DE102016215003A1

DE102016215003A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einer Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102016215003A1
Application number: DE102016215003.0A
Authority: DE
Inventors: Holger HUMMEL; Martin Scherrer; Christopherus Tovar
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Brennstoffzellensystem und eine Energiespeichereinrichtung. Das Brennstoffzellensystem und die Energiespeichereinrichtung sind ausgebildet für mindestens einen Motor-Generator elektrische Leistung bereitzustellen. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Erfassen einer zukünftigen Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs; und – Anpassen vom Hybridisierungsverhältnis von Energiespeichereinrichtung und Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von der zukünftigen Leistungsanforderung.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einer Energiespeichereinrichtung.
Kraftfahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einer Energiespeichereinrichtung als solche sind bekannt. Die Leistung des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise aus dem aktuellen Fahrerwunsch-Moment und der aktuellen Bordnetzlast berechnet werden. Um das Brennstoffzellensystem nicht mit Leistungsspitzen aus kurzzeitigen Beschleunigungen zu belasten, können die Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem gefiltert werden und die kurzen Leistungspeaks aus der Hochvolt-Batterie entnommen werden. Das kann dazu führen, dass die Hochvolt-Batterie entladen wird, die dann durch eine Erhöhung der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle nachgeladen werden müsste. Bei einer Verzögerung des Fahrzeugs kann es vorkommen, dass das Brennstoffzellensystem noch Leistung liefert und die Hochvolt-Batterie lädt. In diesem Fall kann keine Bremsenergie in die Hochvolt-Batterie aufgenommen werden und wird somit nicht genutzt.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einer Energiespeichereinrichtung.
Die hier offenbarte Technologie betrifft also ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z.B. Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
Die Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher sein. Zweckmäßig kann die Energiespeichereinrichtung als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können Super Capacitors als Energiespeichereinrichtung dienen.
Die Energiespeichereinrichtung und das Brennstoffzellensystem sind ausgebildet, mindestens einem Motor-Generator elektrische Leistung bereitzustellen. Der mindestens eine Motor-Generator kann ein elektrischer Motor sein, der zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges beiträgt. Bevorzugt ist es ein Elektromotor, der durch Rekuperation elektrische Energie zur Energiespeichereinrichtung rückspeisen kann. Hierzu sind diese Komponenten über ein entsprechendes Stromnetz, insbesondere über ein Hochvoltnetz für Hochvolt-Leistungen, miteinander verbunden. Die Energiespeichereinrichtung und das Brennstoffzellensystem sind also ausgebildet, über entsprechende Leitungen den elektrischen Strom an den Motor-Generator zu liefern, der für den Antrieb des Kraftfahrzeuges notwendig ist.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst die Schritte:

– Erfassen einer zukünftigen Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs; und
– Anpassen vom Hybridisierungsverhältnis von Energiespeichereinrichtung und Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von der zukünftigen Leistungsanforderung.

Die zukünftige Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges ist dabei die von dem Kraftfahrzeug geforderte Leistung, die für die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeuges in der Zukunft benötigt werden. Mithin ist also nicht die instantan mittels einer Fahrpedalstellung festgestellte Leistungsanforderung gemeint. Vielmehr wird anhand von für die zukünftigen Leistungsanforderungen indikativen Datensätzen eine zukünftige Leistungsanforderung erfasst. Erfassen umfasst dabei das Registrieren von bereits ermittelten Leistungsanforderung sowie das Berechnen von Leistungsanforderungen basierend auf indikativen Datensätzen. Insbesondere kann die Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung auf Daten beruhen, die aus einer Umfelderkennung stammen. Zur Umfelderkennung kann das Kraftfahrzeug beispielsweise mit einer entsprechenden Sensorik ausgestattet sein, wie beispielsweise mindestens ein Radar-Sensor und/oder mindestens eine Kamera, die zweckmäßig sowohl den vorausfahrenden Verkehr als auch den Straßenverlauf erfassen kann/können.
Die Umfelderkennung als solche ist einem Fachmann geläufig. Wird nun erkannt, dass ein vorausfahrendes Kraftfahrzeug wesentlich langsamer fährt, so kann daraus geschlossen werden, dass zukünftige Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs geringer ist als die augenblickliche Leistungsanforderung. Alternativ oder zusätzlich können zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung Daten einer Navigationseinrichtung herangezogen werden. Ferner kann zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung Fahrzeug-zu Fahrzeug (car-to car) Daten ausgewertet werden. Besonders bevorzugt können zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung das Verkehrsaufkommen und/oder der zukünftige Streckenverlauf, insbesondere Kurvenfahrten und/oder das Höhenprofil, berücksichtigt werden.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst ferner den Schritt:

– Anpassen vom Hybridisierungsverhältnis von Energiespeichereinrichtung und Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von der zukünftigen Leistungsanforderung.

Das Hybridisierungsverhältnis gibt an, wie viel Leistung dem mindestens einen Motor-Generator von der Energiespeichereinrichtung bzw. von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Das Hybridisierungsverhältnis H kann beispielsweise so definiert sein, wie es in der Formel 1 gezeigt ist. H = Pbat / PFC (1) wobei

Pbat:: die dem Motor-Generator von der Energiespeichereinrichtung bereitgestellte Leistung; und
PFC:: die dem Motor-Generator von der Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung ist.

Insbesondere kann die von der Energiespeichereinrichtung dem Motor-Generator bereitgestellte elektrische Leistung erhöht werden, wenn eine zukünftige Rekuperation des Kraftfahrzeuges erfasst wird. Mit anderen Worten kann also vor Beginn der Rekuperation-Phase bereits mehr Energie aus der Energiespeichereinrichtung entnommen werden, wodurch sich das Hybridisierungsverhältnis verändert. Wird mehr Energie aus der Energiespeichereinrichtung entnommen, so entlädt sich diese Energiespeichereinrichtung. Somit ist die Energiespeicherung in der Lage, wird eine Rekuperation-Phase rückgewonnene Energie aufzunehmen. Bevorzugt wird gleichzeitig das Brennstoffzellensystem so angesteuert, dass weniger elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem produziert wird. Die elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem wird einerseits dem Motor-Generator zur Verfügung gestellt und kann andererseits gleichzeitig zum Aufladen der Energiespeichereinrichtung genutzt werden. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann aber gerade in dem Fall, in dem eine zukünftige Rekuperation des Kraftfahrzeuges erfasst wird, ein solches Laden der Energiespeichereinrichtung unterbleiben.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die von der Energiespeichereinrichtung bereitgestellte elektrische Leistung, die an den Motor-Generator abzugeben ist, nur erhöht wird, wenn der Ladezustand (auch State of Charge oder SoC genannt) der Energiespeichereinrichtung oberhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert ist.
Das hier offenbarte Verfahren kann ferner die Schritte umfassen:

– Erfassen einer zukünftigen Rekuperationsenergie;
– Bestimmen der zu Beginn der Rekuperation maximal von der Energiespeichereinrichtung aufnehmbaren Energiemenge; und,
– Erhöhen der von der Energiespeichereinrichtung dem Motor-Generator bereitgestellte elektrische Leistung, falls die zukünftige Rekuperationsenergie größer ist als die aufnehmbare Energiemenge.

Das Erfassen der zukünftigen Rekuperationsenergie ist dabei ein Vorgang, in dem ermittelt wird, wie viel Energie während der zukünftige Rekuperation in die Energiespeichereinrichtung rückgespeist werden kann. Hierzu können insbesondere die Daten aus der Umfelderkennung, aus der Navigationseinrichtung und/oder Fahrzeug-zu-Fahrzeug Daten herangezogen werden. Zum Bestimmen der zu Beginn der Rekuperation maximal von der Energiespeichereinrichtung aufnehmbaren Energiemenge kann vorgesehen sein, dass zunächst einmal die aktuelle noch zusätzlich speicherbare Energie ermittelt wird. Ferner kann ermittelt werden, welche Menge an Energie noch bis zum Beginn der Rekuperationsphase der Energiespeichereinrichtung entnommen wird. Wird festgestellt, dass bereits jetzt die Energiespeichereinrichtung so stark entladen ist, dass die zukünftige Rekuperationsenergie von der Energiespeichereinrichtung aufgenommen werden kann, kann entschieden werden, dass das Hybridisierungsverhältnis nicht verändert wird. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn das Brennstoffzellensystem die Leistung komplett an den Motor-Generator abgibt.
Es kann vorgesehen sein, dass die vom Brennstoffzellensystem produzierte elektrische Leistung erhöht wird, wenn eine zukünftige Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs über eine Grenzleistungsanforderung liegt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die die vom Brennstoffzellensystem produzierte elektrische Leistung zu erhöhen, wenn der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung unter eine Schwelle von beispielsweise 80%, 85%, 90% oder 95% sinkt und eine dynamische Fahrt mit hoher Leistungsanforderung (Beschleunigungen, Bergfahrt, etc.) vorhergesagt wird, die höher ist als die derzeit vom Brennstoffzellensystem produzierte elektrische Leistung. Ab weiteren Boost-Grenzwerten für den Ladezustand kann aus der Energiespeichereinrichtung elektrische Energie zum Boosten bereitgestellt werden, insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem nicht schnell genug ist.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Hybridisierungskonzept für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle. Aus den Daten der Routenführung im Navigationssystem und der Umfelderkennung bzw. dem Umfeld-Modells (z.B. Kamerasysteme, etc.) kann vorausschauend berechnet werden, ob der Fahrer in Kürze beschleunigen, verzögern oder mit gleich bleibender Geschwindigkeit weiterfahren wird. In Abhängigkeit dieser Erfassung von Vorausschau-Daten kann die Leistung des Brennstoffzellensystems frühzeitig angepasst und so die Entnahme der Energie aus der Hochvolt-Batterie (= Energiespeichereinrichtung) reduziert werden. Bei einer Verzögerung des Fahrzeugs kann die Leistung des Brennstoffzellensystems rechtzeitig reduziert und damit die Bremsenergie in die Hochvolt-Batterie gespeist werden. Durch eine verbesserte Nutzung der Navigations- und/oder Umfeld-Daten kann die Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem so angepasst werden, dass sich ein möglichst effizienter Betrieb und/oder eine geringe Belastung der Hochvolt-Batterie und ein möglichst großes Rekuperationspotential ergeben kann.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einer Energiespeichereinrichtung, wobei das Brennstoffzellensystem und die Energiespeichereinrichtung ausgebildet sind, mindestens einen Motor-Generator elektrische Leistung bereitzustellen, umfassend die Schritte: – Erfassen einer zukünftigen Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs; und – Anpassen vom Hybridisierungsverhältnis von Energiespeichereinrichtung und Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von der zukünftigen Leistungsanforderung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von der Energiespeichereinrichtung dem Motor-Generator bereitgestellte elektrische Leistung erhöht wird, wenn eine zukünftige Rekuperation des Kraftfahrzeuges erfasst wird, und wobei die elektrische Leistung reduziert wird, die das Brennstoffzellensystem produziert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Energiespeichereinrichtung bereitgestellte elektrische Leistung nur erhöht wird, wenn der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung oberhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: – Erfassen einer zukünftigen Rekuperationsenergie; – Bestimmen der zu Beginn der Rekuperation maximal von der Energiespeichereinrichtung aufnehmbaren Energiemenge; und, – Erhöhen der von der Energiespeichereinrichtung dem Motor-Generator bereitgestellte elektrische Leistung, falls die zukünftige Rekuperationsenergie größer ist als die aufnehmbare Energiemenge.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vom Brennstoffzellensystem produzierte elektrische Leistung erhöht wird, wenn eine zukünftige Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs über eine Grenzleistungsanforderung liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung Daten aus einer Umfelderkennung herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung Daten einer Navigationseinrichtung herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung Fahrzeug-zu-Fahrzeug Daten herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Erfassung der zukünftigen Leistungsanforderung das Verkehrsaufkommen und/oder der zukünftige Streckenverlauf, insbesondere Kurvenfahrten und/oder das Höhenprofil, berücksichtigt werden.