DE102016208082A1

DE102016208082A1 - Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Mehrzahl wählbarer Betriebsmodi

Info

Publication number: DE102016208082A1
Application number: DE102016208082.2A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Schröder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-16
Also published as: CN107437627B; US10449859B2; CN107437627A; US20170326985A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug (200), bei dem der Fahrer einen größeren Einfluss auf den Verbrauch und die Dynamik des Fahrzeugs (200) hat. Dies wird erreicht, indem das Brennstoffzellenfahrzeug (200) zumindest einen Sensor zum Erfassen einer ersten Fahrereingabe und eine Steuereinheit (60) aufweist. Die Steuereinheit (60) ist dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug (200) in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem von einer Mehrzahl von Betriebsmodi zu betreiben, wobei eine Leistungsaufnahme PAC des Klimasystems (70), ein Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels (10) und eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung PEM aus der zweiten Fahrereingabe in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus variiert werden. Es ist vorgesehen, dass dem Fahrer zumindest fünf verschiedene Betriebsmodi zur Verfügung stehen, die sich insbesondere hinsichtlich der verfügbaren Fahrdynamik, dem Kraftstoffverbrauch und dem einstellbaren Komfort unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Mehrzahl wählbarer Betriebsmodi, insbesondere mit fünf wählbaren Betriebsmodi.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Die von einem Brennstoffzellenstapel abgegebene elektrische Leistung P_stack hängt in der Regel von einer an den Brennstoffzellenstapel gestellten Leistungsanforderung, das heißt der aktuellen Tiefe einer nachgeschalteten Stromsenke, sowie den dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Betriebsmittelströmen, insbesondere dem Kathoden- und Anodenbetriebsstrom, ab. Bei der Nutzung eines Brennstoffzellenstapels zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung ist ferner zu berücksichtigen, dass zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels eine Mehrzahl von Nebenaggregaten notwendig ist, die ebenfalls eine elektrische Leistung P_aux verbrauchen.
Je nach Brennstoffzellensystem kann die Mehrzahl der Nebenaggregate zumindest eines von einem Luftverdichter, Rezirkulationsgebläse, Kühlwasserpumpe, Ventile, Sensoren, etc. aufweisen. Die Leistungsaufnahme dieser Komponenten kann als parasitäre Leistungsaufnahme P_aux bezeichnet werden, da sie zwar durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden muss, jedoch nicht für externe Verbraucher zur Verfügung steht. Die für externe Verbraucher zur Verfügung stehende Nettoleistung des Brennstoffzellensystems P_netto ergibt sich somit als Differenz der vom Stapel erzeugten elektrischen Leistung P_stack und der parasitären Leistungsaufnahme P_aux. Die für externe Verbraucher (beispielsweise für den elektrischen Antrieb) zur Verfügung stehende Nettoleistung gemäß P_netto = P_stack – P_aux liegt somit stets unterhalb der Leistung des Brennstoffzellenstapels P_stack.
Bekannte Brennstoffzellensysteme weisen in eine gewisse Trägheit bei der Bewältigung von Leistungsanforderungen, beispielsweise beim Beschleunigen eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs, auf. Die Trägheit resultiert zum einen aus der Trägheit der zu bewegenden Betriebsmittelmasseströme sowie aus der Massenträgheit der Nebenaggregate selbst. Beispielsweise muss der kathodenseitige Verdichter zum Fördern des angeforderten, erhöhten Kathodenbetriebsmittelstroms beschleunigt werden. Aufgrund dieser Beschleunigung steigt auch die elektrische Leistungsaufnahme des zumindest einen Nebenverbrauchers P_aux bis zu einem lokalen Maximum P_aux ^max an. Dadurch weist die Nutzleistung P_netto des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zur Stapelleistung P_stack ein lokales Minimum auf.
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches ausschließlich oder zum Großteil durch ein Brennstoffzellensystem betrieben wird. Als Brennstoffzellensystem kommen dabei beliebige Konfigurationen von Brennstoffzellen, beispielsweise PEM, SOFC und andere, in Betracht. Im Rahmen dieser Anmeldung wird lediglich stellvertretend von einer Wasserstoff-Luft-PEM-Brennstoffzelle ausgegangen, ohne darauf beschränkt zu sein. Zumindest ein im Brennstoffzellenfahrzeug angeordneter elektrischer Traktionsmotor zum Erzeugen eines Drehmoments wird von dem Brennstoffzellensystem betrieben. In der Regel betreibt das Brennstoffzellensystem zudem weitere Bordsysteme des Fahrzeugs, wie beispielsweise ein Klimasystem. Zusätzlich kann das Brennstoffzellenfahrzeug unterstützend durch einen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, betrieben werden.
Ein mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Fahrzeug weist in der Regel eine Steuereinheit für den Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere von dessen Anoden- und Kathodenversorgung, auf. Die Steuereinheit erfasst als Stellwert zunächst eine von dem Fahrer des Fahrzeugs angeforderte Fahrleistung P_W, in der Regel aus der Stärke einer Fahrpedalbetätigung. Aus dem Pedalwert oder der Fahrleistungsanforderung P_W wird mittels einer Übertragungsfunktion eine Leistungsanforderung eines Elektromotors P_EM ermittelt. Die Steuereinheit erfasst in der Regel die Leistungsanforderungen weiterer elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs, wie die Leistungsanforderung P_AC eines Klimasystems. In Abhängigkeit der erfassten Leistungsanforderungen, insbesondere P_EM des Elektromotors und P_AC des Klimasystems, ermittelt die Steuereinheit entweder direkt eine vom Brennstoffzellenstapel bereitzustellende Leistung P_stack oder zunächst eine der Summe der Leistungsanforderungen entsprechende Nettoleistung P_netto.
Wird aus der Leistungsanforderung des zumindest einen Verbrauchers direkt eine bereitzustellende Leistung P_stack ermittelt und an den Brennstoffzellenstapel gestellt, gibt dieser tatsächlich eine Nettoleistung P_netto ab, welche um die Leistungsaufnahme zumindest eines Nebenaggregats P_aux reduziert ist (P_netto = P_stack – P_aux). Durch Ermitteln der vom Stapel abgegebenen Nettoleistung, beispielsweise durch Messen des vom Stapel abgegebenen Stroms, kann die von dem Brennstoffzellenstapel angeforderte Leistung nachgeregelt werden, bis die abgegebene Nettoleistung der Leistungsanforderung entspricht. Alternativ ermittelt die Steuereinheit eine zum Bereitstellen einer Stapelnettoleistung P_netto in Höhe der Leistungsanforderung, beispielsweise P_AC + P_EM, notwendige Leistungsaufnahme P_aux des zumindest einen Nebenaggregats, beispielsweise mittels eines Kennfelds (LUT), und daraus schließlich die insgesamt vom Brennstoffzellenstapel anzufordernde Leistung P_stack gemäß P_stack = P_netto + P_aux.
Anhand der bereitzustellenden Nettoleistung P_netto oder Stapelleistung P_stack ermittelt die Steuereinheit aus Berechnungen oder abgespeicherten Kennfeldern die erforderlichen Massenströme und/oder Betriebsdrücke des Anoden- und Kathodenbetriebsmediums und steuert oder regelt die Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems entsprechend an, insbesondere einen Verdichter zur Versorgung der Kathodenseite mit Luft sowie Stellmittel zur Versorgung der Anodenseite mit Wasserstoff.
Eine maximale Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems ist durch eine Spannung U(η_max) und einen Strom I(η_max) definiert, wobei η_max einen maximalen Wirkungsgrad des in dem Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystems bezeichnet. Der Wirkungsgrad η eines in einem Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystems beschreibt das Verhältnis einer Leistung des Brennstoffzellensystems zur Stapelleistung und hängt somit auch von allen Umwandlungsverlusten innerhalb der Systemkette des elektrischen Fahrzeugsystems ab. Somit ergibt sich die Nutzleistung des Brennstoffzellensystems zu P_system = η·P_stack. Die Systemkette kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellenfahrzeugs unterschiedliche Stufen aufweisen, beispielsweise den Brennstoffzellenstapel, einen Energiewandler, Umlade- und Speicherverluste in der Fahrzeugbatterie, den elektrischen Antrieb und/oder Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems und weitere Verbraucher des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Der Wirkungsgradverlauf η des Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs wird zunächst während dessen Entwicklung definiert. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um das Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs möglichst stets an einem wirkungsgradoptimierten Arbeitspunkt zu betreiben. Damit ist jedoch in der Regel eine reduzierte Dynamik des Brennstoffzellensystems und somit des Fahrzeugs verbunden. Zudem muss die Alterung des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise dadurch bedingte Veränderungen des Wirkungsgradverlaufs berücksichtigt werden.
Die DE 10063654 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei neben der Leistungsanforderung eines Elektromotors auch die Leistungsanforderungen anderer Verbraucher und der Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden. Damit soll die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems so angepasst werden, dass eine vom Fahrer gewünschte Dynamik trotz der zusätzlichen Leistungsanforderungen abrufbar ist.
Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor stellt ein Brennstoffzellensystem unmittelbar elektrische Energie bereit. Daher sind Verfahren zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen bekannt, die einen aktuellen Ladezustand (SOC) einer Fahrzeugbatterie berücksichtigen. Aus der DE 102012018710 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches den Betriebszustand einer Batterie als weiterem elektrischen Verbraucher für den Betrieb des Brennstoffzellensystems berücksichtigt. Dabei wird das Brennstoffzellensystem stets bei einer charakteristischen Leistung P_C betrieben. Ist eine aktuelle Leistungsanforderung geringer als P_C, wird überschüssige Leistung der Batterie zugeführt. Die Höhe der charakteristischen Leistung P_C kann dabei vom Fahrer in Abhängigkeit eines gewählten Fahrmodus beeinflusst werden.
Für den Nutzer eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das heißt den Fahrer, sind Betriebszustände des Brennstoffzellensystems in der Regel ebenso unzugänglich wie der Ladezustand der Batterie oder die Leistungsaufnahme weiterer Verbraucher. Folglich kann der Fahrer eines bekannten Brennstoffzellenfahrzeugs kaum Einfluss auf das Betriebsverfahren und den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems nehmen. Ebenso schwierig ist es für den Fahrer, den aktuellen Verbrauch des Fahrzeugs einzuschätzen. Im Ergebnis ist der Einfluss des Fahrers auf den Verbrauch und die Fahrdynamik seines Fahrzeugs stark beschränkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, auf dessen Verbrauch und Dynamik der Fahrer oder Nutzer mehr Einfluss nehmen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug weist ein Brennstoffzellensystem, das zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung P_stack eingerichtet ist, und zumindest ein zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels eingerichtetes Nebenaggregat mit einer elektrischer Leistungsaufnahme P_aux auf. Das Brennstoffzellenfahrzeug weist ferner ein Klimasystem zum Temperieren eines Fahrzeuginnenraums auf, das zumindest einen elektrischen Zuheizer und einen Klimakompressor aufweist, wobei alle Komponenten des Klimasystems eine gemeinsame elektrische Leistungsanforderung P_AC aufweisen. Das Brennstoffzellenfahrzeug weist ferner einen elektrischen Antriebsmotor mit einer Leistungsanforderung P_EM auf. Schließlich weist das Brennstoffzellenfahrzeug eine Mehrzahl von Sensoren, die zumindest zum Erfassen einer Außentemperatur, einer ersten Fahrereingabe und einer zweiten Fahrereingabe eingerichtet sind, und eine Steuereinheit auf.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit des Brennstoffzellenfahrzeugs dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem von einer Mehrzahl von Betriebsmodi, bevorzugt in einem von fünf Betriebsmodi, zu betreiben, wobei eine Leistungsaufnahme P_AC des Klimasystems, ein Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels, insbesondere die Lage und Menge zulässiger Arbeitspunkte des Brennstoffzellenstapels, und eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM aus der zweiten Fahrereingabe in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus variiert werden.
Es hat sich gezeigt, dass der Arbeitsbereich eines Brennstoffzellenstapels, die Leistungsaufnahme eines Klimasystems und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM aus der zweiten Fahrereingabe für die Dynamik und den Verbrauch eines Brennstoffzellenfahrzeugs entscheidende Parameter darstellen. Durch die Variation dieser Parameter anhand der ersten Fahrereingabe hat der Fahrer somit vorteilhaft einen verbesserten Einfluss auf die Fahr- und Verbrauchseigenschaften seines Fahrzeugs. Da zudem der Sinngehalt dieser Parameter einfach verständlich ist, kann durch deren Variation auf einfache Weise eine Mehrzahl verschiedener Betriebsmodi definiert werden, deren Unterschiede dem Fahrer einfach zugänglich sind.
Der Arbeitsbereich eines Brennstoffzellenstapels bezeichnet die Menge der für den Brennstoffzellenstapel zulässigen Arbeitspunkte. Mit anderen Worten umfasst der Arbeitsbereich die Arbeitspunkte, die von dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenfahrzeugs in einem gewählten Betriebsmodus eingenommen werden können.
Ein Arbeitspunkt A des Brennstoffzellenstapels ist dabei durch einen Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Stapels über P_A = U_A·I_A eindeutig bestimmt. Jedem Arbeitspunkt entspricht dabei zumindest ein konkreter Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels, der ferner durch die zugeführten Betriebsmittelströme definiert ist. Der Betriebszustand hängt von weiteren Parametern, beispielsweise Temperatur und Feuchtegehalt des Stapels ab. Ein Arbeitspunkt B des Brennstoffzellensystems ist durch einen Punkt des Wirkungsgrads η_B sowie durch Spannung und Strom des Stapels an diesem Punkt durch P(η_B) = η_B·U_B·I_B bestimmt.
Die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM aus der zweiten Fahrereingabe, bevorzugt aus einem Pedalwert P_W oder einer angeforderten Fahrleistung P_W, definiert ein Übertragungsverhalten, bevorzugt ein proportionales Übertragungsverhalten, zwischen dem unmittelbaren Fahrerwunsch, das heißt der Pedalbetätigung, und einer an den Elektromotor des Brennstoffzellenfahrzeugs gestellten Leistungsanforderung P_EM. Somit wird unter Nutzung der Übertragungsfunktion ermittelt, welche elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems wie schnell angefordert wird, um ein vom Fahrer gewünschtes mechanisches Drehmoment umzusetzen. Eine Variation der Übertragungsfunktion umfasst im Rahmen dieser Anmeldung eine Variation der Übertragungsfunktion selbst und die Variation von Führungsgrößen und/oder Regelgrößen der Übertragungsfunktion.
Neben der Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM aus der zweiten Fahrereingabe können in der Steuereinheit weitere Übertragungsfunktionen implementiert sein, insbesondere zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_AC, beispielsweise anhand einer aktuellen und einer vom Fahrer gewünschten Temperatur des Fahrzeuginnenraums. Zum Bestimmen einer insgesamt vom Stapel bereitzustellenden Leistung P_netto oder P_stack werden die verschiedenen Übertragungsfunktionen von der Steuereinheit superpositioniert. Die Übertragungsfunktionen sind in der Steuereinheit als Programmelemente oder als eigene Bauteile realisiert und bevorzugt als regelungstechnische Übertragungslieder, beispielsweise als stetige lineare Regler, ausgebildet. Im Rahmen dieser Anmeldung ist die Steuereinheit als eine Funktionseinheit zu verstehen, wobei die Implementierung der Funktionen in Bauteilen des Brennstoffzellenfahrzeugs und/oder in Bauteilen des Brennstoffzellensystems erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem ersten Betriebsmodus, insbesondere in einem Effizienz-optimierten Betriebsmodus (Efficiency Mode), zu betreiben. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Klimasystem in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel an oder nahe eines wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkts zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel eine der zweiten Fahrereingabe entsprechende Nettoleistung P_netto mit nicht-minimaler Verzögerung bereitstellt.
Der wirkungsgradoptimale Arbeitspunkt P(η_max) ist ein Arbeitspunkt, an dem zumindest annähernd der maximal mögliche Systemwirkungsgrad η_max des Brennstoffzellensystems erzielt wird. Unter P(η_max) wird im Rahmen dieser Anmeldung ein wirkungsgradoptimaler Arbeitspunkt des Brennstoffzellensystems des Brennstoffzellenfahrzeugs verstanden. Zwar handelt es sich streng genommen ebenfalls um einen Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels, dieser wird jedoch in Abhängigkeit des Brennstoffzellensystems und der in dem Brennstoffzellenfahrzeug angeordneten und vom Brennstoffzellensystem versorgten Verbraucher bestimmt.
Die Steuereinheit stellt das Klimasystem in Abhängigkeit einer von zumindest einem Sensor erfassten Temperatur, bevorzugt der Außentemperatur, limitiert zur Verfügung, indem sie Komponenten des Klimasystems in Abhängigkeit der erfassten Temperatur und unabhängig voneinander drosselt. Das heißt, die Steuereinheit drosselt die vom Zuheizer oder Kompressor abgerufene Leistung in Abhängigkeit der Temperatur. Das Drosseln der vom Zuheizer oder Kompressor abgerufenen Leistung beträgt maximal 100 % der insgesamt von diesem Bauteil abrufbaren Leistung. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit den Zuheizer und/oder den Klimakompressor in Abhängigkeit einer Temperatur vollständig abschalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform drosselt die Steuereinheit das Klimasystem anhand temperaturabhängiger Drosselfunktionen von Klimakompressor und Zuheizer, die im Wesentlichen invers zueinander sind. Der Klimakompressor wird bevorzugt bei fallender Temperatur und der Zuheizer wird bevorzugt bei steigender Temperatur gedrosselt. Dies spart Energie ein, beispielsweise indem der Betrieb des Kompressors gedrosselt wird oder unterbleibt, wenn die Außenluft des Fahrzeugs zur Kühlung von dessen Innenraum ausreicht.
Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels an oder nahe einem wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkt entspricht dem Betreiben des Brennstoffzellenstapels innerhalb eines wirkungsgradoptimierten Arbeitsbereichs. Dabei produziert der Brennstoffzellenstapel innerhalb des wirkungsgradoptimierten Bereichs eine Leistung P_stack(η_opt) in Höhe von zumindest 70 %, bevorzugt 80 % und besonders bevorzugt 90 % der Leistung des Brennstoffzellenstapels am wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkt. Insbesondere bei niedriger Last, beispielsweise aufgrund einer geringen Stromabnahme im Standby-Modus, nimmt aufgrund der betriebenen Nebenaggregate die zur Verfügung stehende Nutzleistung im Verhältnis zur Stapelleistung und somit der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems überproportional ab. Zudem gilt für den Systemwirkungsgrad η = P_system/P_stack und mit P_system ≤ P_netto = P_stack – P_aux somit insbesondere η ≤ 1 – P_aux/P_stack.
Zudem gehen Umwandlungsverluste in von dem Brennstoffzellensystem versorgten Verbrauchern des Brennstoffzellenfahrzeugs in den Systemwirkungsgrad ein. So wirken sich Speicherverluste eines Energiespeichers oder der Wirkungsgrad eines Elektromotors des Brennstoffzellenfahrzeugs auf den Systemwirkungsgrad aus. Die Speicherverluste hängen wiederum vom Ladezustand (SOC) des Energiespeichers ab und der Wirkungsgrad des Elektromotors hängt von dessen Betriebszustand, beispielsweise dessen Drehzahl, ab. Somit kann der wirkungsgradoptimale Arbeitspunkt P(η_max) im Betrieb des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenfahrzeugs variieren. Vorteilhaft ist beim Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs an oder nahe dem wirkungsgradoptimierten Arbeitspunkt beziehungsweise im wirkungsgradoptimierten Arbeitsbereich der Kraftstoffverbrauch des Brennstoffzellenfahrzeugs minimal.
Im ersten Betriebsmodus wählt die Steuereinheit die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so, dass der Brennstoffzellenstapel eine der zweiten Fahrereingabe entsprechende Nettoleistung P_netto bereitstellt. Es wird somit eine Übertragungsfunktion gewählt, die den Pedalwert so auf die Leistungsanforderung P_EM abbildet, dass die infolge der Leistungsanforderung P_EM vom Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Nettoleistung P_netto zum Bereitstellen des vom Fahrer angeforderten Drehmoments ausreicht. Lasterhöhungen bedeuten ein temporäres Maximum der Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats. Indem mittels der Übertragungsfunktion, eine Leistungsanforderung P_EM ermittelt wird, aufgrund der ein Elektromotor eine zum Bereitstellen des angeforderten Drehmoments gerade ausreichende Nettoleistung P_netto ausgibt, ist die tatsächlich nutzbare Leistung aufgrund von P_max ^aux temporär reduziert. Somit kann das Wunschmoment erst bereitgestellt werden, wenn das zumindest eine Nebenaggregat eingeschwungen ist und folglich ist die zur Verfügung stehende Beschleunigung des Fahrzeugs limitiert.
Im ersten Betriebsmodus wählt die Steuereinheit die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM ferner so, dass der Brennstoffzellenstapel diese Leistung mit nicht-minimaler Verzögerung bereitstellt. Die minimale Verzögerung entspricht der kürzesten Zeitdauer, die der Elektromotor zum Bereitstellen des benötigten Drehmoments beziehungsweise zum Aufbau einer entsprechenden Leistungsanforderung P_EM benötigt.
Aufgrund der im ersten Betriebsmodus gewählten Übertragungsfunktion wird eine Leistungsanforderung P_EM bestimmt, infolge dessen der Elektromotor das Drehmoment langsamer bereitstellt, als diese kürzeste Zeitdauer. Dies führt zu einer reduzierten Beschleunigung des zumindest einen Nebenaggregats und somit zu einer reduzierten maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats. Somit steht das angeforderte Drehmoment infolge der gewählten Übertragungsfunktion zwar später zur Verfügung, die dafür notwendige elektrische Leistung ist jedoch vorteilhaft reduziert. Insgesamt ist somit das Ansprechverhalten beziehungsweise die Gasannahme des Fahrzeugs reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem zweiten Betriebsmodus, insbesondere in einem Komfort-optimierten Betriebsmodus (Comfort Mode), zu betreiben. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, im zweiten Betriebsmodus das Klimasystem unabhängig von einer Außentemperatur unlimitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel an oder nahe eines Arbeitspunkts mit minimaler Schallemission zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel eine der zweiten Fahrereingabe und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats entsprechende Nettoleistung P_netto mit nicht-minimaler Verzögerung bereitstellt.
In dem zweiten Betriebsmodus erfolgt durch die Steuereinheit keine Drosselung der Leistungsaufnahme P_AC des Klimasystems, das heißt von Zuheizer und Klimakompressor. Zwar ist die Leistungsaufnahme P_AC somit höher als im ersten Betriebsmodus, es bestehen jedoch auch keinerlei Einschränkungen in der Funktion des Klimasystems. In dem zweiten Betriebsmodus betreibt die Steuereinheit den Brennstoffzellenstapel ferner an einem Arbeitspunkt mit minimaler Schallemission, womit insbesondere die Schallemission des gesamten Brennstoffzellensystems bezeichnet ist. Dieser Arbeitspunkt wurde bevorzugt während der Entwicklung des Brennstoffzellensystems bestimmt und ist in der Steuereinheit abgelegt.
Zudem wählt die Steuereinheit eine Übertragungsfunktion, die den Pedalwert P_W so auf die Leistungsanforderung P_EM abbildet, dass die infolge der Leistungsanforderung P_EM vom Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Nettoleistung P_netto zum Bereitstellen des vom Fahrer angeforderten Drehmoments und einer approximierten maximalen Leistungsaufnahme P_aux des zumindest einen Nebenaggregats beim Bereitstellen einer dem Wunschdrehmoment entsprechenden Leistung P_netto ausreichend ist. Da somit die zur Beschleunigung zur Verfügung stehende Nettoleistung nicht um P_aux reduziert ist, steht dem Fahrzeug somit die volle Beschleunigung zur Verfügung.
Diese Stapelnettoleistung wird infolge der gewählten Übertragungsfunktion (nicht-minimal) verzögert bereitgestellt, um die Leistungsaufnahme P_aux des zumindest einen Nebenaggregats möglichst gering zu halten. Somit ist zwar das Ansprechverhalten beziehungsweise die Gasannahme des Fahrzeugs limitiert, dafür wird jedoch eine besonders gleichmäßige Beschleunigung, bevorzugt ohne „Turbolochs“, realisiert. Bevorzugt ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, die nicht-minimale Verzögerung so zu bestimmen, dass die maximale Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenverbrauchers reduziert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem dritten Betriebsmodus, insbesondere in einem Dynamik-optimierten Betriebsmodus (Dynamic Mode), zu betreiben. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, im dritten Betriebsmodus das Klimasystem in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel an einem beliebigen Arbeitspunkt zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel eine der zweiten Fahrereingabe und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats entsprechende Nettoleistung P_netto mit minimaler Verzögerung bereitstellt.
Wie im ersten Betriebsmodus wird durch das temperaturabhängige Drosseln des Klimasystems Energie eingespart. Im Gegensatz zum ersten Betriebsmodus wird diese jedoch dem Antrieb, insbesondere dem Elektromotor, zur Verfügung gestellt. Im dritten Betriebsmodus betreibt die Steuereinheit den Brennstoffzellenstapel zudem an einem beliebigen zulässigen Arbeitspunkt und somit über einen weitaus größeren Arbeitsbereich als im ersten oder zweiten Betriebsmodus. Dies beides bewirkt eine verbesserte Dynamik in der Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenstapels. Der im dritten Betriebsmodus zulässige Arbeitsbereich ist bevorzugt durch einen minimalen Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels definiert, unter den eine Leistungsabgabe des Stapels nicht fallen darf, um lebensdauerschädliche Prozesse im Stapel zu verhindern. Nach oben ist der zulässige Arbeitsbereich in der Regel durch die Kapazitäten der Fördereinrichtungen in Anoden- oder Kathodenversorgung, die katalytischen Eigenschaften der Elektroden und/oder die Protonenleitfähigkeit der Membrane beschränkt.
Im dritten Betriebsmodus wählt die Steuereinheit wie im zweiten Betriebsmodus eine Übertragungsfunktion, die den Pedalwert P_W so auf die Leistungsanforderung P_EM abbildet, dass die infolge der Leistungsanforderung P_EM vom Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Nettoleistung P_netto zum Bereitstellen des vom Fahrer angeforderten Drehmoments und einer approximierten maximalen Leistungsaufnahme P_aux des zumindest einen Nebenaggregats beim Bereitstellen einer dem Wunschdrehmoment entsprechenden Leistung P_netto ausreichend ist. Somit muss die Leistungsaufnahme P_aux nicht von der für die Beschleunigung bereitgestellten Nettoleistung aufgebracht werden und es steht die volle Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung.
Diese Stapelnettoleistung P_netto wird infolge der gewählten Übertragungsfunktion mit minimaler Verzögerung, das heißt in der kürzest technisch möglichen Zeit, zur Verfügung gestellt. Somit hat der Fahrer das Erlebnis eines maximalen Ansprechverhaltens beziehungsweise einer maximalen Gasannahme. Dadurch kommt es zu einer vergleichsweise hohen maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats und unter Umständen zu einer intermittierenden Beschleunigung. Im Ergebnis steht jedoch nach kürzerer Zeit mehr Leistung zur Verfügung als zur selben Zeit in dem ersten oder zweiten Betriebsmodus.
Bevorzugt ist die Steuereinheit im ersten und im dritten Betriebsmodus dafür eingerichtet, das Klimasystem in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, indem sie unterhalb einer ersten vorbestimmten Temperatur nur den elektrischen Zuheizer und oberhalb einer zweiten vorbestimmten Temperatur nur den Klimakompressor zur Verfügung stellt. Bevorzugt drosselt die Steuereinheit Zuheizer und Klimakompressor temperaturabhängig und unabhängig voneinander, wobei die verwendeten Drosselfunktionen im Wesentlichen invers zueinander sind. Insbesondere steigt die Drosselung des Zuheizers mit steigender Temperatur und steigt die Drosselung des Klimakompressors mit fallender Temperatur. Besonders bevorzugt beträgt die Drosselung des Klimakompressors bei einer ersten vorbestimmten Temperatur 100 % und beträgt die Drosselung des Zuheizers bei einer zweiten Temperatur 100 %. Die erste Temperatur ist bevorzugt gleich der zweiten Temperatur und bevorzugt 15°C.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem vierten Betriebsmodus, insbesondere in einem automatisierten Betriebsmodus (Auto Mode), zu betreiben. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Klimasystem wie im zweiten Betriebsmodus unabhängig von einer Außentemperatur unlimitiert zur Verfügung zu stellen und den Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM in Abhängigkeit zumindest eines Fahrer-, Fahrzeug- oder Umgebungsparameters zu ermitteln.
Bei dem ermittelten oder prognostizierten Fahrzeugparameter handelt es sich bevorzugt um die Drehzahl n des Elektromotors oder in diese überführbare Größen, wie eine Raddrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Fahrzeugbeschleunigung. Die Leistungsanforderung eines Elektromotors ist eine Funktion von dessen Drehzahl und dessen Drehmoment. Somit kann durch Heranziehen der aktuellen Drehzahl eines Elektromotors die Übertragungsfunktion variiert werden. Somit wird die zweite Fahrereingabe, insbesondere der Pedalwert P_W, unterschiedlich ausgelegt und führt zu unterschiedlichen Leistungsanforderungen P_EM.
Bei dem ermittelten oder prognostizierten Umgebungsparameter handelt es sich bevorzugt um eine Fahrbahnsteigung oder einen Kurvenradius. Im Gefälle wird eine bestimmte Rad- und Motordrehzahl früher erreicht als auf einer ebenen Strecke. Im Gefälle wird daher eine Übertragungsfunktion gewählt, welche die zweite Fahrereingabe, insbesondere den Pedalwert P_W, in eine geringere Leistungsanforderung überträgt als in der Ebene. Bei einem Anstieg bauen sich Drehzahl und Motorleistung gegenüber der Ebene verzögert auf. Somit wird dort eine Übertragungsfunktion gewählt, welche die zweite Fahrereingabe in eine höhere Leistungsanforderung überträgt als in der Ebene. Zu Kurvenradien werden nicht zu überschreitende Grenzgeschwindigkeiten ermittelt und eine Übertragungsfunktion gewählt, welche die Leistungsanforderung P_EM unabhängig von der zweiten Fahrereingabe begrenzt. Aktuelle Umgebungsparameter werden bevorzugt mittels eines Sensors, beispielsweise einer Kamera oder eines Gyroskops, erfasst. Prognostizierte Umgebungsparameter werden bevorzugt aus Navigationsdaten, insbesondere einem zu erwartenden Streckenprofil, ermittelt.
Bei dem Fahrerparameter handelt es sich bevorzugt um ein Fahrerprofil mit Informationen zu einem oder mehreren bevorzugten Betriebsmodi des aktuellen Fahrers. Das Fahrerprofil wird bevorzugt vom Fahrer selbst definiert oder wurde über die Zeit automatisch angelernt. Zwischen verschiedenen vom Fahrer bevorzugten Betriebsmodi wird bevorzugt in Abhängigkeit eines Fahrzeugparameters, beispielsweise eines Geschwindigkeitsbereichs, oder in Abhängigkeit eines Umgebungsparameters, beispielsweise Autobahn oder Landstraße, variiert. Die Identifikation des Fahrers erfolgt bevorzugt durch eine manuelle Eingabe oder automatisch, beispielsweise durch Identifikation eines Funkschlüssels. Der vierte Betriebsmodus ermöglicht die automatische Auswahl eines in einer bestimmten Situation geeigneten oder bevorzugten Modus und die Anpassung des Betriebsmodus an Fahrzeug- oder Umgebungsparameter.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das Brennstoffzellenfahrzeug in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem fünften Betriebsmodus, insbesondere in einem individuellen Betriebsmodus (Individual Mode), zu betreiben. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Klimasystem in Abhängigkeit einer dritten Fahrereingabe zur Verfügung zu stellen, den Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit einer vierten Fahrereingabe zu bestimmen und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM in Abhängigkeit einer fünften Fahrereingabe zu bestimmen. Bevorzugt stehen dem Brennstoffzellenfahrzeug ein oder mehrere Eingabemittel zum Erfassen der dritten, vierten und fünften Fahrereingabe zur Verfügung.
Bevorzugt stehen dem Fahrer alle mit Bezug zu den anderen Betriebsmodi erläuterten Optionen mit Bezug zum Bereitstellen des Klimasystems, zum Arbeitspunkt der Brennstoffzelle und zur Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM zur Verfügung. Im fünften Betriebsmodus sind die Freiheitsgrade des Fahrers beim Einstellen eines von ihm präferierten Betriebsschemas des Brennstoffzellenfahrzeugs vorteilhaft nochmals erhöht. Die dritte bis fünfte Fahrereingabe erfolgt bevorzugt über ein hierfür eingerichtetes Eingabegerät, beispielsweise über einen Bordcomputer des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Ebenfalls bevorzugt können zwei oder mehr der dritten bis fünften Fahrereingabe zu einem Stellwert zusammengefasst sein, beispielsweise als Schieberegler zwischen zwei konkurrierenden Verbrauchern. Mit diesem Schiebregler kann beispielsweise eine Priorisierung der Beschleunigung beziehungsweise des Antriebs oder des Klimakomforts erfolgen, wobei Paarungen anderer Regelgrößen denkbar sind. Ebenfalls bevorzugt kann der Fahrer ein oder mehrere Sets einmal erfolgter dritter bis fünfter Fahrereingaben als individualisierte Betriebsmodi zur späteren Verwendung abspeichern. Im fünften Betriebsmodus kann der Fahrer somit vorteilhaft eine Gewichtung zwischen Systemeffizienz, Komfort und Leistungsverfügbarkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs vornehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs ist ein erster Sensor dafür eingerichtet, die erste Fahrereingabe anhand einer mechanischen, akustischen oder elektromagnetischen Eingabegröße zu bestimmen. Dazu kann der erste Sensor bevorzugt als Taster, Wahlrad, Wahlhebel oder als berührungsempfindliches Display ausgebildet sein. Ebenfalls bevorzugt kann der erste Sensor als optischer Sensor zum Erfassen von Gesten oder als akustischer Sensor zum Erfassen einer Spracheingabe ausgebildet sein.
Ebenfalls bevorzugt ist ein erster Sensor dafür eingerichtet, eine erste Fahrereingabe, die beispielsweise auf einem Smartphone eingegeben wurde, zu empfangen.
Ebenfalls bevorzugt ist ein zweiter Sensor dafür eingerichtet, die zweite Fahrereingabe anhand eines Pedalwerts zu bestimmen, und bevorzugt ein Pedalwertgeber. Ebenfalls bevorzugt werden die erste Fahrereingabe und die zweite Fahrereingabe temporär mittels eines einzigen Sensors erfasst. Beispielsweise kann ein Pedalwertgeber eine zusätzliche Kickdown-Funktionalität aufweisen, wobei unabhängig von einem aktuellen Betriebsmodus der dritte Betriebsmodus (Dynamic Mode) gewählt wird, solange der Kickdown betätigt bleibt.
Ebenfalls bevorzugt weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug ein Automatikgetriebe auf und ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Ansteuerung des Automatikgetriebes in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus zu variieren. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Schaltzeiten des Automatikgetriebes in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus zu variieren. Beispielsweise ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Schaltzeiten so zu wählen, dass im ersten Betriebsmodus der Kraftstoffverbrauch und im zweiten Betriebsmodus die Schaltzeiten des Fahrzeugs verringert sind. Beides erfordert in der Regel frühe Gangwechsel beim Beschleunigen und späte Gangwechsel beim Verlangsamen der Geschwindigkeit. Die Steuereinheit ist bevorzugt dafür eingerichtet, die Schaltzeiten so zu wählen, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs erhöht wird. Dies erfordert in der Regel ein frühes Hochschalten. Ebenfalls bevorzugt ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Schaltzeiten im vierten Betriebsmodus in Abhängigkeit zumindest eines Fahrer-, Fahrzeug- oder Umgebungsparameters und im fünften Betriebsmodus in Abhängigkeit einer sechsten Fahrereingabe einzustellen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung einer anhand eines Pedalwerts P_W ermittelten Leistungsanforderung eines Elektromotors P_EM und die aufgrund der Leistungsanforderung bereitgestellte Nettoleistung P_netto eines Brennstoffzellenstapels und die beim Bereitstellen der Nettoleistung auftretende Leistungsaufnahme P_aux zumindest eines Nebenaggregats.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil des in 2 dargestellten Fahrzeugs 200, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor 51 aufweist, der durch das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordneten katalytischen Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Bypass-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ein in der Bypass-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmittels.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner eine Steuereinheit 60 und zumindest einen Verbraucher in Form eines Elektromotors 51 mit der elektrischen Leistungsanforderung P_EM und eines Klimasystems 70 mit einem elektrischen Zuheizer 71, einem Klimakompressor 72 und einer elektrischen Leistungsanforderung P_AC auf. Eine detailliertere Beschreibung der Funktion der Steuereinheit 60 wird in der Beschreibung der 2 und 3 gegeben.
2 zeigt ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Fahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem 100 aus 1, die darin enthaltene elektronische Steuereinheit 60, ein elektrisches Leistungssystem 40 sowie ein Fahrzeugantriebssystem 50 aufweist. Der zumindest eine Verbraucher 44, 51, 71 und 72 des Brennstoffzellensystems wird dabei durch Komponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs gebildet.
Das elektrische Leistungssystem 40 umfasst einen Spannungssensor 41 zum Erfassen einer von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Spannung sowie einen Stromsensor 42 zum Erfassen eines von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Stroms. Ferner umfasst das elektrische Leistungssystem 40 einen Energiespeicher 44, beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder einen Kondensator. In dem Leistungssystem 40 ist ferner ein in Triport-Topologie ausgeführter Wandler 45 (Triportwandler) angeordnet. An eine erste Seite des Doppel-DC/DC-Wandlers 45 sind die Batterie 44 und das Klimasystem 70 angeschlossen. Alle Traktionsnetzkomponenten des Antriebssystems 50 sind bei fester Spannungslage an einer zweiten Seite des Wandlers 45 angeschlossen. In gleicher oder ähnlicher Weise können die Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems 100 selbst, beispielsweise der Elektromotor 34 des Verdichters 33 (siehe 1), oder andere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs, mit dem Stromnetz verbunden sein.
Das Antriebssystem 50 umfasst einen Elektromotor 51, der als Traktionsmotor des Fahrzeugs 200 dient. Hierzu treibt der Elektromotor 51 eine Antriebsachse 52 mit daran angeordneten Antriebsrädern 53 an. Der Traktionsmotor 51 ist über einen Wechselrichter 43 mit dem elektronischen Leistungssystem 40 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden und stellt den elektrischen Hauptverbraucher des Systems dar.
Die elektronische Steuereinheit 60 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere seine Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30, sein elektrisches Leistungssystem 40 sowie den Traktionsmotor 51 und das Klimasystem 70. Zu diesem Zweck erhält die Steuereinheit 60 verschiedene Eingangssignale, beispielsweise die mit dem Spannungssensor 41 erfasste Spannung U des Brennstoffzellenstapels 10, den mit dem Stromsensor 42 erfassten Strom I des Brennstoffzellenstapels 10, die sich aus Spannung U und Strom I ergebende Leistung P_stack des Brennstoffzellenstapels 10, die Drücke p im Anoden- und/oder Kathodenraum 12, 13, den Ladezustand SOC des Energiespeichers 44, die Drehzahl n des Traktionsmotors 51 und weitere Eingangsgrößen. Alternativ dazu können einige der vorgenannten Werte auch in der Steuereinheit 60 selbst bestimmt werden, beispielsweise P_stack.
Ferner geht eine Wahlhebelstellung mit Bezug zu einem gewählten Betriebsmodus (selected operation mode – SOM) als eine erste Fahrereingabe, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 200 angefragte Fahrleistung P_W als zweite Fahrereingabe, eine aktuelle Temperatur T sowie eine vom Fahrer gewählte Temperatur T_sel des Fahrzeuginnenraums und eine Außentemperatur T_env in die Steuereinheit 60 ein. Die Größe P_W wird aus der Stärke der Betätigung eines hier nicht dargestellten Fahrpedals über einen Pedalwertgeber erfasst.
In Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe SOM bestimmt die Steuereinheit 60 einen vom Fahrer gewählten Betriebsmodus und variiert anhand des gewählten Betriebsmodus die Verfügbarkeit des Klimasystems 70, indem sie die mögliche Leistungsaufnahme des elektrischen Zuheizers 71 und des Klimakompressors 72 in Abhängigkeit der Fahrzeugaußentemperatur T_env drosselt und somit indirekt die Leistungsaufnahme des Klimasystems P_AC nach oben begrenzt. Zudem bestimmt die Steuereinheit 60 in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der elektrischen Leistungsanforderung P_EM des Elektromotors 51 aus der zweiten Fahrereingabe P_W. Die ermittelten Leistungsanforderungen P_EM und P_AC werden von der Steuereinheit 60 superpositioniert und an den Brennstoffzellenstapel 10 übermittelt. Ferner bestimmt die Steuereinheit 60 einen Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels 10, indem sie die vom Brennstoffzellenstapel 10 angeforderte elektrische Spannung U und den von dem Brennstoffzellenstapel 10 angeforderten elektrischen Strom 10 festlegt. Die Bestimmung des Arbeitspunkts kann zudem das Superpositionieren einer zusätzlichen Übertragungsfunktion beim Superpositionieren der Leistungsanforderungen P_EM und P_AC umfassen, beispielsweise um die resultierende Leistungsanforderung zu verzögern. Aus der insgesamt resultierenden Leistungsanforderung ermittelt die Steuereinheit 60 aus Berechnungen oder entsprechend abgespeicherten Kennfeldern die erforderlichen Massenströme oder Betriebsdrücke des Anoden- und Kathodenbetriebsmediums und steuert die Betriebsmittelzufuhr des Brennstoffzellensystems, beispielsweise über den Elektromotor 34 des Verdichters 33 sowie die Stellmittel 24, 38 etc. des Brennstoffzellensystems 100.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer anhand eines Pedalwerts P_W ermittelten Leistungsanforderung eines Elektromotors P_EM und die aufgrund der Leistungsanforderung bereitgestellte Nettoleistung P_netto eines Brennstoffzellenstapels und die beim Bereitstellen der Nettoleistung auftretende Leistungsaufnahme P_aux zumindest eines Nebenaggregats.
Wie in 3(A) dargestellt, wird im ersten Betriebsmodus infolge einer ersten Fahrereingabe in Form eines Anstiegs des erfassten Pedalwerts P_W eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der elektrischen Leistungsanforderung P_EM so gewählt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 infolge dieser Leistungsanforderung P_EM eine Stapelnettoleistung P_netto bereitstellt, die dem erhöhten Pedalwert P_W, insbesondere einer zum Bereitstellen eines dem Pedalwert entsprechenden Drehmoments notwendigen elektrischen Leistung, entspricht. Die Übertragungsfunktion ist zudem so gewählt, dass die Leistungsanforderung PEM langsam ansteigt und die Stapelnettoleistung somit mit einer bestimmten, insbesondere nicht-minimalen Verzögerung bereitgestellt wird. Aufgrund der Verzögerung ist die maximale Leistungsaufnahme des zumindest einen Nebenaggregats beim Bereitstellen dieser Stapelnettoleistung P_netto reduziert.
Wie in 3(B) dargestellt, wird im zweiten Betriebsmodus infolge einer ersten Fahrereingabe in Form eines Anstiegs des erfassten Pedalwerts P_W eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der elektrischen Leistungsanforderung P_EM so gewählt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 infolge dieser Leistungsanforderung P_EM eine Stapelnettoleistung P_netto bereitstellt, die dem erhöhten Pedalwert P_W, insbesondere einer zum Bereitstellen eines dem Pedalwert entsprechenden Drehmoments notwendigen elektrischen Leistung, und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats entspricht. In dem in 3(B) dargestellten Beispiel entspricht P_aux ^max der zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux beim Bereitstellen einer Stapelnettoleistung P^netto, die dem erhöhten Pedalwert PW entspricht, mit nicht-minimaler Verzögerung, wie in 3(A) dargestellt.
Aufgrund der im Vergleich zum ersten Betriebsmodus erhöhten Leistungsanforderung P_EM steht dem Fahrer des Brennstoffzellenfahrzeugs im zweiten Betriebsmodus die volle Beschleunigung zur Verfügung. Insbesondere steht eine dem Pedalwert P_W entsprechende Stapelnettoleistung bereits zu einem Zeitpunkt zur Verfügung, an dem im ersten Betriebsmodus die verfügbare Stapelnettoleistung noch in etwa um die maximale Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats reduziert ist. Die Übertragungsfunktion ist zudem so gewählt, dass die Leistungsanforderung PEM langsam ansteigt und die Stapelnettoleistung somit mit einer bestimmten, insbesondere nicht-minimalen Verzögerung bereitgestellt wird. Insbesondere erreicht die Leistungsanforderung P_EM ihr Maximum zur selben Zeit, wie im ersten Betriebsmodus. Aufgrund der Verzögerung ist die maximale Leistungsaufnahme des zumindest einen Nebenaggregats beim Bereitstellen dieser Stapelnettoleistung P_netto reduziert.
Wie in 3(C) dargestellt, wird auch im dritten Betriebsmodus infolge einer ersten Fahrereingabe in Form eines Anstiegs des erfassten Pedalwerts P_W eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der elektrischen Leistungsanforderung P_EM so gewählt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 infolge dieser Leistungsanforderung P_EM eine Stapelnettoleistung P_netto bereitstellt, die dem erhöhten Pedalwert P_W, insbesondere einer zum Bereitstellen eines dem Pedalwert entsprechenden Drehmoments notwendigen elektrischen Leistung, und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats entspricht. Auch in dem in 3(C) dargestellten Beispiel entspricht P_aux ^max der zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux beim Bereitstellen einer Stapelnettoleistung P^netto, die dem erhöhten Pedalwert PW entspricht, mit nicht-minimaler Verzögerung, wie in 3(A) dargestellt.
Aufgrund der im Vergleich zum ersten Betriebsmodus erhöhten Leistungsanforderung P_EM und der im Vergleich zum ersten und zum zweiten Betriebsmodus geringeren Verzögerung beim Stellen der Leistungsanforderung P_EM steht dem Fahrer des Brennstoffzellenfahrzeugs im dritten Betriebsmodus die volle Beschleunigung bei vollem Ansprechverhalten beziehungsweise bei voller Gasannahme zur Verfügung. Insbesondere steht eine dem Pedalwert P_W entsprechende Stapelnettoleistung bereits zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt zur Verfügung als in dem ersten Betriebsmodus und auch früher als im zweiten Betriebsmodus. Aufgrund der minimalen, ausschließlich technisch bedingten Verzögerung in der Leistungsbereitstellung ist die maximale Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats erhöht.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
200: Brennstoffzellenfahrzeug
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Rezirkulationsfördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
40: elektrisches Leistungssystem
41: Spannungssensor
42: Stromsensor
43: Wechselrichter
44: Energiespeicher
45: Gleichstromwandler
50: Antriebssystem
51: Traktionsmotor
52: Antriebsachse
53: Antriebsräder
60: Steuereinheit
70: Klimasystem
71: elektrischer Zuheizer
72: Klimakompressor

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 10063654 A1 [0013]
DE 102012018710 A1 [0014]

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug (200), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (10) zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung P_stack und mit zumindest einem Nebenaggregat (24, 26, 33, 34, 38) zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels (10) mit elektrischer Leistungsaufnahme P_aux; ein Klimasystem (70) zum Temperieren eines Fahrzeuginnenraums mit einem elektrischen Zuheizer (71) und einem Klimakompressor (72) mit gemeinsamer elektrischer Leistungsanforderung P_AC; einen Elektromotor (51) zum Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs (200) mit einer Leistungsanforderung P_EM; und eine Mehrzahl Sensoren zum Erfassen einer Außentemperatur, einer ersten Fahrereingabe und einer zweiten Fahrereingabe; und eine Steuereinheit (60), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, das Brennstoffzellenfahrzeug (200) in Abhängigkeit der ersten Fahrereingabe in einem von einer Mehrzahl von Betriebsmodi zu betreiben, wobei eine Leistungsaufnahme P_AC des Klimasystems (70), ein Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels (10) und eine Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM aus der zweiten Fahrereingabe in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus variiert werden.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, in einem ersten Betriebsmodus das Klimasystem (70) in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel (10) an oder nahe eines wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkts zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) eine der zweiten Fahrereingabe entsprechende Nettoleistung P_netto mit nicht-minimaler Verzögerung bereitstellt.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebsmodus das Klimasystem (70) unabhängig von einer Außentemperatur unlimitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel (10) an oder nahe eines Arbeitspunkts mit minimaler Schallemission zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) eine der zweiten Fahrereingabe und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats (24, 26, 33, 34, 38) entsprechende Nettoleistung P_netto mit nicht-minimaler Verzögerung bereitstellt.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) ferner dafür eingerichtet ist, die nicht-minimale Verzögerung so zu bestimmen, dass die maximale Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats (24, 26, 33, 34, 38) reduziert ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, in einem dritten Betriebsmodus das Klimasystem (70) in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, den Brennstoffzellenstapel (10) an einem beliebigen Arbeitspunkt zu betreiben und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM so zu wählen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) eine der zweiten Fahrereingabe und einer zu erwartenden maximalen Leistungsaufnahme P_aux ^max des zumindest einen Nebenaggregats (24, 26, 33, 34, 38) entsprechende Nettoleistung P_netto mit minimaler Verzögerung bereitstellt.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, das Klimasystem (70) in Abhängigkeit der Außentemperatur limitiert zur Verfügung zu stellen, indem sie unterhalb einer ersten vorbestimmten Temperatur nur den elektrischen Zuheizer (71) und oberhalb einer zweiten vorbestimmten Temperatur nur den Klimakompressor (72) zur Verfügung stellt.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, in einem vierten Betriebsmodus das Klimasystem (70) unabhängig von einer Außentemperatur unlimitiert zur Verfügung zu stellen und den Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels (10) und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM in Abhängigkeit zumindest eines Fahrer-, Fahrzeug- oder Umgebungsparameters zu ermitteln.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, in einem fünften Betriebsmodus das Klimasystem (70) in Abhängigkeit einer dritten Fahrereingabe zur Verfügung zu stellen, den Arbeitspunkt des Brennstoffzellenstapels (10) in Abhängigkeit einer vierten Fahrereingabe zu bestimmen und die Übertragungsfunktion zum Ermitteln der Leistungsanforderung P_EM in Abhängigkeit einer fünften Fahrereingabe zu bestimmen.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sensor dafür eingerichtet ist, die erste Fahrereingabe anhand einer mechanischen, akustischen oder elektromagnetischen Eingabegröße zu bestimmen und/oder ein zweiter Sensor dafür eingerichtet ist, die zweite Fahrereingabe anhand eines Pedalwerts zu bestimmen.
Brennstoffzellenfahrzeug (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Automatikgetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dafür eingerichtet ist, die Ansteuerung des Automatikgetriebes in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus zu variieren.