DE102016004438A1

DE102016004438A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems

Info

Publication number: DE102016004438A1
Application number: DE102016004438.1A
Authority: DE
Inventors: Jonas Hanschke; Malte Ohlde; Sven Schmalzriedt; Peter Wiesner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems (1) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug, welches wenigstens eine Brennstoffzelle (3), die kathodenseitig mit Luft aus einer Luftfördereinrichtung (5) versorgt wird, und wenigstens eine elektrische Energiespeichereinrichtung (18) aufweist, wobei für den Fall, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung ausfällt, von einem Normalbetrieb in einen Notlaufbetrieb gewechselt wird, wobei im Notlaufbetrieb die gesamte Leistungsbereitstellung über die wenigstens eine Brennstoffzelle (3) erfolgt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel in den Notlaufbetrieb die im Normalbetreib zuletzt vorliegende elektrische Leistung (PBZ) der Brennstoffzelle (3) abzüglich eines vorgegebenen Leistungswerts (ΔP) zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung (5) als neue Maximalleistung des elektrischen Energiesystems (1) festgelegt wird, wonach die Luftfördereinrichtung (5) mittels der dafür vorgesehen Leistung beschleunigt wird, um einen Luftvolumenstrom (20) zu fördern, welcher größer als der Luftvolumenstrom zum Zeitpunkt des Wechsels in den Notlaufbetrieb ist, wobei nach Erreichen des größeren Luftvolumenstroms (20) die Maximalleistung des elektrischen Energiesystems (1) um zumindest einen Teil des vorgegebenen Leistungswerts (ΔP) auf eine Notlaufmaximalleistung (PBZ,max,NL) erhöht wird, wobei der größere Luftvolumenstrom (20) aufrechterhalten wird, unabhängig von der von dem elektrischen Energiesystem (1) geforderten elektrischen Leistung. Der zum Erzeugen der geforderten elektrischen Leistung nicht benötigte Teil (22) des geförderten Luftvolumenstroms (20) wird über eine Ventileinrichtung (11) zwischen der Luftfördereinrichtung (5) und der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) abgeblasen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Elektrische Energiesysteme in einem Fahrzeug, welche elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug über wenigstens eine Brennstoffzelle einerseits und über eine Batterie andererseits zur Verfügung stellen, sind aus dem Bereich der Brennstoffzellenfahrzeuge allgemein bekannt. Nun ist es so, dass je nach Aufbau des Systems im normalen Fahrmodus sowohl die Brennstoffzelle als auch die Batterie genutzt werden, um Leistung bereitzustellen. Kommt es bei derartigen Systemen zu einem Ausfall der Batterie, beispielsweise weil diese defekt ist oder weil die Batteriekontakte aus irgendwelchen Gründen geöffnet sind, beispielsweise aus Sicherheitsgründen, aufgrund eines Defekts, Fehlers oder dergleichen, dann kann das gesamte Hochspannungssystem des elektrischen Energiesystems typischerweise nicht mehr betrieben werden, sodass das Fahrzeug nicht weiterfahren kann. Insbesondere wenn dies in einer gefährlichen Situation passiert, beispielsweise auf einer Autobahn, auf einem Bahnübergang oder ähnliches, ist dies höchst unerwünscht, und ein Notlaufbetrieb, bei welchem das Fahrzeug zumindest mit reduzierter Leistung weitergefahren werden kann, wäre von Vorteil.
Aus der DE 10 2014 001 786 A1 ist nun ein derartiger Notlaufbetrieb für ein Brennstoffzellenfahrzeug bekannt, bei welchem bei einem Ausfall der Batterie die elektrische Antriebsleistung über die Brennstoffzelle ausschließlich bereitgestellt wird. Problematisch ist es dabei, dass durch die notwendige Leistungslimitierung auf die von der Brennstoffzelle verfügbare Leistung keinerlei Dynamik der Leistungsentfaltung mehr möglich ist. Im Falle einer Beschleunigung des Fahrzeugs wird diese also nicht in der gewohnten Art und Weise entsprechend dynamisch erfolgen, sondern die Beschleunigung wird außerordentlich langsam und träge erfolgen, sodass ein für den Nutzer des Fahrzeugs höchst ungewohntes Fahrverhalten resultiert. Insbesondere kann dies zu sicherheitskritischen Situationen führen, wenn beispielsweise der Fahrer beschleunigt, um einer gefährlichen Situation zu entgehen, das Fahrzeug aber nicht wie erwartet zügig beschleunigt, sondern den Befehl zur Beschleunigung erst zeitlich verzögert und langsam umsetzt.
Aus der US 2007/007459 A1 ist ein Aufbau beispielsweise für eine Brennstoffzelle oder einen anderen Verbrennungsmechanismus bekannt, welcher mit Luft aus einem Turbolader versorgt wird. Die Luftversorgung ist dabei so ausgebildet, dass zur Steigerung der Dynamik der Antriebsleistung ein Betrieb mit Luftüberschuss verwendet wird. Für den Fall, dass zusätzliche Leistung angefordert werden kann, wird die überschüssige Luft, welche zuvor in den Bereich der Turbine abgeblasen worden ist, in die Brennstoffzelle bzw. den Verbrennungsapparat geleitet, um so bereits eine größere Luftmenge zur Verfügung stellen zu können, noch bevor die Luftfördereinrichtung beschleunigt hat, um den gewünschten höheren Luftvolumenstrom zu fördern.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, welches im Notlaufbetrieb gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt im Notlaufbetrieb, wie das Verfahren im zuerst genannten Stand der Technik, ausschließlich die wenigstens eine Brennstoffzelle, typischerweise einen Stapel von Einzelzellen, ein sogenannter Brennstoffzellenstack, zur Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung durch das elektrische Energiesystem. Anders als bei dem Verfahren im Stand der Technik wird beim Wechsel in den Notlaufbetrieb die im Normalbetrieb zuletzt vorliegende elektrische Leistung der Brennstoffzelle abzüglich eines Leistungswerts zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung als neue Maximalleistung des elektrischen Energiesystems festgelegt. Im Rahmen dieser neuen Maximalleistung kann sich das mit dem elektrischen Energiesystem ausgestattete Fahrzeug also zu Beginn des Notlaufbetriebs bewegen. Der vorgegebene Leistungswert, welcher gegenüber der Momentanleistung abgezogen wird, dient nun zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung, idealerweise auf einen vorgegebenen Luftvolumenstrom, welcher in jedem Fall größer als der zuletzt anliegende Luftvolumenstrom ist. Im Falle, dass zum Zeitpunkt des Wechsels in den Notlaufbetrieb von der Brennstoffzelle die Maximalleistung abgerufen worden ist, entfällt dieser Schritt und die Luftfördereinrichtung wird auf diesem hohen Niveau des geförderten Luftvolumenstroms weiter betrieben.
Nun ist es so, dass nach dem Erreichen dieses größeren Luftvolumenstroms bzw. sofern dieser unmittelbar vorhanden ist, da die Brennstoffzelle gerade ohnehin bei maximaler Leistung betrieben worden ist, die Maximalleistung auf eine Notlaufmaximalleistung verringert. In beiden Fällen wird dabei der größere Luftvolumenstrom aufrechterhalten, und zwar unabhängig von der von dem elektrischen Energiesystem geforderten elektrischen Leistung. Dies bedeutet also, dass mehr Luftvolumenstrom zur Verfügung steht, als zur Erzeugung der geforderten elektrischen Leistung benötigt wird. Der nicht genutzte Teil dieses geförderten Luftvolumenstroms wird dabei über eine Ventileinrichtung zwischen der Luftfördereinrichtung und der Brennstoffzelle abgeblasen, um die Brennstoffzelle nicht durch den zu hohen Volumenstrom unnötig auszutrocknen.
Sobald sich das elektrische Energiesystem auf den Notlaufbetrieb eingestellt hat, also die Luftfördereinrichtung entsprechend beschleunigt worden ist, falls sie nicht ohnehin bereits in maximaler Luftförderleistung betrieben worden war, wird fortwährend ein Teil der geförderten Luft über die Ventileinrichtung abgeblasen. Ist nun ein dynamischer Betrieb des Fahrzeugs, beispielsweise eine schnelle dynamische Beschleunigung durch den Nutzer des Fahrzeugs gewünscht, dann ist ein entsprechender Luftüberschuss auf der Kathodenseite vorhanden. Dieser kann sehr schnell zur Verfügung gestellt werden, indem die Ventileinrichtung geschlossen wird, um so lediglich einen kleineren Teil des geförderten Luftvolumenstroms oder gar keinen Luftvolumenstrom mehr abzublasen. Damit steht sehr schnell und dynamisch die Möglichkeit zur Verfügung, eine höhere elektrische Leistung durch die Brennstoffzelle bereitzustellen, sodass das Fahrzeug weiterhin vergleichsweise dynamisch und bis zur Notlaufmaximalleistung in der gewohnten Art betrieben werden kann. Dies dient einerseits einem gewissen Fahrkomfort und kann andererseits helfen die eingangs genannten sicherheitskritischen Situationen zu verhindern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem als Teil eines elektrischen Energiesystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 die elektrische Seite des elektrischen Energiesystems mit eingezeichneten Leistungsflüssen im Normalbetrieb;
3 Leistungen der Brennstoffzelle, der Luftfördereinrichtung und des elektrischen Energiesystems über der Zeit im Normalbetrieb;
4 ein Brennstoffzellensystem des elektrischen Energiesystems analog 1 im Notlaufbetrieb, bei quasi stationärer Betriebsweise;
5 ein Brennstoffzellensystem des elektrischen Energiesystems analog 1 im Notlaufbetrieb, bei dynamischer Betriebsweise;
6 die elektrische Seite des elektrischen Energiesystems mit eingezeichneten Leistungsflüssen im Notlaufbetrieb;
7 Leistungen der Brennstoffzelle, der Luftfördereinrichtung und des elektrischen Energiesystems über der Zeit im Notlaufbetrieb;
8 den Verlauf von Spannung und Strom jeweils im Normalbetrieb und beim Wechsel in den Notlaufbetrieb; und
9 eine Leistungskennlinie und eine Spannungskennlinie der Brennstoffzelle.
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 2 von einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten elektrischen Energiesystem 1 zu erkennen, welches für einen Fachmann so prinzipiell bekannt ist. Einer mit 3 bezeichneten Brennstoffzelle, welche vorzugsweise als Brennstoffzellenstack in PEM-Technologie realisiert sein soll, wird anodenseitig Wasserstoff H₂ zugeführt. Kathodenseitig wird Luft als Sauerstofflieferant über einen Luftfilter 4 von einer Luftfördereinrichtung 5 angesaugt und der Brennstoffzelle 3 über eine Zuluftleitung 6 zugeführt. In der Zuluftleitung 6 befindet sich ein Gas/Gas-Befeuchter 12, welcher über eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil 14 umgangen werden kann, um die Feuchte der in die Brennstoffzelle 3 einströmenden Luft einstellen zu können. Die mit Produktwasser beladene Abluft strömt ebenfalls aus dem Gas/Gas-Befeuchter 12 und befeuchtet die trockene Zuluft in an sich bekannter Art und Weise. Über eine Abluftleitung 7 gelangt die Abluft dann über eine Abluftturbine 8 in die Umgebung. Die Luftfördereinrichtung 5 und die Abluftturbine 8 sind zusammen mit einer elektrischen Maschine 9 als sogenannter elektrischer Turbolader bzw. motorunterstützter Turbolader ausgebildet. Über die elektrische Maschine 9 im motorischen Betrieb kann die Luftfördereinrichtung 5 angetrieben werden. Zusätzlich kann im Bereich der Abluftturbine 8 zurückgewonnene Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 5 genutzt werden. Falls mehr Leistung im Bereich der Abluftturbine 8 zur Verfügung steht, als von der Luftfördereinrichtung 5 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 9 auch generatorisch betrieben werden.
Zwischen der Zuluftleitung 6 und der Abluftleitung 7 befindet sich ein sogenannter Systembypass 10 mit einem Systembypassventil 11. Der Systembypass 10 bzw. das Systembypassventil 11 kann bei Bedarf geöffnet werden, um zu verhindern, dass die Luftfördereinrichtung 5, welche typischerweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, in bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems 2 ihre Pumpgrenze überschreitet. So kann beispielsweise über die Luftfördereinrichtung 5 als Strömungsverdichter kein entsprechend geringer Volumenstrom bei hohem Druck zur Verfügung gestellt werden. In diesem Fall wird ein größerer Volumenstrom bei dem gewünschten Druck zur Verfügung gestellt. Der nicht benötigte Luftvolumenstrom wird über den Systembypass 11 abgeblasen und gelangt direkt in die Abluftturbine 8, in welcher ein Teil der Energie aus der Abluft zurückgewonnen wird. Auf diese Art kann ohne ein Überschreiten der Pumpgrenze befürchten zu müssen das gewollte Druck/Volumenstrom-Verhältnis in der Zuluftleitung 6 zu der Brennstoffzelle 3 realisiert werden.
In der Darstellung der 2 ist die elektrische Seite des elektrischen Energiesystems 1 dargestellt. Die Brennstoffzelle 3 liefert elektrische Leistung, welche über einen DC/DC-Wandler 15 in einen elektrischen Zwischenkreis gelangt, um aus dem elektrischen Zwischenkreis, welcher auch als Hochspannungszwischenkreis bezeichnet wird, da er auf einem Gleichspannungsniveau von mehr als 60 V Gleichspannung entsprechend der gültigen Definitionen für Hochspannung, oder der Bezeichnung Hochvolt, betrieben wird. Über einen DC/AC-Wandler 16, welcher nachfolgend auch als Fahrwandler 16 bezeichnet wird, wird dann das elektrische Antriebssystem des in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Fahrzeugs elektrisch versorgt. Dieses ist durch einen angedeuteten elektrischen Fahrmotor 17 in den Darstellungen der 2 und 4 symbolisiert. In dem Hochvolt- bzw. HV-Zwischenkreis zwischen dem DC/DC-Wandler 15 und dem Fahrwandler 16 ist nun die hier wiederum mit 9 bezeichnete elektrische Maschine der Luftfördereinrichtung 5 elektrisch eingebunden, ebenso eine elektrische Energiespeichereinrichtung 18, beispielsweise eine Batterie, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, oder ein Aufbau aus Superkondensatoren bzw. eine Kombination hiervon.
In der Darstellung der 2 ist der Normalbetrieb dargestellt. Kommt es zu einer Beschleunigungsanforderung des Fahrzeugs an das elektrische Energiesystem 1, so wird einerseits eine höhere Leistung für das Fahrzeug bereitgestellt und andererseits muss die Luftfördereinrichtung 5 über ihre elektrische Maschine 9 entsprechend beschleunigt werden, um schnellstmöglich den höheren Luftvolumenstrom in der Zuluftleitung 6 und damit letztendlich für die Brennstoffzelle 3 entsprechend zur Verfügung zu stellen. In der Darstellung der 2 ist dies entsprechend angedeutet, indem die von der Brennstoffzelle 3 und dem DC/DC-Wandler 15 in den Zwischenkreis eingespeiste Leistung dargestellt und mit P₁ bezeichnet ist. Ein Teil dieser Leistung, welcher in der Darstellung der 2 mit P2 bezeichnet ist, zweigt für die Beschleunigung der elektrischen Maschine 9 der Luftfördereinrichtung 5 ab. Typischerweise reicht diese Leistung jedoch nicht aus, wofür ein weiterer Teil, welcher in der Darstellung der 2 mit P₃ bezeichnet ist, durch die elektrische Energiespeichereinrichtung 18 zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung 5 über ihre elektrische Maschine 9 zur Verfügung gestellt wird. Ein weitere Teil der Leistung der Energiespeichereinrichtung 18 kann auch dem Fahrantrieb zu verfügung gestellt werden, wie es in der Figur druch den Pfeil P₄ angedeutet ist.
In der Darstellung der 3 ist ein Diagramm der Leistungen P über der Zeit t dargestellt. Ganz oben befindet sich die von der Brennstoffzelle kommende Leistung, hier also P₁ + P₂. Darunter ist die von der elektrischen Maschine 9 benötigte Leistung dargestellt. Einerseits ist dies der mit P₂ bezeichnete Teil der Leistung und andererseits der mit P₃ bezeichnete Teil der Leistung der durch die elektrische Energiespeichereinrichtung 18 zur Verfügung gestellt wird. Ganz unten ist dann mit P_S die Systemleistung, also die Gesamtleistung des elektrischen Energiesystems 1, dargestellt.
Kommt es nun zu einem Einbruch der Leistung der elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 im HV-Zwischenkreis, beispielsweise wenn die Leistung unter einen Leistungswert von ca. 1 kW fällt, dann wird davon ausgegangen, dass die Energiespeichereinrichtung 18 defekt ist oder aus anderen Gründen abgeschaltet hat. In diesem Fall wechselt das Fahrzeug mit dem elektrischen Energiesystem 1 in einen Notlaufbetrieb. In diesem Notlaufbetrieb wird nun von dem in 2 dargestellten stromgeregelten Modus, bei dem der DC/DC-Wandler durch einen vorgegebenen Sollstrom I_BZ,soll entsprechend geregelt wird, in einen spannungsgeregelten Modus umgeschaltet, welcher nachfolgend anhand der 6 noch näher beschrieben ist, und bei welchem der DC/DC-Wandler brennstoffzellenseitig über eine minimale Brennstoffzellenspannung U_BZ,min geregelt wird. Zwischenkreisseitig wird der DC/DC-Wandler 15 dabei einerseits durch die Maximalspannung U_HV,max und andererseits die Minimalspannung U_HV,min des Zwischenkreises geregelt. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 18 ist, wie es durch die von dem Pfeil durchtrennten Kontakte angedeutet ist, in diesem Notlaufbetrieb abgekoppelt. Direkt zu Beginn des Notlaufbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird nun, wie es in der Darstellung der 8 oben zu erkennen ist, am Übergang zwischen dem Normalbetrieb und dem Notlaufbetrieb die aktuelle Leistung P_BZ als neue Maximalleistung P_BZ,max eingestellt, wobei zusätzlich ein mit ΔP bezeichneter Leistungswert abgezogen wird, um mit dieser Leistung ΔP die Luftfördereinrichtung 5 über ihre elektrische Maschine 9 entsprechend zu beschleunigen. Nachdem diese Beschleunigung erzielt worden ist, wird einer vorgegebenen Funktion folgend die Maximalleistung entsprechend hochgerampt, um so auf ein in der Darstellung der 8 mit P_BZ,max,NL bezeichnetes Notlaufmaximalleistungsniveau zu gelangen. Dieses hat den in der 8 durch den Doppelpfeil mit den Bezugszeichen 19 angedeuteten Abstand zur Maximalleistung während des Normalbetriebs, um so einen entsprechend robusteren Betrieb der Brennstoffzelle 3 sicherzustellen.
Die aktuelle Leistung, welche nach Start des Notlaufbetriebs gestrichelt eingezeichnet ist, kann sich dann entsprechend der gewünschten Fahrdynamik des Fahrzeugs 1 entfalten, solange sie unterhalb der durchgezogenen Linie der Maximalleistung bleibt.
In der 8 unten sind die entsprechenden Spannungen eingezeichnet. Im Normalbetrieb beherrscht die maximale Spannung des Zwischenkreises U_HV,max und die minimale Spannung des Zwischenkreises U_HV,min das Geschehen, wobei darauf geachtet wird, dass nicht unter die minimale Brennstoffzellenspannung U_BZ,min gefallen wird. Im Notlaufbetrieb wird die maximale Spannung entsprechend abgesenkt und zusammen mit der minimalen Spannung auf einem Niveau von beispielsweise 380 V gehalten. Nun muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die minimale Brennstoffzellenspannung U_BZ,min nicht unterschritten wird. Die Regelung der minimalen Brennstoffzellenspannung U_BZ,min hat deshalb eine höhere Priorität als die Regelung der Zwischenkreisspannungen U_HV,min, U_HV,max. Hierdurch wird ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 3 sichergestellt. In der Darstellung der 9 sind die entsprechenden Kennlinien der Brennstoffzelle 3, oben die Strom-Spannungs-Kennlinie und unten die Strom-Leistungs-Kennlinie, zu erkennen. Die minimale Brennstoffzellenspannung U_BZ,min ist im oberen Diagramm entsprechend eingezeichnet. Würde die Brennstoffzelle 3 unterhalb dieser Spannung arbeiten, dann würde der Arbeitspunkt auf der Stromleistungskennlinie über das Maximum hinaus verschoben werden, was zu einem Betrieb auf dem abfallenden Leistungsast der Brennstoffzelle 3 und damit letztlich zu einer Abwärtsspirale der Leistung der Brennstoffzelle und einem unkontrollierten Betrieb derselben führen würde. Durch die Begrenzung der minimalen Brennstoffzellenspannung U_BZ,min wird also sichergestellt, dass der Betrieb auf der „sicheren” Seite des Leistungsmaximums im Strom-Leistungs-Kennfeld erfolgt.
In der Darstellung der 4 ist nun die Luftverteilung nach dem Beschleunigen der Luftfördereinrichtung 5 zu erkennen. Die Luftfördereinrichtung 5 liefert immer einen vergleichsweise großen festgelegten Luftvolumenstrom, welcher in der Darstellung der 4 mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist. Dieser Luftvolumenstrom 20 teilt sich dann in einen Luftvolumenstrom 21 zu der Brennstoffzelle 3 und einen über den Systembypass 10 bzw. das Systembypassventil 11 abgeblasenen Luftvolumenstrom 22 auf. Ein Teil des geförderten Luftvolumenstroms 20, nämlich der in der Darstellung der Figur mit 22 bezeichnete Teil, wird also ungenutzt abgeblasen, wobei durch die Abluftturbine 8 zumindest ein Teil der Verdichtungsenergie wieder zurückgewonnen werden kann.
Kommt es nun zu einer hochdynamischen Leistungsanforderung durch das Fahrzeug und es muss entsprechend schnell Leistung zur Verfügung gestellt werden, dann kann sehr einfach und schnell das Systembypassventil 11 geschlossen werden, wie es in der Darstellung der 5 zu erkennen ist. In diesem Fall strömt der gesamte geförderte Luftvolumenstrom 20, wie es in der Darstellung der 5 angedeutet ist, zur Brennstoffzelle und wird dort zur Umsetzung in elektrische Leistung und zur Steigerung der Dynamik eingesetzt. In der Darstellung der 6 ist dies auf der elektrischen Seite dargestellt. Der Aufbau ist dabei analog zur Darstellung in 2 zu verstehen, wobei, wie oben bereits erwähnt, die Kontakte der elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 zum Zwischenkreis entsprechend getrennt sind. Durch den vermehrten Zustrom des in der Darstellung der 4 mit 22 bezeichneten Anteils des Luftvolumenstroms 20, welcher nun bei geschlossenem Systembypassventil 11 zur Brennstoffzelle 3 strömt, kann zusätzlich zu den Leistungen P₁ und P₂ eine Leistung P'₃ über die Brennstoffzelle mit zur Verfügung gestellt werden. Im Leistungsdiagramm der 7 sind diese Leistungen wiederum entsprechend eingezeichnet, wobei die Schraffur von links unten nach rechts oben die stationäre Leistung für die Luftfördereinrichtung 5 und die senkrecht dazu gestrichelte zwischen der Kurve P₁ plus P₂ und P'₃ die Beschleunigungsleistung darstellt, welche in 3 vergleichbar gestrichelt war.
Wie bereits erwähnt und in der Darstellung der 8 durch den Doppelpfeil 19 angedeutet, wird die Notlaufmaximalleistung P_BZ,max,NL unterhalb der Maximalleistung im Normalbetrieb liegen. Bei gleicher maximaler Versorgung mit dem Luftvolumenstrom 20 führt dies zwar zu einer gewissen Austrocknung der Brennstoffzelle, was einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle hat. Andererseits ist es so, dass ohne die elektrische Energiespeichereinrichtung 18 als Puffer Leistungsripple vom Fahrbetrieb zu einer Unterversorgung der Brennstoffzelle 3 führen könnten, was unbedingt vermieden werden muss. Dies wird über die Absenkung der Notlaufmaximalleistung P_BZ,max,NL erreicht.
Ferner ist es so, dass über ein Steuergerät des Fahrzeugs die maximale Dynamik der Brennstoffzelle im Notlaufbetrieb berechnet werden kann, um so dem Steuergerät des Fahrzeugs eine maximale Dynamikrate in kW/s zur Verfügung zu stellen, um auch so zu verhindern, dass die Brennstoffzelle 3 überlastet wird, was zu einer entsprechenden Unterversorgung der Brennstoffzelle 3 mit Medien entsprechend der aus der Brennstoffzelle 3 gezogenen elektrischen Leistung führen würde.
Wie bereits erwähnt, muss unbedingt die minimale Brennstoffzellenspannung U_BZ,min eingehalten werden. Diese wird ausgehend von der Brennstoffzellenmedienversorgung entsprechend berechnet. Diese Berechnung kann dabei über Kennfelder oder über eine ausführliche Berechnung beispielsweise über eine Simulation realisiert werden. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass die Brennstoffzelle 3 bei unvorhergesehenen Ereignissen im Notlaufbetrieb, beispielsweise dem Einsatz von ESP, ABS, oder dergleichen, durch einen größeren elektrischen Strom, als er durch die Medienversorgung ermöglicht wird, überlastet wird. Wie erwähnt kann dabei über eine Priorisierung der Regelung, mit der höchsten Priorität beim Einhalten der Untergrenze der minimalen Brennstoffzellenspannung U_BZ,min, dafür gesorgt werden, dass die minimale Brennstoffzellenspannung nicht unterschritten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014001786 A1 [0003]
US 2007/007459 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems (1) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug, welches wenigstens eine Brennstoffzelle (3), die kathodenseitig mit Luft aus einer Luftfördereinrichtung (5) versorgt wird, und wenigstens eine elektrische Energiespeichereinrichtung (18) aufweist, wobei für den Fall, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung ausfällt, von einem Normalbetrieb in einen Notlaufbetrieb gewechselt wird, wobei im Notlaufbetrieb die gesamte Leistungsbereitstellung über die wenigstens eine Brennstoffzelle (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel in den Notlaufbetrieb die im Normalbetreib zuletzt vorliegende elektrische Leistung (P_BZ) der Brennstoffzelle (3), sofern dies nicht die maximale Leistung (P_BZ,max) der Brennstoffzelle (3) war, abzüglich eines vorgegebenen Leistungswerts (ΔP) zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung (5), als neue Maximalleistung des elektrischen Energiesystems (1) festgelegt wird, wonach die Luftfördereinrichtung (5) mittels der dafür vorgesehen Leistung beschleunigt wird, um einen größeren Luftvolumenstrom (20) zu fördern, welcher größer als der Luftvolumenstrom zum Zeitpunkt des Wechsels in den Notlaufbetrieb ist, wobei nach Erreichen des größeren Luftvolumenstroms (20) die momentane Maximalleistung des elektrischen Energiesystems (1) um zumindest einen Teil des vorgegebenen Leistungswerts (ΔP) auf eine Notlaufmaximalleistung (P_BZ,max,NL) erhöht wird, und, sofern die im Normalbetrieb zuletzt vorliegende elektrische Leistung der Brennstoffzelle (3) deren Maximalleistung (P_BZ,max) entsprochen hat, die Leistung auf die Notlaufmaximalleistung (P_BZ,max,NL) verringert wird, wobei in beiden Fällen der größere Luftvolumenstrom (20) aufrechterhalten wird, unabhängig von der von dem elektrischen Energiesystem (1) geforderten elektrischen Leistung, wobei der zum Erzeugen der geforderten elektrischen Leistung nicht benötigte Teil (22) des geförderten Luftvolumenstroms (20) über eine Ventileinrichtung (11) zwischen der Luftfördereinrichtung (5) und der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) abgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) im Normalbetrieb stromgeregelt und im Notlaufbetrieb spannungsgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der Luftfördereinrichtung (5) und/oder die Veränderung der Maximalleistung (P_BZ,max) zur Notlaufmaximalleistung (P_BZ,max,NL) entlang einer vorgegebenen Funktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Notlaufmaximalleistung (P_BZ,max,NL) entsprechend des größeren Luftvolumenstroms (20) vorgegeben wird, wobei die Notlaufmaximalleistung (P_BZ,max,NL) kleiner ist als die maximale bei diesem Luftvolumenstrom (20) erzielbare Leistung im Normalbetrieb.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Notlaufbetrieb eintritt, wenn die von der elektrischen Energiespeichereinrichtung (18) verfügbare Leistung unter einen Grenzwert fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beschleunigung der Luftfördereinrichtung (5) verfügbare aktuelle Leistung zu jedem Zeitpunkt der Beschleunigung nach oben beschränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Leistungsdynamik, welche durch das Schließen der Ventileinrichtung erzielt werden kann, vorausberechnet und an ein Fahrzeugsteuergerät übermittelt wird, welches die Dynamik des Fahrzeugs auf diese vorausberechnete Leistungsdynamik beschränkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Spannung (U_BZ,min) der Brennstoffzelle (3) auf einen Spannungsgrenzwert limitiert wird, wobei insbesondere der Spannungsgrenzwert der minimalen Brennstoffzellenspannung (U_BZ,min) anhand der Medienversorgung der Brennstoffzelle (3) über Kennfelder und/oder eine Simulationsrechnung jeweils aktuell ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelung der Brennstoffzellenspannung auf einen Wert oberhalb des Spannungsgrenzwerts die höchste Priorität aller Spannungsregelungen des elektrischen Energiesystems (1) eingeräumt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (5) als Teil eines, insbesondere elektrisch unterstützten, Turboladers ausgebildet ist, wobei der abgeblasene Teil (22) des Luftvolumenstroms (20) in eine Abluftleitung (7) in Strömungsrichtung vor einer Turbine (8) des Turboladers abgeblasen wird.