstoffzellenanordnung und/oder einen Druckspeicher mit Druckluft oder einem anderen Druckfluid versorgt oder
• in einer zweiten Weise der Verknüpfung die Druckluft bzw. das Druckfluid aus dem als Antriebsenergiespeicher genutzten Druckspeicher zum Kompressor geleitet und dieser im motorischen Betrieb mechanische Energie an eine Abtriebswelle abgibt, oder
• in einer dritten Weise der Verknüpfung der Kompressor bei einem Bremsvorgang durch Rekuperieren über die Abtriebswelle angetrieben und Bremsenergie als Druckfluid bzw. Druckluft in dem Druckspeicher gespeichert wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuereinrichtung den Kompressor im optimalen Betriebspunkt betreibt, indem der Gegendruck der verfügbaren, durch den Antrieb vorgegebenen Drehzahl des Elektromotors angepasst wird. Druckfluid bzw. Druckluft als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle wird auch erzeugt, wenn der Antrieb rekuperiert, insbesondere das Fahrzeug bremst und den Antrieb schiebt. Zugleich betreibt die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle nach den momentanen Leistungsbedarf und stellt den erforderlichen Fluidstrom, nach der hier beschriebenen Ausführungsform insbesondere Druckluft, zur Verfügung, so dass die Brennstoffzelle im optimalen Betriebspunkt arbeitet. Sobald eine Differenz zwischen Erzeugung und Bedarf an dem Fluid auftritt, wird der Druckspeicher angesteuert. Er nimmt bei einer Erzeugung, die über dem Bedarf der Brennstoffzelle liegt, Druckfluid auf. Ist die Erzeugung geringer, wird Druckfluid aus dem Druckspeicher abgegeben.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht in der Verwendung der Antriebsanordnung, wie zuvor beschrieben, zum Antrieb eines Fahrzeugs. In einem Fahrzeug, wo wenig Platz für den Einbau von Aggregaten ist, bringt eine platzsparende Antriebsanordnung viele Vorteile. Zudem ist von einem verminderten Erfordernis der Wartung auszugehen, weil ein Druckspeicher wartungsarm im Vergleich zu einer Batterie zur Speicherung elektrischen Stroms ist.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Antriebsanordnung, auch als Brennstoffzellenantriebssystem bezeichnet, bevorzugt vorgesehen für ein Fahrzeug, wobei die Antriebsanordnung mit einer Brennstoffzellenanordnung ausgestattet ist. Dabei beinhaltet die Antriebsanordnung eine durch zwei komprimierte Reaktionsstoffe, bevorzugt Luft als Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff, betriebene Brennstoffzelle, eine Batterie, einen Inverter, eine als Antriebsmotor eingesetzte Elektromaschine, nachfolgend als motorisch und generativ betreibbarer Elektromotor bezeichnet, einen Kompressor zum Verdichten des Oxidationsmittels, bevorzugt auch verschiedene Getriebestufen zwischen dem Elektromotor und dem Fahrzeugabtrieb und zwischen dem Elektromotor und dem Kompressor, weiterhin beinhaltet die Antriebsanordnung Druckbehälter jeweils für das Oxidations- und Reduktionsmittel, eine elektronische Steuereinrichtung des Systems, sowie Rohrleitungen für die Reaktionsstoffe und elektrische Leitungen für die elektrischen Bauelemente und Steuerungen. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist jedoch auch unabhängig von einem Fahrantrieb allgemein als ein Energieversorgungssystem einsetzbar.
In der bisher üblichen Antriebsanordnung wird das Oxidationsmittel Luft aus der Umluft gezogen, in einem Kompressor verdichtet (z. B. 2 bis 3 bar) und über Rohrleitungen zur Brennstoffzellenanordnung geführt. Der Antrieb des Kompressors wird durch einen eigens dafür angekoppelten Elektromotor vorgenommen. Dieser wird über eine elektronische Steuereinrichtung so angesteuert, dass die Brennstoffzelle zu jeder Zeit mit ausreichend Oxidationsmittel versorgt wird. Damit kann die Brennstoffzelle in einem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden.
Der Brennstoff Wasserstoff steht in den meisten Automobilanwendungen in Druckbehältern zur Verfügung und wird ebenfalls über Rohrleitungen geführt und im entspannten Zustand (z. B. bei 2 bis 3 bar) der Brennstoffzellenanordnung zugeführt. Oxidationsstoff und Brennstoff sollten dabei einen nur geringen Druckunterschied aufweisen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Kompressor ein Schraubenkompressor vorgesehen ist. Dieser ist gut als Kompressor zur Erzeugung von Druckluft und als Druckluftmotor, um aus gespeicherter Druckluft mechanische Energie zu gewinnen, betreibbar.
Bevorzugt werden zur fluidführenden Verbindung Leitungen eingesetzt. Der Kompressor ist über eine Ventilanordnung mit der Brennstoffzellenanordnung und dem Druckspeicher verknüpft, so dass die Druckluft in alle betriebsnotwenigen Richtungen geführt werden kann. Bevorzugt ist die Ventilanordnung elektronisch gesteuert. Sie umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform Proportionalventile oder ein Mehrwegeventil.
Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kompressor und der Elektromotor über eine Getriebeanordnung mechanisch miteinander verbunden sind. Dadurch können beispielsweise Anpassungen der jeweils optimalen Drehzahlen und Drehmomente erfolgen. Dies kann beispielsweise durch stufige oder stufenlose Getriebe, einen Riementrieb oder ein elektromagnetisches Getriebe erfolgen.
Die Erfindung betrifft ein innovatives Parallel-Hybridkonzept, bei dem unterschiedliche Energieformen nicht nur auf sinnvolle Weise kombiniert werden, sondern darüber hinaus Energieträger wahlweise einer stofflichen Nutzung zugeführt werden können. Dies Konzept erreicht durch die mechanische Anbindung des Kompressors über eine Getriebestufe an die Hauptantriebsmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad, daneben Gewichts-, Kosten- und Bauraumersparnis, da kein gesonderter Kompressor-Elektromotor für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Druckluft als Oxidationsmittel erforderlich ist. Außerdem entfallen weitere Bau- und Steuerteile sowie die zusätzliche elektrische Energie zur Steuerung und zum Betrieb des entfallenen Kompressor-Elektromotors.
Durch die mechanische Ankoppelung des Kompressors an die Hauptantriebsmaschine muss allerdings eine Drehzahl- und somit auch eine Förderstromabhängigkeit des Kompressors vom Hauptantrieb in Kauf genommen werden. Dieses würde dazu führen, dass die Brennstoffzelle nicht immer im optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Es hat sich jedoch überraschend gezeigt, dass sich dieser Nachteil überwinden lässt, indem ein Druckspeicher zwischen Kompressor und Brennstoffzelle angeordnet wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Anordnung zur intelligenten, hybriden Steuerung der Energieversorgung vorgesehen. Eine solche Steuerung erzielt in Zusammenwirken mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung besondere Vorteile, vor allem dadurch, dass verschiedene Energieangebote optimal eingesetzt oder gespeichert werden können. Bei einem Fahrzeug ist dies zum Beispiel die beim Bremsen verfügbare Energie.
Die Aufgabe der Erfindung löst ebenfalls ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebsanordnung wie zuvor beschrieben. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, dass eine Fahrzeugkarosserie einen Druckspeicher umfasst. Durch Integration des Druckluftspeichers bevorzugt in einen ohnehin vorhandenen und für die Stabilität notwendigen Hohlraum der Fahrzeugkarosserie kann der Antriebsenergiespeicher in seiner Doppelfunktion der zusätzlichen, vom Betriebszustand des Kompressors unabhängigen Versorgung der Brennstoffzelle mit Druckluft zudem noch platzsparend untergebracht werden. Dies ist nur dadurch möglich, dass die gespeicherte Energie als Druckluft vorliegt, die in jeder geometrischen Form speicherbar ist. Eine Batterie beispielsweise hat eine vorgegebene Kontur, die für die Unterbringung ausschlaggebend ist.
Der Druckspeicher kann bei wenig abgeforderter Fahrleistung sowie durch Rekuperieren beim Bremsvorgang gefüllt werden und beispielsweise bei hoher abgeforderter Fahrleistung genutzt werden, um die Brennstoffzelle für einen bestmöglichen Wirkungsgrad mit ausreichend Oxidationsmittel zu versorgen.
Die gespeicherte Druckluft dient außerdem dem schnelleren Anfahren der Brennstoffzelle und überbrückt damit die Trägheit des Kompressors. Die Antriebsanordnung reagiert durch den zwischengeschalteten Druckspeicher deutlich dynamischer als eingangs beschriebene konventionelle Antriebsanordnungen nach dem Stand der Technik.
Des Weiteren kann der eingesetzte Kompressor, in bevorzugter Ausführung ein Schraubenkompressor, als Druckluftmotor fungieren. Dabei wird der Kompressor durch die Druckluft aus dem Druckspeicher betrieben und dient dem Fahrzeugantrieb, beispielsweise im Rangierbetrieb.
Die Verteilung des Druckfluids, in der bevorzugten Ausführungsform der Druckluft, zwischen Kompressor und Brennstoffzellenanordnung regelt bevorzugt ein elektronisch gesteuertes Mehrwegeventil oder entsprechend angeordnete, bevorzugt ebenfalls elektronisch gesteuerte Proportionalventile. Eine intelligente Betriebsstrategie und die richtige Dimensionierung der Antriebs- und Nebenkomponenten ermöglicht es als ein weiteres besonders vorteilhaftes Merkmal dieses Konzeptes, dass die sonst üblicherweise eingesetzte Hochvoltbatterie entfallen kann. Das spart Bauraum, Gewicht und Kosten und verringert das Ausfallrisiko des gesamten Systems durch Eliminierung eines Verschleißteils.
Die zum Betreiben der Komponenten nötige Systemenergie wird statt in der Hochvoltbatterie in dem einfachen, kostengünstigen und wartungsarmen Druckspeicher gespeichert. Bei Bedarf muss lediglich eine kleine Batterie zum Betreiben des Bordnetzes vorgesehen werden.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Parallel-Hybrid-Konzepts wird der Gesamtwirkungsgrad der Antriebsanordnung bzw. des Brennstoffzellenantriebssystems verbessert und die Anzahl der für die Antriebsanordnung nötigen Komponenten deutlich verringert. Damit einhergehen weiterhin Bauraum-, Gewichts- und Kostenersparnis. Zusätzlich erlaubt die neuartige Verschaltung der Antriebselemente zahlreiche mögliche Hybridstrategien und, bei dem bevorzugten Einsatz in einem Kraftfahrzeug, eine weitaus dynamischere Reaktion auf die gestellten Fahranforderungen als übliche Brennstoffzellensysteme, bedingt durch die sofort verfügbare Druckluft zur Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und zum direkten Antrieb des als Luftdruckmotor wirkenden Kompressors. Besonders vorteilhaft ist dies beim Anfahren der Brennstoffzelle, da nach der Erfindung die Trägheit des Kompressors nicht mehr ins Gewicht fällt. Zudem muss nicht mehr der Kompromiss zwischen Effizient der Brennstoffzelle und des Kompressors gefunden werden. Die Entkoppelung mittel des Druckspeichers ermöglicht einen Betrieb am optimalen Betriebspunkt sowohl der Brennstoffzelle als auch des Kompressors.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung 1‘ nach dem Stand der Technik. Dabei wird eine Brennstoffzellenanordnung 2 durch einen Wasserstofftank 3 mit Wasserstoff und über einen Kompressor 4 mit Sauerstoff versorgt. Der Kompressor 4 saugt dazu Umgebungsluft an.
Die Brennstoffzellenanordnung 2 erzeugt eine elektrische Spannung, die zur Versorgung des Kompressorantriebs 11 über einen Wechselrichter 9 vorgesehen ist und weiterhin in einem Spannungswandler 6 in eine Kleinspannung für das Bordnetz 5 umgewandelt wird. Zudem versorgt die Brennstoffzellenanordnung 2 einen Energieverteiler 8, von dem eine Hochvoltspeicherbatterie 7 versorgt wird und weiterhin ein weiterer Wechselrichter 9, an den ein Elektromotor 10 angeschlossen ist. Dieser ist mit einer Abtriebswelle 20 verbunden. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Fahrzeuggetriebe handeln.
Die Hochvoltspeicherbatterie 7 kann bei Lastspitzen Energie zur Verfügung stellen, die aus der Brennstoffzellenanordnung 2 nicht verfügbar ist. Der Elektromotor 10 kann auch im Generatorbetrieb arbeiten, wenn beispielsweise mechanische Energie von der Abtriebswelle 20 verfügbar ist. Dann muss der Inverter 9 auch Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln können, damit diese in der Hochvoltspeicherbatterie 7 gespeichert werden kann.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 1. Dabei ist, ebenso wie im Stand der Technik, eine Brennstoffzellenanordnung 2 vorgesehen, die durch einen Wasserstofftank 3 mit Wasserstoff versorgt wird. Die Versorgung mit Sauerstoff hingegen kann wahlweise über einen Kompressor 4 oder/und einen Druckluftspeicher 13 erfolgen. Der Wechsel zwischen den beiden Versorgungseinrichtungen erfolgt über eine Ventilanordnung 12, im Beispiel aufgebaut aus Proportionalventilen. Dadurch ist kein zusätzlicher Kompressorantrieb erforderlich, denn Druckluft ist bei einer unzureichenden Erzeugung durch den Kompressor 4 immer aus dem Druckluftspeicher 13 verfügbar und kann bei zu hoher Erzeugung dort gespeichert werden. Besonders vorteilhaft an dieser Art der Entkopplung ist es, dass weder ein gesonderter Elektromotor für den Kompressor zur Versorgung der Brennstoffzelle nötig ist, noch die Drehzahl- und Förderstromabhängigkeit des Kompressors 4 in Kauf genommen werden muss. Stattdessen können sowohl der druckgesteuerte Kompressor 4, als auch die leistungsgesteuerte Brennstoffzelle 2 bei optimalem Betriebspunkt betrieben werden. Der Druckluftspeicher 13 dient somit als Puffer, während die Brennstoffzelle 2 durch den Kompressor 4 mit Druckluft versorgt wird.
Die mechanische Energie kommt aus dem einzigen Elektromotor 10, der aus der Energie der Brennstoffzelle über einen Wechselrichter 9 angetrieben wird. Der Elektromotor 10 ist wiederum mit einer Abtriebswelle 20 verbunden, die in der bevorzugten Ausführungsform zum Antrieb eines Fahrzeugs dient. Da der Kompressorantrieb direkt an den Fahrzeugantrieb gekoppelt ist, kann beim Bremsen des Fahrzeugs überschüssige mechanische Energie in die Antriebsanordnung 1 eingeleitet, so wird diese direkt als Kompressorantrieb für den Kompressor 4 zur Erhöhung des Drucks im Druckluftspeicher 13 genutzt. Dazu wird die Ventilanordnung 12 so eingestellt, dass die Druckluft vom Kompressor in den Druckluftspeicher hineinfließt.
Ebenso kann die Druckluft aus dem Druckluftspeicher 13 nicht nur der Brennstoffzellenanordnung 2 zugeführt werden, um sie mit Sauerstoff zu versorgen. Darüber hinaus kann die Druckluft an den Kompressor 4 zurückgeführt werden, der dann als Druckluftmotor fungiert, mechanische Energie in die Abtriebswelle 20 eingeleitet und als Antrieb dient. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass der Kompressor 4 die Leistung des Elektromotors 10 unterstützt, damit eine höhere mechanische Gesamtleistung in die Abtriebswelle 20 eingeleitet wird. In dem Fall ist eine zusätzliche Getriebeanordnung, z. B. ein Planeten- oder ein Ravigneauxgetriebe zur Drehrichtungsumkehr einzusetzen.
Bezugszeichenliste

1, 1‘: Antriebsanordnung
2: Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzelle
3: Wasserstofftank
4: Kompressor
5: Bordnetz/Batterie
6: Spannungswandler
7: Hochvoltspeicherbatterie
8: Energieverteiler
9: Wechselrichter
10: Elektromotor
11: Kompressorantrieb
12: Ventilanordnung, Proportionalventil
13: Druckspeicher, Druckluftspeicher
20: Abtriebswelle
21: Getriebeanordung

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 10223117 A1 [0002, 0003]
DE 10141740 B4 [0002, 0004]

Claims

Antriebsanordnung (1), umfassend einen Elektromotor (10), eine Brennstoffzellenanordnung (2) und einen Antriebsenergiespeicher (7, 13), wobei die Brennstoffzellenanordnung (2) mit dem Elektromotor (10) elektrisch verbunden ist, so dass elektrische Energie aus der Brennstoffzellenanordnung (2) den Elektromotor (10) antreiben kann, wobei der Elektromotor (10) mechanische Energie an eine Abtriebswelle (20) abgeben kann, und wobei die Brennstoffzellenanordnung (2) eine Fluidquelle für eine Brennstoffzelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (4) vorgesehen, mit dem Elektromotor (10) mechanisch verbunden und durch den Elektromotor (10) antreibbar ist, und der Kompressor (4) mit der Brennstoffzellenanordnung (2) und einem sowohl als eine Fluidquelle, als auch als ein Antriebsenergiespeicher ausgeführten Druckspeicher (13) fluidführend verbunden ist und Kompressor (4), Brennstoffzellenanordnung (2) und Druckspeicher (13) in der Weise einstellbar miteinander verknüpft sind, dass Druckfluid aus dem Kompressor (4) an die Brennstoffzellenanordnung (2), aus dem Kompressor (4) an den Druckluftspeicher (13) und/oder aus dem Druckspeicher (13) an die Brennstoffzellenanordnung (2) oder Druckfluid aus dem Druckspeicher (13) an den Kompressor (4) abgegeben werden kann, wobei der Kompressor (4) als ein Druckfluidmotor durch das Druckfluid aus dem Druckspeicher (13) antreibbar ist und mechanische Energie des Druckfluidmotors auf die Abtriebswelle (20) abgegeben werden kann.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei als Kompressor (4) ein Schraubenkompressor oder ein Hubkolbenkompressor vorgesehen ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die fluidführende Verbindung durch Leitungen erfolgt und der Kompressor (4) über eine gesteuerte Ventilanordnung (12) mit der Brennstoffzellenanordnung (2) und dem Druckspeicher (13) verknüpft ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Ventilanordnung (12) Proportionalventile (12) oder ein Mehrwegeventil umfasst.
Antriebsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kompressor (4) und der Elektromotor (10) über eine Getriebeanordnung (21) mechanisch miteinander verbunden sind.
Antriebsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Anordnung zur intelligenten, hybriden Steuerung der Energieversorgung vorgesehen ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Luft als Fluid vorgesehen ist.
Fahrzeug, umfassend eine Antriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei eine Fahrzeugkarosserie einen Druckspeicher (13) umfasst.
Verfahren zur Steuerung einer Antriebsanordnung, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (2) und einen Antriebsenergiespeicher (7, 13), wobei Elektroenergie aus der Brennstoffzellenanordnung (2) zur Versorgung eines Elektromotors (10) dient, dadurch gekennzeichnet, dass • der Elektromotor (10) mechanische Energie auf eine Abtriebswelle (20) abgibt und/oder einen Kompressor (4) antreibt, wobei Kompressor (4), Brennstoffzellenanordnung (2) und Druckspeicher (13) mit veränderbaren Fluidströmen miteinander verknüpft werden können und • in einer ersten Weise der Verknüpfung der Kompressor (4) die Brennstoffzellenanordnung (2) und/oder einen Druckspeicher (10) mit Druckfluid versorgt oder • in einer zweiten Weise der Verknüpfung Druckfluid aus dem als Antriebsenergiespeicher genutzten Druckspeicher (13) zum Kompressor (4) geleitet und dieser im motorischen Betrieb mechanische Energie an eine Abtriebswelle (20) abgibt, oder • in einer dritten Weise der Verknüpfung der Kompressor (4) bei einem Bremsvorgang durch Rekuperieren über die Abtriebswelle (20) angetrieben und Bremsenergie als Druckfluid in dem Druckspeicher (13) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Steuereinrichtung über eine Ventilanordnung (12) den Arbeitsdruck des Kompressors (4) in der Weise steuert, dass er entsprechend der angebotenen mechanischen Energie an seinem optimalen Betriebspunkt arbeitet, und den Fluidstrom zur Brennstoffzellenanordnung (2) zugleich so steuert, dass diese in ihrem lastabhängig optimalen Betriebspunkt arbeitet, und bei Differenzen zwischen dem vom Kompressor (4) angebotenen und dem von der Brennstoffzellenanordnung (2) abgenommenen Fluidstrom den Druckspeicher (13) so ansteuert, dass Druckfluid entnommen oder gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei Luft als Fluid vorgesehen ist.
Verwendung der Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Antrieb eines Fahrzeugs.