DE102016214000A1 - Verfahren zum Versorgen eines Stromnetzes - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Versorgen eines Stromversorgungsnetzes mittels einer Brennstoffzellenanlage (20) sieht vor, dass ein Soll-Abgabeparameters, gemäß dem die Brennstoffzellenanlage (20) angesteuert wird, elektrische Energie abzugeben, erfasst wird. Es wird ein Brennstoffzellen-Betriebspunkt und eines weiteren Betriebspunkt mindestens einer weiteren Komponente (24; 30, 40, 50) der Brennstoffzellenanlage oder des Stromversorgungsnetzes ermittelt. Der Brennstoffzellen-Betriebspunkt und der weitere Betriebspunkt werden ermittelt durch Ermitteln eines Minimums einer Gesamt-Verlustleistung. Die Gesamt-Verlustleistung entspricht einer Summe aus einer ersten Teil-Verlustleistung, die mit dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt verknüpft ist und zumindest einer zweiten Teil-Verlustleistung, die mit dem weiteren Betriebspunkt verknüpft ist. Die Brennstoffzelle (22) wird gemäß dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt betrieben und die weitere Komponente (24; 30, 40, 50) wird gemäß dem weiteren Betriebspunkt betrieben.

Description

  • Es ist bekannt, Brennstoffzellen zur Versorgung von elektrischen Stromnetzen zu verwenden. Hierzu wird die chemische Energie eines Brennstoffes einerseits und Oxidationsmittel wie Sauerstoff (etwa als Luftsauerstoff) andererseits in der Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt, wie ebenso allgemein bekannt ist.
  • Die Druckschrift DE112009005047 T5 beschreibt beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Motor über einen Inverter und zwei Spannungswandlern von einer Brennstoffzelle angetrieben wird. Hierbei wird die Verlustleistung der Last betrachtet, nämlich die Verlustleistung des Motors, der Wandler des Inverters, und es wird diejenige Spannung als eine Bedarfsspannung für den Inverter ausgegeben, welche die Verlustleistung des Motors, der Wandler und des Inverters minimiert.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Energieeffizienz bei der Nutzung einer Brennstoffzelle weiter zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteil ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen und den beigefügten Figuren.
  • Es wird vorgeschlagen, nicht nur unter den Komponenten Betriebsparameter abzustimmen, um eine geringe Verlustleistung zu erreichen, sondern die Betriebsparameter der Brennstoffzelle sowie weiterer Komponenten werden untereinander abgestimmt, um eine minimale Gesamt-Verlustleistung zu erreichen. Mit anderen Worten wird die Gesamt-Verlustleistung der Brennstoffzelle und zumindest einer weiterer Komponente minimiert.
  • Es wird ein Verfahren zum Versorgen eines Stromversorgungsnetzes mittels einer Brennstoffzellenanlage beschrieben, wobei das Stromversorgungsnetz und/oder die Brennstoffzellenanlage – neben der Brennstoffzelle – mindestens eine weitere elektrische Komponente aufweist. Die Betriebspunkte der Brennstoffzelle und der Komponente werden derart gewählt, dass sich ein optimaler Wirkungsgrad bzw. eine minimale Verlustleistung insgesamt ergibt. Die Optimierung des Wirkungsgrads bzw. die minimale Verlustleistung bezieht sich daher nicht auf eine einzelne Komponente, sondern betrifft die Gesamtheit von Brennstoffzelle und weiterer Komponente. Es wird somit die Verlustleistung der Gesamtheit von Brennstoffzelle und weiterer Komponente minimiert. Es wird daher eine erste Teil-Verlustleistung (betreffend die Brennstoffzelle) und eine zweite Teil-Verlustleistung (betreffend die weitere Komponente ermittelt und es werden die Betriebspunkte ausgewählt, die mit der minimalen Verlustleistung der Kombination der Teil-Verlustleistungen verknüpft sind. Die Gesamt-Verlustleistung bezieht sich auf die Kombination der Teil-Verlustleistungen, insbesondere auf die Summe der Teil-Verlustleistungen.
  • In gleicher Weise können Teil-Wirkungsgrade für die Brennstoffzelle einerseits und die mindestens eine weitere Komponente andererseits ermittelt werden. Die Teil-Wirkungsgrade werden miteinander zu einem Gesamt-Wirkungsgrad kombiniert und dieser Gesamt-Wirkungsgrad wird minimiert. Die Betrachtung der Wirkungsgrade entspricht sinngemäß der Betrachtung der Verlustleistungen, so dass die hier erwähnten Merkmale und Eigenschaften der Verlustleistungen als Synonym für die betreffenden Wirkungsgrade stehen. Lediglich die Kombination der Teil-Größen ist unterschiedlich: während die Summen der Teil-Verlustleistungen zur Gesamt-Verlustleistung summiert werden, können die Teil-Wirkungsgrade kombiniert werden, indem deren Kehrwerte addiert werden, vorzugsweise normiert oder gewichtet mit den zugehörigen Nennwerten.
  • Eine Randbedingung hierbei ist, dass die Brennstoffzellenanlage bzw. die Brennstoffzelle eine Soll-Leistung (oder eine Soll-Spannung oder ein Soll-Strom) erzeugt. Mit anderen Worten wird ein vorgegebener bzw. erfasster Soll-Abgabeparameter eingehalten.
  • Wird beispielsweise (bei einer vorgegebenen Abgabeleistung) die Brennstoffzelle mit einem geringerem Luftdruck oder geringerem Luftmenge versorgt, als es beim Wirkungsgradoptimum der Fall ist, dann ergibt sich eine höhere Verlustleistung bzw. ein geringerer Wirkungsgrad. Die hier beschriebene Vorgehensweise sieht vor, dass etwa Abhängigkeiten der Verlustleistung anderer Komponenten sich von der Abhängigkeit der Brennstoffzelle unterscheiden können und so Kompensationseffekte auftreten können. Wird die Brennstoffzelle mit einer geringeren Luftmenge versorgt, so ist hierfür eine geringere Leistung für einen Kompressor erforderlich, der die Brennstoffzelle Luft(-Sauerstoff) zur Wandlung zuführt. Die höhere Verlustleistung bzw. der geringere Wirkungsgrad der Brennstoffzelle geht daher mit einer geringeren Leistung des Kompressors einher. Die dem Kompressor zugeführte elektrische Leistung kann hierbei (vollständig) als Teil-Verlustleistung betrachtet werden. Die hier beschriebene Vorgehensweise betrachtet die Kombination aus der Teil-Verlustleistung der weiteren Komponente (durch den Kompressor hervorgerufen) und der Verlustleistung der Brennstoffzelle, d.h. der Teil-Verlustleistung, die der Brennstoffzelle zugehört.
  • Neben dem Kompressor (als ein Beispiel für eine weitere Komponente) oder an dessen Stelle kann ein Stromwandler betrachtet werden, über den elektrische Leistung ausgehend von der Brennstoffzelle übertragen wird. Auch dieser kann bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennstoffzelle unterschiedliche Verlustleistungen bzw. Wirkungsgrade aufweisen.
  • Aus dieser Optimierung der Verlustleistung kann sich eine bessere Systemdynamik einstellen. Ist der Luftdruck oder die Luftmenge zum Zwecke eines besseren Gesamtwirkungsgrads vermindert (siehe vorangehendes Beispiel), so reduziert sich die aufzubringende Leistung für die Luftversorgung. Bei gleicher Maximalleistung der Komponente kann die Trägheit des Oxidationsmittels der Brennstoffzelle zeitnäher überwunden werden. Deshalb ändert die Brennstoffzelle ihre Leistungsabgabe zeitnäher und folgt Änderungen der Soll-Vorgabe mit geringerer Trägheit. Anschließend kann die Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Oxidationsmittel mit der reduzierten Leistung fortgeführt werden. Es ist daher möglich, zwischen Betriebszuständen mit unterschiedlichen Soll-Leistungen schneller zu wechseln.
  • Der Betriebspunkt der Brennstoffzelle (bzw. der mindestens einen weiteren Komponenten) kann durch eine Größe (etwa die Luftzufuhrmengenrate) definiert sein oder durch mehrere Größen (etwa die Luftzufuhrmengenrate und die Temperatur).
  • Der Betrieb der Brennstoffzelle kann insbesondere durch den Soll-Abgabeparameter (etwa eine Soll-Leistung) und zumindest eine Größe des Brennstoffzellen-Betriebspunkts (etwa die Luftzufuhrmengenrate) definiert sein.
  • Es wird ein Verfahren zum Versorgen eines Stromversorgungsnetzes mittels einer Brennstoffzellenanlage beschrieben. Die Brennstoffzellenanlage umfasst eine Brennstoffzelle. Ferner kann die Brennstoffzellenanlage einen Kompressor, einen Lüfter, oder beides umfassen.
  • Es wird ein Soll-Abgabeparameter erfasst, gemäß dem die Brennstoffzellenanlage angesteuert wird, elektrische Energie abzugeben. Der Soll-Abgabeparameter gibt etwa die Leistung an, die von der Brennstoffzellenanlage abzugeben ist, gibt an, welcher Strom von der Brennstoffzellenanlage abzugeben ist, gibt an, bei welcher Spannung elektrische Leistung von der Brennstoffzellenanlage abzugeben, oder gibt eine Kombination dieser Sollvorgaben an. Der Soll-Abgabeparameter kann etwa von einer übergeordneten Steuerung an die Brennstoffzellenanlage übermittelt werden. Der Soll-Abgabeparameter definiert (einen Teil) des Betriebszustands der Brennstoffzellenanlage, der vorgegeben ist, und der von dem hier beschriebenen Verfahren als Randbedingung einzuhalten ist. Betriebsparameter oder Betriebspunkte der Brennstoffzellenanlage werden gemäß dem Verfahren umgesetzt bzw. eingestellt (unter der Voraussetzung, dass der Soll-Abgabeparameter so genau wie möglich eingehalten wird). Betriebsparameter oder Betriebspunkte der Brennstoffzellenanlage sind daher variabel. Die Betriebsparameter oder Betriebspunkte und der Soll-Abgabeparameter definieren zusammen den Betriebszustand der Brennstoffzelle.
  • Es wird ferner ein Brennstoffzellen-Betriebspunkt(d.h. ein Betriebspunkt der Brennstoffzelle) ermittelt. Zudem wird ein weiterer Betriebspunkt ermittelt, der den Betrieb mindestens einer weiteren Komponente der Brennstoffzellenanlage oder des Stromversorgungsnetzes definiert. Als (mindestens eine) weitere Komponente wird eine Komponente bezeichnet, die Teil der Brennstoffzellenanlage ist, jedoch nicht der Brennstoffzelle entspricht. Ferner wird als (mindestens eine) weitere Komponente eine Komponente des Stromversorgungsnetzes bezeichnet, etwa ein Wandler, ein Lüfter oder eine Last.
  • Komponenten der Brennstoffzellenanlage sind insbesondere ein Kompressor zur Zuführung von Luft zur elektrochemischen Umsetzung und/oder eine Temperierungsvorrichtung zur Temperierung (d.h. Kühlung oder Erwärmung) der Brennstoffzelle. Komponenten des Stromversorgungsnetzes können Lasten sein (etwa eine elektrische Maschine), ein Stromwandler, insbesondere ein Wechselrichter und/oder ein DCDC-Wandler (Gleichstromwandler). Der weitere Betriebspunkt bezieht sich auf mindestens eine Komponente des Stromversorgungsnetzes, über die elektrische Leistung von der Brennstoffzellenanlage übertragen wird, und/oder mindestens eine Last. Diese mindestens eine weitere Komponente weist mindestens einen Betriebsparameter auf, der variabel ist. Auch hier kann für die mindestens eine Komponenten ein Soll-Parameter vorgesehen sein (etwa die anzugebende oder aufzunehmende Leistung, der betreffende Strom oder die betreffende Spannung), wobei ferner mindestens eine weitere Betriebsgröße besteht, die variabel ist, d.h. die bei Einhaltung des Soll-Parameters geändert werden kann. Unterschiedliche Betriebsparameter sind insbesondere mit unterschiedlichen Wirkungsgraden oder Verlustleistungen verknüpft. Dies gilt insbesondere für die mindestens eine weitere Komponente und für die Brennstoffzelle, Brennstoffzellenanlage oder Komponenten der Brennstoffzellenanlage, die nicht der Brennstoffzelle entsprechen.
  • Der Brennstoffzellen-Betriebspunkt und der weitere Betriebspunkt werden ermittelt, indem ein Minimum einer Gesamt-Verlustleistung ermittelt wird. Die Gesamt-Verlustleistung bezieht sich auf die Verlustleistung der Brennstoffzelle und auf die Verlustleistung der weiteren Komponente (d.h. eine Komponente, die nicht der Brennstoffzelle entspricht). Die Verlustleistung der Brennstoffzelle und die Verlustleistung der weiteren Komponente werden als Teil-Verlustleistungen bezeichnet, da diese Teil der Gesamt-Verlustleistung sind.
  • Die Gesamt-Verlustleistung ergibt sich aus einer Kombination und insbesondere aus einer Summe aus einer ersten Teil-Verlustleistung, die mit dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt verknüpft ist, und zumindest einer zweiten Teil-Verlustleistung, die dem weiteren Betriebspunkt verknüpft ist. Die Summe kann auch eine gewichtete Summe sein. Die Gewichtung kann insbesondere berücksichtigen, dass eine Komponente nahe an einer oberen Betriebsgrenze arbeitet, oder nicht. Eine Teil-Verlustleistung wird umso höher gewichtet, je geringer die Differenz zu einem Maximalparameter (d.h. zu einer Betriebsgrenze) ist. Eine Teil-Verlustleistung wird umso höher gewichtet, je stärker der betreffende Betriebspunkt zur Alterung beiträgt.
  • Die Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage wird gemäß dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt betrieben. Ferner wird die mindestens eine weitere Komponente gemäß dem weiteren Betriebspunkt betrieben.
  • Dadurch, dass die Gesamt-Verlustleistung minimiert wird, welche sowohl von der Verlustleistung der Brennstoffzelle als auch von der Verlustleistung mindestens einer weiteren Komponenten beeinflusst wird, wird die Verlustleistung des Stromversorgungsnetzes als Ganzes minimiert und insbesondere wird nicht die Brennstoffzelle für sich und getrennt von weiteren Komponenten betrachtet.
  • Die mindestens eine weitere Komponente kann ein Kompressor der Brennstoffzellenanlage sein, insbesondere ein Kompressor, der die Brennstoffzelle mit Luft zur elektrochemischen Umsetzung versorgt. Ferner kann die mindestens eine weitere Komponente eine Temperierungsvorrichtung sein, die die Luft temperiert, mit der die Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird. Die Temperierungsvorrichtung kann eine Heizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung sein. Zudem kann die mindestens eine weitere Komponente eine Temperierungsvorrichtung sein, die die Brennstoffzelle temperiert, insbesondere eine Kühlvorrichtung, die die Brennstoffzelle mit Kühlungsluft versorgt, oder eine Pumpe eines Kühlsystems, das die Brennstoffzelle kühlt, oder auch eine Kühlvorrichtung wie eine Kühlanlage mit thermoelektrischen Elementen, die die Brennstoffzelle kühlt, oder ein Heizelement. Zudem kann die mindestens eine weitere Komponente ein Lüfter einer Komponente des Stromversorgungsnetzes sein, die nicht der Brennstoffzellenanlage angehört, etwa ein Lüfter oder eine Kühlanlage eines Wandlers. Insbesondere kann die mindestens eine Komponente ein Stromwandler sein, über den die Brennstoffzellenanlage elektrische Leistung in das Versorgungsnetz abgibt. Die mindestens eine Komponente kann einen DCDC-Wandler, einen Inverter oder beides umfassen.
  • Der Brennstoffzellen-Betriebspunkt kann ermittelt werden als Druck der Luft, die der Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung zugeführt wird. Ferner kann der Brennstoffzellen-Betriebspunkt ermittelt werden als Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. Der der Brennstoffzellen-Betriebspunkt kann als eine Größe gegeben sein, die als Skalar angegeben ist. Ferner kann der Brennstoffzellen-Betriebspunkt als Kombination von Werten verschiedener Größen wiedergegeben sein, die den Betrieb der Brennstoffzelle definieren. Der Brennstoffzellen-Betriebspunkt kann somit als n-Tupel dargestellt sein, mit n = 1 (im Sinne eines Werts bzw. eines Skalars), oder mit n > 2 (im Sinne einer Kombination von Werten unterschiedlicher Betriebsgrößen oder Betriebsparameter bzw. als Vektor).
  • Der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als elektrische Leistung eines Kompressors der Brennstoffzellenanlage, der die Brennstoffzelle mit Luft zur elektrochemischen Umsetzung versorgt Ferner kann dieser ermittelt werden als Förderleistung dieses Kompressors.
  • Der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als eine elektrische Leistung einer Temperierungsvorrichtung, die die Luft temperiert, mit der die Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird. Die weitere Komponente kann einer derartigen Kühlvorrichtung entsprechen. Zudem kann der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als Kühlungsleistung der Kühlvorrichtung, die die Luft kühlt, mit der die Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird.
  • Der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als eine elektrische Leistung einer Heizvorrichtung, die die Luft erwärmt, mit der die Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird, oder die die Brennstoffzelle selbst wärmt. Die weitere Komponente kann einer derartigen Heizvorrichtung entsprechen. Zudem kann der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als Heizleistung der Heizvorrichtung, die die Luft erwärmt, mit der die Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird, oder als Heizleistung der Heizvorrichtung, die die Brennstoffzelle selbst wärmt.
  • Der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als eine elektrische Leistung einer Kühlvorrichtung, die eine weitere Komponente (etwa einen Wandler des Versorgungsnetzes) kühlt. Zudem kann der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als Kühlungsleistung der Kühlvorrichtung, die eine weitere Komponente kühlt.
  • Der weitere Betriebspunkt kann ermittelt werden als eine elektrische Leistung oder als Förderleistung einer Temperierungsvorrichtung der Brennstoffzellenanlage, die die Brennstoffzelle temperiert. Diese elektrische Leistung oder Förderleistung kann die einer Heizvorrichtung, eines Kühllüfters oder einer anderen Temperierungsvorrichtung sein.
  • Der weitere Betriebspunkt kann ferner als Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Modulationsgrad, Schaltfrequenz, elektrische Ausgangsleistung, oder Temperatur eines Stromwandlers, über den die Brennstoffzellenanlage elektrische Leistung in das Versorgungsnetz abgibt.
  • Die Gesamt-Verlustleistung kann einer Summe der ersten Teil-Verlustleistung (betreffend die Brennstoffzelle selbst) und mehreren Teil-Verlustleistungen entsprechen. Die Ermittlung des Minimums kann Betriebspunkte oder Betriebsparameter mehrerer weiterer Komponenten umfassen. Die Ermittlung des Minimums kann mehrere Betriebsparameter einer weiteren Komponente umfassen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird als erste Teil-Verlustleistung diejenige verwendet, welche mit der elektrochemischen Umsetzung verknüpft ist, und die von der Luftzufuhrrate (oder dem Druck) abhängt. Als zweite Teil-Verlustleistung wird diejenige verwendet, die der Leistung entspricht, welche ein Kompressor aufnimmt, um die Luftzufuhr (oder den Druck) zu gewährleisten. Ist die Luftzufuhr geringer, als es einem Optimum der Brennstoffzelle entsprechen würde, dann erzeugt die Brennstoffzelle eine höhere Verlustleistung (= 1. Teil-Verlustleistung) als im Optimum. Jedoch erfordert eine geringere Luftzufuhr (oder ein geringerer Druck) eine geringere Leistung für den Kompressor, so dass die zweite Teil-Verlustleistung (gegenüber der optimalen Luftversorgung) geringer ist. Es wird gemäß dem hier beschriebenen Verfahren die Gesamt-Verlustleistung minimiert, die sich aus der den beiden Teil-Verlustleistungen zusammensetzt, so dass eine Kompensation zwischen den Abhängigkeiten der Teil-Verlustleistungen von unterschiedlichen Betriebspunkten (hier: erhöhte Luftzufuhrrate verringert die erste Teil-Verlustleistung und erfordert gleichzeitig eine höhere zweite Teil-Verlustleistung durch den Kompressor) berücksichtigt wird. Es wird als zweite Teil-Verlustleistung insbesondere die Verlustleistung des Kompressors insgesamt betrachtet, d.h. die zuzuführende elektrische Leistung (die von der Luftzufuhrrate bzw. dem Druck abhängt) sowie Strömungsverluste (die ebenso von der Luftzufuhrrate bzw. von dem Druck abhängen).
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird als erste Teil-Verlustleistung diejenige verwendet, welche mit der Betriebsspannung der Brennstoffzelle verknüpft ist. Als zweite Teil-Verlustleistung wird diejenige verwendet, welche der Verlustleistung eines Wandlers entspricht, der die von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung wandelt, etwa ein DCDC-Wandler. Ist die Betriebsspannung der Brennstoffzelle geringer, als es einem Optimum der Brennstoffzelle entsprechen würde (etwa die Nennspannung), dann erzeugt die Brennstoffzelle eine höhere Verlustleistung (= erste Teil-Verlustleistung) als im Optimum. Jedoch kann eine geringere Betriebsspannung als die beim Optimum bestehende Spannung an der Brennstoffzelle mit einer geringeren zweiten Teil-Verlustleistung verknüpft sein. Während die Abhängigkeit von dem Betriebspunkt „Spannung“ bei der Brennstoffzelle negativ sein kann (je geringer die Spannung desto höher die erste Teil-Verlustleistung der Brennstoffzelle), kann die Abhängigkeit zwischen der zweiten Teil-Verlustleistung von dem Betriebspunkt „Spannung“ (beim DCDC-Wandler, insbesondere an dessen Eingang) positiv sein. Es wird gemäß dem hier beschriebenen Verfahren die Gesamt-Verlustleistung minimiert, die sich aus der den beiden Teil-Verlustleistungen zusammensetzt, so dass eine Kompensation zwischen den Abhängigkeiten der Teil-Verlustleistungen von unterschiedlichen Betriebspunkten (hier: verringerte Betriebsspannung erhöht die erste Teil-Verlustleistung und ist gleichzeitig mit einer geringeren zweiten Teil-Verlustleistung verknüpft), berücksichtigt wird. Es wird als zweite Teil-Verlustleistung insbesondere die Verlustleistung des DCDC-Wandlers oder eines Inverters betrachtet, d.h. die zuzuführende elektrische Leistung (die von der Luftzufuhrrate abhängt). Es kann ferner zu dieser zweiten Teil-Verlustleistung noch die elektrische Leistung berücksichtigt werden, die die Kühlung des DCDC-Wandlers erfordert.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird als erste Teil-Verlustleistung diejenige verwendet, welche mit der Betriebsspannung der Brennstoffzelle verknüpft ist. Ferner werden mehrere zweite Teil-Verlustleistungen verwendet, insbesondere zweite Teil-Verlustleistungen unterschiedlicher weiterer Komponenten. Als zweite Teil-Verlustleistungen werden die Verlustleistung des Wandlers und die Verlustleistung des Kompressors verwendet. Ändert sich der Brennstoffzellen-Betriebspunkt (hier: die zugeführte Rate der zur elektrochemischen Umsetzung vorgesehene Luft oder deren Druck), so ändert sich die Verlustleistung der Brennstoffzelle (= erste Teil-Verlustleistung), die Verlustleistung des Wandlers (= zweite Teil-Verlustleistung) und die Verlustleistung des Kompressors (= weitere zweite Teil-Verlustleistung). Es wird die Gesamt-Verlustleistung minimiert. Diese kann sich zusammensetzen aus der ersten und der zweiten Teil-Verlustleistung (etwa deren Summe) oder aus der ersten Teil-Verlustleistung, der zweiten Teil-Verlustleistung, und einer weiteren zweiten Teil-Verlustleistung. Mit anderen Worten kann sich die Gesamt-Verlustleistung zusammensetzen aus einer Teil-Verlustleistung erster Art (= erste Teil-Verlustleistung), einer ersten Teil-Verlustleistung zweiter Art (etwa die zweite Teil-Verlustleistung einer Komponente) und einer zweiten Teil-Verlustleistung zweiter Art (etwa die zweite Teil-Verlustleistung einer Komponente, die sich von der erstgenannten unterscheidet oder die eine andere Betriebsgröße betrifft).
  • Als Soll-Abgabeparameter kann eine elektrische Soll-Leistung vorgegeben sein. Der Soll-Abgabeparameter kann in Form eines Sollwerts oder eines Soll-Signals, das den Soll-Abgabeparameter wiedergibt, vorgesehen sein. Ferner kann der Soll-Abgabeparameter als eine Soll-Spannung oder als ein Soll-Strom erfasst werden oder vorliegen. Dies betrifft die Leistung, die von der Brennstoffzelle beim ihrem Betrieb abgegeben werden soll. Ferner betrifft dies die Spannung, die von der Brennstoffzelle beim ihrem Betrieb abgegeben werden soll. Insbesondere betrifft die den Strom, der von der Brennstoffzelle beim ihrem Betrieb abgegeben werden soll. Es wird die Brennstoffzelle so eingestellt, dass sich der Strom, die Spannung bzw. die Leistung ergibt. Diese Größe, die den Betriebszustand der Brennstoffzelle definiert, wird vorgegeben. Im Gegensatz hierzu können die genannten Betriebsgrößen oder -punkte variiert werden, unter der Voraussetzung, dass der Soll-Abgabeparameter eingehalten wird. Die Variation der Betriebsgrößen oder -punkte ist mit einer Änderung der Teil-Verlustleistungen bzw. der Gesamt-Verlustleistung verknüpft. Anhand dieser Variation (bzw. anhand der unterschiedlichen Abhängigkeiten der Teil-Verlustleistungen von den Betriebsgrößen) kann ein Minimum für die Gesamt-Verlustleistung gefunden werden. Die Brennstoffzelle wird gemäß dem Betriebspunkt betrieben, bei dem sich das Minimum der Gesamt-Verlustleistung befindet, gegebenenfalls mit einer Abweichung von nicht mehr als eine vorgebegeben Toleranzbreite vom Optimum, etwa 2%, 5%, 10% oder 20% vom jeweiligen Optimumswert.
  • Das Minimum kann ermittelt werden anhand einer vorgegebenen Funktion. Diese kann eingerichtet sein, unterschiedliche Werte des Soll-Abgabeparameters auf zumindest einen zugehörigen Wert, der den Brennstoffzellen-Betriebspunkt kennzeichnet, abzubilden. Diese kann ferner eingerichtet sein, unterschiedliche Werte des Soll-Abgabeparameters auf zumindest einen zugehörigen Wert, der den weiteren Betriebspunkt kennzeichnet, abzubilden. Für den Soll-Abgabeparameter weisen die Brennstoffzellenanlage und die mindestens eine weitere Komponente zusammen den maximalen Gesamt-Wirkungsgrad bzw. die minimale Gesamt-Verlustleistung auf. Hierbei wird die Brennstoffzellenanlage gemäß Brennstoffzellen-Betriebspunkt betrieben. Die mindestens eine weitere Komponente wird gemäß dem weiteren Betriebspunkt, betrieben.
  • Das Minimum kann ermittelt werden mittels eines Brennstoffzellen-Kennfelds der Brennstoffzelle und mittels eines Komponenten-Kennfelds der mindestens einen weiteren Komponente. Die Kennfelder ordnen jeweils mehreren Betriebspunkten zugehörige Teil-Verlustleistungen oder Teil-Wirkungsgrade zu. Insbesondere ordnen die ordnen jeweils zu mehreren Intervallen, die verschiedenen Betriebspunkten zugeordnet sind (etwa Intervalle wie: 5 A–15 A, 15 A–25 A, ... die Betriebspunkten 10 A bzw. 20 A zugehören) zugehörigen Teil-Verlustleistungen oder Teil-Wirkungsgrade zu. Der Brennstoffzellen-Betriebspunkt und der weitere Betriebspunkt werden ermittelt durch Abrufen mehrerer Betriebspunkte für die Kennfelder und Addieren der Teil-Verlustleistungen oder durch Kombinieren der Teil-Wirkungsgrade. Es wird die minimale Summe der Gesamt-Verlustleistung ermittelt. Alternativ wird ein maximaler Gesamt-Wirkungsgrad der mehreren Betriebspunkte ermittelt.
  • Als Brennstoffzellen-Kennfeld kann dasjenige aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Kennfeldern verwendet werden, welches für den erfassten Soll-Abgabeparameter gilt. Es wird hierbei das passende Kennfeld aus einer Vielzahl von Kennfeldern ausgewählt. Es kann auch ein Kennfeld verwendet werden, das eine Dimension mehr als das vorgenannte Kennfeld aufweist, wobei sich die Dimension auf den Soll-Abgabeparameter bezieht. Es kann also ein mehrdimensionales Kennfeld verwendet werden, das für unterschiedliche Werte des Soll-Abgabeparameters unterschiedlichen Brennstoffzellen-Betriebspunkten jeweils eine zugehörige Teil-Verlustleistung zuordnet. Das Kennfeld ordnet mittels mehreren Zuordnungen jeweils unterschiedlichen Brennstoffzellen-Betriebspunkten eine zugehörige Teil-Verlustleistung zu. Hierbei betreffend die mehreren Zuordnungen unterschiedliche Werte oder Intervalle des Soll-Abgabeparameters.
  • Das Verfahren wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angewandt, kann sich jedoch auch auf stationäre Anlagen beziehen. Als Stromversorgungsnetz kann daher ein Fahrzeugbordnetz versorgt werden. Es wird hierzu eine fahrzeugseitige Brennstoffzellenanlage verwendet. Ferner kann es sich um ein stationäres Stromversorgungsnetz handeln und um eine stationäre Brennstoffzellenanlage, insbesondere im Sinne einer Inselversorgung, etwa einer privaten Stromversorgungsanlage.
  • Die 1 dient zur näheren Erläuterung der hier erwähnten Vorgehensweise und zeigt schematische ein Stromversorgungsnetz geeignet zur Ausführung des Verfahrens.
  • Die 1 zeigt ein Stromversorgungsnetz 10 mit einer Brennstoffzellenanlage 20. Diese Brennstoffzellenanlage 20 umfasst eine Brennstoffzelle 22 und einen Kompressor 24. Optionale Temperierungsvorrichtungen 26 und 28 sind vorgesehen, wobei die Temperierungsvorrichtung 26 die Luft bzw. den Sauerstoff temperiert, der der Brennstoffzelle 22 zur elektrochemischen Umsetzung zugeführt wird. Die Temperierungsvorrichtung 28 temperiert die Brennstoffzelle 22 selbst. Durch den Kompressor 24 kann insbesondere der Druck oder die Mengenrate der Luft (als Betriebspunkt) eingestellt werden. Dies bezieht sich auf die Luft, die zur elektrochemischen Umsetzung der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird. Mit der Temperierungsvorrichtung 26 kann die Temperatur (als ein Betriebspunkt) des Edukt-Sauerstoffs der Brennstoffzelle eingestellt werden. Mit der Temperierungsvorrichtung 28 kann die Temperatur (als ein Betriebspunkt) der Brennstoffzelle selbst eingestellt werden. Die Temperatur der Luft bzw. des Sauerstoffs bzw. der Brennstoffzelle selbst wird als ein Betriebspunkt angesehen, sowie auch die Luftförderrate oder der Druck. Die Temperatur der zugeführten Luft bzw. der Brennstoffzelle selbst oder auch die Förderrate oder der Druck kann als Brennstoffzellen-Betriebspunkt angesehen werden. Die Leistung der Temperierungsvorrichtung 26, die Leistung der Temperierungsvorrichtung 28, oder die Leistung des Kompressors 24 kann als Betriebspunkt mindestens einer (weiteren) Komponente angesehen werden, da diese direkt mit einer Verlustleistung dieser Komponente verknüpft sind.
  • Die von der Brennstoffzelle 22 erzeugte elektrische Energie wird an einen DCDC-Wandler 30 abgegeben. Auch dieser kann von einer Temperierungsvorrichtung 32 temperiert werden (insbesondere gekühlt werden). Die Temperierungsvorrichtung 32 wird vorzugsweise als Lüfter realisiert. Der DCDC-Wandler 30 speist einen Inverter 40. Der Inverter 40 ist über den DCDC-Wandler 30 mit der Brennstoffzelle verbunden. Auch der Inverter 40 kann von einer Temperierungsvorrichtung 42 temperiert werden (insbesondere gekühlt werden). Die Temperierungsvorrichtung 42 wird vorzugsweise als Lüfter realisiert.
  • Dem Inverter 40 ist eine elektrische Maschine 50 nachgeschaltet. Der Inverter 40 verbindet die elektrische Maschine 50 mit der Brennstoffzelle 22 bzw. mit dem DCDC-Wandler 30. Der Inverter 40 verbindet die elektrische Maschine 50 über den DCDC-Wandler 30 mit der Brennstoffzelle 22. Als weiterer Betriebspunkt kann etwa ein Modulationsparameter des Inverters verwendet werden. Ferner kann die Leistung der Temperierungsvorrichtung 42 als weiterer Betriebspunkt verwendet werden.
  • Es kann eine Sollspannung als Soll-Parameter für die Brennstoffzelle 22 vorgesehen werden. Diese wird eingestellt. Unterscheidet sich diese von einer Spannung, bei der der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 22 optimal ist, dann führt dies zu einer (erhöhten) Verlustleistung der Brennstoffzelle 22. Diese Verlustleistung wird als erste Teil-Verlustleistung bezeichnet oder als Verlustleistung erster Art.
  • Es können ein oder mehrere zweite Teil-Verlustleistungen vorgesehen werden, oder mit anderen Worten eine oder mehrere Teil-Verlustleistungen zweiter Art. Diese bezieht sich auf eine Komponente, die nicht der Brennstoffzelle 22 entspricht. Die zweite Teil-Verlustleistungen kann sein:
    • – die Leistung des Kompressors 24,
    • – die Leistung der Temperierungsvorrichtung 26,
    • – die Leistung der Temperierungsvorrichtung 28,
    • – die Leistung der Temperierungsvorrichtung 32,
    • – die Leistung der Temperierungsvorrichtung 42,
    • – die Verlustleistung des Wandlers 30,
    • – die Verlustleistung des Wandlers (bzw. Inverters) 40,
    • – die Verlustleistung der Last (bzw. der el. Maschine) 50,
    wobei diese einzeln, in Kombination von zwei oder mehr der genannten Größen, oder im Gesamten verwendet werden können und Verlustleistungen zweiter Art (d.h. zweite Verlustleistungen) bilden können. Eine erhöhte erste Teil-Verlustleistung aufgrund verringerter Ausgangsspannung oder aufgrund geringerem Druck der Luft, die zur elektrochemischen Wandlung der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird, wird kombiniert wird einer verringerten zweiten Teil-Verlustleistung (etwa einer verringerten Leistung des Kompressors, einer verringerten Leistung der Temperierungsvorrichtung 26, 28, 32 oder 42, einer verringerten Verlustleistung des Wandlers 30 oder 40 und/oder der elektrischen Maschine 50. Es ergeben sich Kompensationseffekte, wobei die Gesamt-Verlustleistung minimiert wird und nicht einzelne Teil-Verlustleistungen.
  • Die doppelten Leitungen entsprechen elektrischen Leitungen, insbesondere für Gleichspannung. Die dreifahren Leitungen entsprechen elektrischen Leitungen, insbesondere für Drehstrom. Die gestrichelte Verbindung gibt die Zuführung von Luft zur elektrochemischen Umsetzung durch die Brennstoffzelle wieder.
  • Die Pfeile geben jeweils eine thermische Beeinflussung wieder, d.h. entweder die Zufuhr von Wärme oder die Zufuhr von Kälte (d.h. der Entzug von Wärme).
  • 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 112009005047 T5 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Versorgen eines Stromversorgungsnetzes (10) mittels einer Brennstoffzellenanlage (20), umfassend: – Erfassen eines Soll-Abgabeparameters, gemäß dem die Brennstoffzellenanlage (20) angesteuert wird, elektrische Energie abzugeben; – Ermitteln eines Brennstoffzellen-Betriebspunkts und eines weiteren Betriebspunkts mindestens einer weiteren Komponente (24; 30, 40, 50) der Brennstoffzellenanlage oder des Stromversorgungsnetzes, wobei der Brennstoffzellen-Betriebspunkt und der weitere Betriebspunkt durch Ermitteln eines Minimums einer Gesamt-Verlustleistung ermittelt werden, und die Gesamt-Verlustleistung einer Summe aus – einer ersten Teil-Verlustleistung, die mit dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt verknüpft ist und – zumindest einer zweiten Teil-Verlustleistung, die mit dem weiteren Betriebspunkt verknüpft ist, entspricht; sowie – Betreiben einer Brennstoffzelle (22) der Brennstoffzellenanlage (20) gemäß dem Brennstoffzellen-Betriebspunkt und – Betreiben der weiteren Komponente (24; 30, 40, 50) gemäß dem weiteren Betriebspunkt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine weitere Komponente – ein Kompressor (24) der Brennstoffzellenanlage (20) ist, der die Brennstoffzelle (22) mit Luft zur elektrochemischen Umsetzung versorgt; – eine Temperierungsvorrichtung (26) ist, die die Luft temperiert, mit der die Brennstoffzelle (22) zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird; – ein Temperierungsvorrichtung (28) der Brennstoffzellenanlage (20) ist, der die Brennstoffzelle (22) temperiert; und/oder – ein Stromwandler (30; 40) ist, über den die Brennstoffzellenanlage (20) elektrische Leistung abgibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brennstoffzellen-Betriebspunkt ermittelt wird als Druck der Luft, die der Brennstoffzelle (22) zur elektrochemischen Umsetzung zugeführt wird, ermittelt wird als Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (22), oder als n-Tupel hiervon ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der weitere Betriebspunkt ermittelt wird als – elektrische Leistung oder als Förderleistung eines Kompressors (24) der Brennstoffzellenanlage, der die Brennstoffzelle mit Luft zur elektrochemischen Umsetzung versorgt; – als eine elektrische Leistung oder als Temperierungsleistung einer Temperierungsvorrichtung (26), die die Luft temperiert, mit der die Brennstoffzelle (22) zur elektrochemischen Umsetzung versorgt wird; – als eine elektrische Leistung oder als Förderleistung einer Temperierungsvorrichtung (28) der Brennstoffzellenanlage, die die Brennstoffzelle temperiert; und/oder – als Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Modulationsgrad, Schaltfrequenz, elektrische Ausgangsleistung, oder Temperatur eines Stromwandlers, über den die Brennstoffzellenanlage elektrische Leistung in das Versorgungsnetz abgibt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Soll-Abgabeparameter eine elektrische Soll-Leistung, eine Soll-Spannung oder ein Soll-Strom erfasst wird, die bzw. der von der Brennstoffzelle (22) beim ihrem Betrieb abgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Minimum ermittelt wird anhand einer vorgegebenen Funktion, die unterschiedliche Werte des Soll-Abgabeparameters auf zumindest einen zugehörigen Wert, der den Brennstoffzellen-Betriebspunkt kennzeichnet, und auf zumindest einen zugehörigen Wert, der den weiteren Betriebspunkt kennzeichnet, abbildet, wobei für den Soll-Abgabeparameter die Brennstoffzellenanlage, betrieben gemäß Brennstoffzellen-Betriebspunkt, und die mindestens eine weitere Komponente, betrieben gemäß dem weiteren Betriebspunkt, zusammen den maximalen Gesamt-Wirkungsgrad aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Minimum ermittelt wird mittels eines Brennstoffzellen-Kennfelds der Brennstoffzelle (22) und mittels eines Komponenten-Kennfelds der weiteren Komponente, wobei die Kennfelder jeweils mehreren Betriebspunkten zugehörige Teil-Verlustleistungen oder Teil-Wirkungsgrade zuordnet, und wobei der Brennstoffzellen-Betriebspunkt und der weitere Betriebspunkt ermittelt werden durch Abrufen mehrerer Betriebspunkte für die Kennfelder und Addieren der Teil-Verlustleistungen bzw. Kombinieren der Teil-Wirkungsgrade und Ermitteln der minimalen Summe der Gesamt-Verlustleistung bzw. eines maximalen Gesamt-Wirkungsgrad der mehreren Betriebspunkte.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Brennstoffzellen-Kennfeld dasjenige aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Kennfeldern verwendet wird, welches für den erfassten Soll-Abgabeparameter gilt, oder wobei ein mehrdimensionales Kennfeld verwendet wird, das für unterschiedliche Werte des Soll-Abgabeparameters unterschiedlichen Brennstoffzellen-Betriebspunkten jeweils eine zugehörige Teil-Verlustleistung zuordnet.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Stromversorgungsnetz (10) ein Fahrzeugbordnetz versorgt wird und hierzu eine fahrzeugseitige Brennstoffzellenanlage (20) verwendet wird.
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DE102019212718A1 (de) * 2019-08-26 2021-03-04 Audi Ag Verfahren zum Betreiben eines eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeuges sowie Kraftfahrzeug

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