DE102017006158A1

DE102017006158A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102017006158A1
Application number: DE102017006158.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Matthias Maisch; Ralf Nuessle; Holger Richter; Volker Schempp; Jens Sternemann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (1) mit einer elektrischen Traktionsbatterie (5) und einem, bevorzugt emissionsfreien, Energieerzeugungsaggregat, entlang einer vorgeplanten Fahrtroute unter Einbeziehung von Zwischenstopps an Ladestationen (E) und/oder Tankstationen (H2). Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass je nachdem, ob der nächste Zwischenstopp an einer Ladestation (E) oder einer Tankstation (H2) erfolgt, die Traktionsbatterie (5) oder ein Kraftstofftank (14) des Energieerzeugungsaggregats leer gefahren wird, sodass die Traktionsbatterie (5) oder der Kraftstofftank (14) beim Zwischenstopp wieder möglichst viel Energie aufnehmen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Verfahren zum Betreiben von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit einer elektrischen Traktionsbatterie und einem Energieerzeugungsaggregat sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann es sich bei einem derartigen Fahrzeug um ein elektrisches Fahrzeug mit einem sogenannten Range-Extender handeln, also einem Energieaggregat, über welches an Bord des Fahrzeugs erzeugte elektrische Leistung direkt oder durch Nachladen der Traktionsbatterie zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann das Fahrzeug zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit einer stationären Nachladung aufweisen, also als sogenanntes „Plug-in-Fahrzeug“ ausgebildet sein.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einem sogenannten Range-Extender verfügen als Energieerzeugungsaggregat beispielsweise über einen Verbrennungsmotor, eine Gasturbine oder eine Brennstoffzelle, um aus getanktem Kraftstoff elektrische Energie zu erzeugen. Um jedoch eine komplett emissionsfreie Lösung darstellen zu können, eignen sich nur emissionsfreie Energieerzeugungsaggregate, wie derzeit beispielsweise Brennstoffzellen, welche mit Wasserstoff betrieben werden. Problematisch ist bei Wasserstoff die noch nicht optimal ausgebaute Infrastruktur an Tankstationen. Um dennoch eine Langstrecke mit dem Fahrzeug zeitoptimal und gleichzeitig emissionsfrei zurücklegen zu können, ist eine geeignete Betriebsstrategie notwendig.
Bekannt sind bei den Range-Extender-Fahrzeugen bisher lediglich relativ einfache Betriebsstrategien. So schalten sich zum Beispiel die Energieerzeugungsaggregate ab einem bestimmten Ladezustand der Batterie zu oder können auf Wunsch einer das Fahrzeug nutzenden Person manuell zugeschaltet werden. Dies ist bedingt komfortabel und hinsichtlich der Energieausnutzung nicht optimal.
Des Weiteren verursacht die Verwendung beispielsweise eines Verbrennungsmotors Emissionen, was bedeutet, dass dieser aus energetischer Sicht, beispielsweise weil der Ladezustand der Batterie sehr niedrig ist, zwar eingeschaltet werden sollte, dies aber zum Beispiel genau dann notwendig wird, wenn es nicht erlaubt ist, weil das Fahrzeug sich beispielsweise in einem Bereich befindet, in dem keine Emissionen verursacht werden dürfen. Solche Bereiche können beispielsweise Innenstädte sein, welche zunehmend mit Fahrverboten für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor versuchen, die Emissionsbelastung zu reduzieren.
Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hybridisierte Brennstoffzellenfahrzeuge, teilweise auch als Plug-in-Hybrid, bekannt, welche jedoch über eine Traktionsbatterie mit relativ geringer Kapazität und damit geringer elektrischer Reichweite und entsprechend geringer Leistung bezüglich der Dynamik des Fahrzeugs, verfügen. Das Fahrzeug ist dann weniger agil und bereitet einer das Fahrzeug nutzenden Person nicht den Fahrspaß, den ein herkömmliches Fahrzeug bieten würde. Die reine Reichweite über die Traktionsbatterie beträgt dabei oft nur ca. 30 km bis 50 km, was in vielen Fällen nicht für das komplette Nutzungsspektrum der das Fahrzeug nutzenden Person reicht. So ist es hierbei auch von Nachteil, dass, wenn der Wasserstofftank leer ist und die 30 km bis 50 km Reichweite aus der Traktionsbatterie für den täglichen Gebrauch nicht ausreichend sind, die das Fahrzeug nutzende Person aufgrund der nicht ausreichend vorhandenen Infrastruktur von Wasserstofftankstationen häufig einen Umweg fahren muss, um das Fahrzeug wieder zu betanken, was natürlich nicht wünschenswert ist.
Der Stand der Technik kennt aus dem Bereich der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge die Möglichkeit, eine vorgeplante Fahrtroute unter Einbeziehung von Zwischenstopps an Ladestationen über ein Navigationssystem zu planen. In diesem Zusammenhang kann auf die US 2014/0129139 A1 verwiesen werden. Ein vergleichbares Verfahren beschreibt auch die US 2011/0288765 A1 . In beiden Verfahren wird letzten Endes die Routenplanung so ausgeführt, dass immer eine Ladestation zu erreichen ist. In der zuerst genannten US-Veröffentlichung wird außerdem die Möglichkeit beschrieben, die Ladestation entsprechend zu reservieren, um die benötigte Wartezeit für die Nachladung dadurch zu verkürzen, dass die das Fahrzeug nutzende Person mit ihrem Fahrzeug nicht in einer Schlange vor der Ladestation warten muss, bis sie an der Reihe ist.
Weitere Betriebsstrategien für Brennstoffzellenfahrzeuge oder elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle als Range-Extender sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2015 011 274 A1 und ähnlich die DE 102 23 949 B4 die Verwendung einer Brennstoffzelle in der Art, dass die Nutzung der Abwärme des Brennstoffzellensystems in dem Fahrzeug erfolgt, die Brennstoffzelle also im Wesentlichen wärmegeführt betrieben wird, wobei mit der dabei anfallenden elektrischen Leistung die Batterie geladen wird.
Zum prinzipiellen Zusammenhang bei der Regelung derartiger Systeme kann außerdem auf die DE 102 40 763 A1 hingewiesen werden. Letztlich beschreibt außerdem die DE 10 2013 020 938 A1 ein Verfahren zum Laden einer kalten Batterie, wobei die Batterie vor dem Ladevorgang erfindungsgemäß vorgewärmt wird, um den Innenwiderstand abzusenken und die Ladung der Batterie effizienter zu machen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, über welches Langstrecken mit dem Fahrzeug zeitoptimal absolviert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren nutzt eine vorgeplante Fahrtroute, beispielsweise aus einem Navigationssystem und/oder einer damit in Verbindung stehenden externen Datenverarbeitungseinrichtung, wie beispielsweise einer Cloud. Diese bietet den Vorteil einer sehr schnellen und effizienten Berechnung sowie das Einbinden von externen Informationen, beispielsweise über Wetterbedingungen, Verkehrsaufkommen und dergleichen. Das Verfahren bezieht sich dabei auf eine vorgeplante Fahrtroute, welche länger ist, als die zu erwartende Reichweite des Fahrzeugs bei voller Traktionsbatterie und vollem Kraftstofftank des Energieerzeugungsaggregats. Die Fahrt über die geplante Fahrtroute erfordert also in jedem Fall zusätzliche Energie und damit einen Zwischenstopp an einer Ladestation und/oder Tankstation.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun so konzipiert, dass es gegebenenfalls ergänzend zu bereits bekannten Strategien zur Steuerung des Energieerzeugungsaggregats anhand des Ladezustands der Batterie die geplante Fahrtroute entsprechend mit einbezieht und je nachdem, ob der nächste Zwischenstopp an einer Ladestation oder einer Tankstation erfolgt, entweder die Traktionsbatterie oder ein Kraftstofftank des Energieerzeugungsaggregats leer fährt, sodass die Traktionsbatterie oder der Kraftstofftank beim Zwischenstopp wieder möglichst viel Energie aufnehmen kann. Diese Strategie erlaubt eine optimale Reichweite des Fahrzeugs mit möglichst effizienten Zwischenstopps, da je mehr Energie bei dem Zwischenstopp aufgenommen werden kann, desto größer die nachfolgende Reichweite bis zum nächsten Zwischenstopp oder dem Ziel der Fahrtroute ist.
Besonders ideal ist es dabei, wenn das Energieerzeugungsaggregat gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens emissionsfrei ausgebildet ist, bevorzugt als Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff betrieben wird. In diesem Fall kann ohne Rücksicht auf Vorschriften bezüglich von Regionen, in denen keine Emissionen verursacht werden dürfen Energie erzeugt werden, ohne dass die Strategie sich an derartige örtliche Gegebenheiten anpassen muss.
Die Strategie kann dabei herkömmliche Ladestationen nutzen, bevorzugt sind die Ladestationen jedoch als Schnellladestationen ausgebildet, um in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Energie in die Traktionsbatterie, welche bei der Ankunft an der Ladestation idealerweise ganz oder weitgehend leer ist, zu laden.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es in diesem Zusammenhang vor, dass bei einer Ladestation, insbesondere einer Schnellladestation, an dem nächsten Zwischenstopp eine Temperierung der Traktionsbatterie zur Vorbereitung auf den Ladevorgang, insbesondere den Schnellladevorgang, erfolgt. Für eine solche Temperierung kann insbesondere eine Klimaanlage des Fahrzeugs herangezogen werden. Da der Zwischenstopp typischerweise auf einer längeren Fahrtstrecke liegt, kann davon ausgegangen werden, dass die Batterie bereits ausreichend warm ist, sodass die im eingangs genannten Stand der Technik vorgeschlagene Erwärmung der Batterie zur Optimierung des Ladevorgangs hier kaum notwendig erscheint. Vielmehr ist es so, dass der Ladevorgang, und insbesondere wenn es sich um einen Schnellladevorgang handelt, dann abgebrochen wird, wenn die Batterie eine bestimmte Temperatur erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren in dieser vorteilhaften Weiterbildung der Idee sieht es daher vor, dass die Traktionsbatterie zur Vorbereitung auf den Ladevorgang über die Klimaanlage des Fahrzeugs abgekühlt wird. Hierzu kann vorzugsweise elektrische Leistung aus der Batterie selbst verwendet werden, da diese beim Erreichen der Ladestation ja vollständig oder weitgehend entleert sein soll. Ist sie dies bereits oder ist zu erwarten, dass sie dies kurz vor Erreichen der Ladestation ist, dann kann Energie aus dem Energieerzeugungsaggregat verwendet werden, um die Abkühlung zu bewerkstelligen und die Ladestation anzufahren. Der Vorteil einer solchen Abkühlung liegt darin, dass die Temperaturgrenze, ab welcher der Ladevorgang abbricht, weil die Batterie zu stark erwärmt worden ist, bei einer abgekühlten Batterie deutlich später erreicht wird, als wenn zuvor keine Abkühlung der Batterie erfolgt ist. In der Sache bedeutet dies, dass mehr elektrische Energie in die Traktionsbatterie geladen werden kann, bevor der Ladevorgang stoppt. Dies führt in der Praxis zu einer höheren geladenen Energiemenge und damit zu einer höheren Reichweite des Fahrzeugs bei rein elektrischer Fahrt aus der Traktionsbatterie, nach dem Verlassen der Ladestation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden auch aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug;
2 eine Wirkungsgradkennlinie eines Brennstoffzellensystems mit dem darin eingezeichneten Punkt des optimalen Wirkungsgrads;
3 eine vereinfachte Darstellung der Betriebsstrategie, wie diese gefahren wird, wenn keine speziellen Vorgaben bezüglich der Betankung vorliegen; und
4 eine vereinfachte Darstellung einer Betriebsstrategie bei einem vordefinierten Reiseziel mit der Notwendigkeit von Zwischenstopps bei Ladestationen und/oder Tankstationen.

In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet. Dies soll über einen elektrischen Traktionsmotor 2 elektrisch angetrieben werden. Rein beispielhaft ist hier eine Verbindung des elektrischen Traktionsmotors 2 mit zwei angetriebenen Rädern 3 über eine Welle angedeutet. Der elektrische Traktionsmotor 2 wird über eine Leistungselektronik 4 angesteuert. Die Leistungselektronik 4 steht dabei mit einer Traktionsbatterie 5 einerseits und einer Brennstoffzelle 6 eines Brennstoffzellensystems andererseits in zumindest mittelbarer elektrischer Verbindung. Das Fahrzeug 1 kann also sowohl mit elektrischer Leistung aus der Traktionsbatterie 5 als auch mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle 6, zumindest mittelbar, indem die Brennstoffzelle 6 die Traktionsbatterie 5 nachlädt, bevorzugt jedoch auch direkt, also ohne den Umweg über die Traktionsbatterie 5, betrieben werden.
Die Traktionsbatterie 5 bietet die Möglichkeit, über ein Ladegerät 7 und einen externen Stromanschluss 8 nachgeladen zu werden, es handelt sich also um ein sogenanntes Plug-In-Fahrzeug 1. Parallel dazu nimmt die Traktionsbatterie 5 beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 über den Traktionsmotor 2 im generatorischen Betrieb anfallende Leistung auf. Außerdem ist ein Nachladen der Traktionsbatterie 5 auch über ein Ladegerät 9, welches die Traktionsbatterie 5 mit der Brennstoffzelle 6 verbindet, möglich. Die Brennstoffzelle 6 selbst besteht aus einem Stapel von Einzelzellen, beispielsweise in PEM-Technologie. Diese verfügen über einen Kathodenraum 10 sowie einen durch die protonenleitenden Membranen hiervon abgetrennten Anodenraum 11. Dem Kathodenraum 10 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12, beispielsweise einen Strömungsverdichter, zugeführt. Abluft gelangt über die Abluftleitung 13 aus dem System. Dem Anodenraum 11 der Brennstoffzelle 6 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 14 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 15 zur Verfügung gestellt. In dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems gelangt das Abgas aus dem Anodenraum 11 ebenfalls in die Abgasleitung 13 und durch die Abluft verdünnt in die Umgebung. In der Praxis kann dies auch anders realisiert sein, beispielsweise mit einem sogenannten Anodenkreislauf oder ähnlichem. All dies ist dem Fachmann der Brennstoffzellensysteme bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
Das Fahrzeug 1 und sein elektrisches Antriebssystem werden über ein Steuergerät 16 gesteuert und/oder geregelt. Hierfür sind rein beispielhaft Wirkverbindungen des Steuergeräts 16 mit der Brennstoffzelle 6, der Traktionsbatterie 5, und den Ladegeräten 7, 9 angedeutet. Eine weitere Verbindung des Steuergeräts 16 besteht zu einem Navigationssystem 17 des Fahrzeugs, welches über einen GPS-Sensor 18 die jeweils aktuelle Position des Fahrzeugs 1 ermittelt und anhand von gespeicherten Kartendaten eine Routenplanung vornimmt. Entweder das Navigationssystem 17, oder wie hier angedeutet das mit ihm in korrespondierender Verbindung stehende Steuergerät 16, kann außerdem über Telekommunikationsmittel mit einer externen Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise in einer Cloud 19, in Verbindung stehen. Rechenvorgänge können so beispielsweise ausgelagert werden, oder Informationen können von der Cloud 19 zu dem Fahrzeug 1 übertragen werden, und umgekehrt. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um über Telekommunikationsmittel Ladestationen vorzureservieren oder ähnliches, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Über das Steuergerät 16 kann nun eine entsprechende Betriebsführung des Fahrzeugs 1 realisiert werden. Beispielsweise kann die Kapazität der Traktionsbatterie 5 in der Größenordnung von 30 kWh liegen. Das Brennstoffzellensystem kann über eine Leistung von ca. 40 kW bis 50 kW verfügen. Ein solches Brennstoffzellensystem hat dabei wirtschaftliche Vorteile gegenüber einem größeren Brennstoffzellensystem mit höherer Leistung und insbesondere höherer Dynamik. Durch die Nutzung von Energie sowohl aus der relativ großen Traktionsbatterie 5 als auch der Brennstoffzelle 6 direkt, oder zum Nachladen der Traktionsbatterie 5, ist es nämlich möglich, den Grundlastbetrieb in vorteilhafter Weise hier mit der Brennstoffzelle 6 zu realisieren, wenn nicht rein elektrisch gefahren werden soll, und die Spitzen über die Traktionsbatterie 5 bereitzustellen. Hierdurch ist eine hohe Dynamik trotz des vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Brennstoffzellensystems möglich.
Dadurch, dass die Brennstoffzelle 6 mit Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 14 betrieben wird, ist ein komplett emissionsfreier Betrieb des Fahrzeugs 1 sowohl aus der Traktionsbatterie 5 als auch mit der Brennstoffzelle 6 möglich. Hierdurch kann ein sogenannter „verschliffener“ Betrieb zwischen der Traktionsbatterie 5 und der Brennstoffzelle 6 umgesetzt werden, ohne Gefahr laufen zu müssen, dass die Traktionsbatterie 5 nicht nachgeladen werden kann bzw. darf wenn dies notwendig ist, da zum jeweiligen Zeitpunkt bzw. am jeweiligen Ort keine Emissionen erzeugt werden dürfen. Dies bietet den Vorteil, dass der Einsatz sowohl der Traktionsbatterie 5 als auch der Brennstoffzelle 6 praktisch komplett variabel ist und sich somit an die jeweilige Situation ideal anpassen kann.
So kann es zum Beispiel eine Betriebsweise sein, dass die das Fahrzeug 1 nutzende Person die Traktionsbatterie 5 über Nacht über den externen Stromanschluss 8 entsprechend aufgeladen hat. Ein Szenario könnte es nun sein, dass die das Fahrzeug 1 nutzende Person beispielsweise während der Woche zur Arbeit fährt. So kann die Person in ihrem Fahrzeug 1 ein Nutzungsszenario einspeichern und zusätzlich noch den genauen Ort ihrer Arbeitsstätte hinterlegen, um so eine optimale Strategie zum Beispiel in der Cloud 19 berechnen zu lassen. Idealerweise lässt sich das Fahrzeug 1 dann neben der Cloud 19 auch beispielsweise mit einem Smartphone oder einem anderen oder weiteren „smart device“ verbinden, sodass eventuell der Terminkalender und die darin aufgeführten Orte durch das Fahrzeug 1 abrufbar sind bzw. aus der Cloud 19 abgerufen werden können.
Bei einer zu absolvierenden Langstrecke wird über das Navigationssystem 17, welches ebenfalls mit der Cloud 19 Informationen austauschen kann, eine Fahrtroute geplant, die an der geplanten Fahrtroute liegende Tankstationen für Wasserstoff und Ladestationen, insbesondere mit Schnellladesäulen, so einbindet, dass die Betriebsstrategie entsprechend der verfügbaren Tankstationen und Ladestationen zeitlich optimiert wird. Stehen zum Beispiel entlang der Fahrtroute in ausreichend dichtem Abstand Tankstationen für Wasserstoff zur Verfügung, so wird die Betriebsstrategie so gewählt, dass der wesentliche Leistungsanteil aus dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, und die Traktionsbatterie 5 weitestgehend nur bei Beschleunigungsvorgängen oder Lastspitzen verwendet wird. Ziel ist es hierbei, dass möglichst viel freie Kapazität in dem Druckgasspeicher 14 bis zum Erreichen der nächsten Tankstation geschaffen wird, sodass der Druckgasspeicher 14 im Idealfall ganz oder zumindest sehr stark leer gefahren ist. Beim Nachtanken an der Tankstation kann so möglichst viel Wasserstoff nachgetankt werden, sodass die durch das Fahrzeug 1 nach dem Zwischenstopp an der Tankstation zu erzielende Reichweite entsprechend groß wird. Ist nun entlang der geplanten Reiseroute eine ausreichende Anzahl von Tankstationen für Wasserstoff vorhanden, ist diese Betriebsweise in jedem Fall zu bevorzugen, da der Nachtankvorgang nur ca. 3 bis 5 Minuten dauert, und so die Stillstandszeit an dem Zwischenstopp entsprechend kurz gehalten werden kann. In der kalten Jahreszeit oder bei tiefen Außentemperaturen wird vorzugsweise ebenfalls diese Betriebsweise gewählt, da durch die Abwärme der Brennstoffzelle 6 der Innenraum des Fahrzeugs 1 beheizt werden kann. Wird nun überwiegend mit Energie bzw. Leistung aus der Brennstoffzelle 6 gefahren, so wird der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 nahezu gleich gehalten bzw. diese wird nur gering entladen. Die in der Traktionsbatterie 5 verbleibende Restenergie kann also dann zur Verfügung gestellt werden, wenn keine Wasserstofftankstelle vorhanden ist, sodass durch ein zusätzliches Leerfahren der Traktionsbatterie 5, nachdem der Druckgasspeicher 14 bereits leer gefahren ist, die Gesamtreichweite nochmals deutlich gesteigert werden kann.
Das Fahrzeug 1 kann dabei die bereits angesprochene Batteriekapazität von ca. 30 kWh enthalten. Der Druckgasspeicher 14 kann beispielsweise auf eine Kapazität von 3 kg Wasserstoff ausgelegt sein. Mit den 30 kWh der Traktionsbatterie 5 lassen sich ca. 200 km an Reichweite des Fahrzeugs erreichen, mit den 3 kg an Wasserstoff nochmals zusätzliche 300 km, sodass eine Gesamtreichweite ohne Nachladen oder Nachtanken von ca. 500 km mit dem Fahrzeug 1 erzielt werden kann. Sind sowohl die Traktionsbatterie 5 als auch der Druckgasspeicher 14 bei Beginn der Fahrt vollständig geladen, kann nun über das Navigationssystem 17 in Abhängigkeit der an der Reiseroute zur Verfügung stehenden Lade- bzw. Tankstationen der Energiespeicher jeweils bei der Anfahrt auf die jeweilige Station zuerst geleert werden, welcher dann zuerst, also an der nächsten Lade- bzw. Tankstation wieder aufgefüllt werden kann. Selbstverständlich sind Mischformen denkbar, beispielsweise bei einer Tankstation am nächsten Zwischenstopp und einer entsprechend hohen Anforderung an die Dynamik des Fahrzeugs, sodass in diesem Fall die Traktionsbatterie 5 stärker belastet werden kann, als es im Hinblick auf den nächsten Zwischenstopp sinnvoll bzw. notwendig wäre.
Die theoretisch ideale Betriebsweise für die maximale Reichweite ist hierbei zum Beispiel eine Mischform mit Nutzung von Energie sowohl aus der Traktionsbatterie 5 als auch aus dem Druckgasspeicher 14, bei welchem das Brennstoffzellensystem bzw. seine Brennstoffzelle 6 in seinem optimalen Betriebspunkt, also dem Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrades, betrieben wird. Hierdurch lässt sich die maximal mögliche Menge an elektrischer Energie aus dem mitgeführten Wasserstoff „gewinnen“, sodass auch noch etwas mehr als 300 km Reichweite aus den 3 kg Wasserstoff möglich sind.
Besteht bei sehr kalten Außentemperaturen der Bedarf mehr Energie für die Beheizung des Innenraums zur Verfügung zu haben, wird der Betriebspunkt hin zu größeren Leistungen verschoben, sodass entsprechend mehr Abwärme erzeugt wird. Im Detail ist dies in der eingangs bereits genannten DE 10 2015 011 274 A1 beschrieben.
Nähert sich das Fahrzeug 1 nun immer mehr einer Tankstation für Wasserstoff an, so lässt sich aufgrund der bisher absolvierten Strecke und des entsprechenden Energieverbrauchs eine relativ genaue Prognose für die noch notwendige Energie bis zum Erreichen der Tankstation berechnen bzw. abschätzen. Das Gesamtsystem lässt sich so dahingehend optimieren, dass der Druckgasspeicher 14 oder die Traktionsbatterie 5, je nachdem, welche als nächstes „aufgefüllt“, also nachgeladen oder aufgetankt wird, maximal entleert wird und der jeweils andere Energiespeicher in dieser Situation maximal geschont wird, sodass nach dem bevorstehenden Nachladen bzw. Nachtanken wieder die maximal mögliche nominelle Reichweite zur Verfügung steht. Von Vorteil ist es hierbei auch, dass der Druckgasspeicher 14 für den Wasserstoff tatsächlich vollständig leer gefahren werden kann, ohne dass hiervon Einschränkungen für die das Fahrzeug 1 nutzende Person zu erwarten sind. Ist der Druckgasspeicher 14 beispielsweise bei einer Wegstrecke von z.B. 10 km vor der Tankstation für Wasserstoff leer, dann bedeutet dies keinerlei Einschränkung auf die Fahrweise des Fahrzeugs 1, wenn die Traktionsbatterie 5 noch ausreichend geladen ist, was über die Betriebsstrategie sichergestellt werden kann. Der Vorteil hierbei ist es, dass die in dem Druckgasspeicher 14 für Wasserstoff enthaltene Energie wirklich komplett genutzt werden kann, ohne dass die das Fahrzeug 1 nutzende Person Angst haben muss, die nächste Tankstation nicht mehr erreichen zu können. Bei konventionellen Brennstoffzellenfahrzeugen wird die das Fahrzeug nutzende Person typischerweise bereits dann zu einer Tankstation fahren, wenn der Tank bei weitem noch nicht vollständig leer gefahren ist, sodass in ihrer Wahrnehmung ein solches Fahrzeug eine deutlich geringere Reichweite hat, als wenn es mit der beschriebenen Strategie betrieben wird.
Ist die nächste Möglichkeit Energie aufzufüllen beispielsweise eine Schnellladesäule an einer Ladestation, dann kann aus dem Fahrzeug 1 heraus, über die Anbindung an die Cloud 19, eine Reservierung vorgenommen werden, um mit möglichst geringen oder vorzugsweise ohne Wartezeiten an der Ladestation die Traktionsbatterie 5 nachladen zu können. In Abhängigkeit der Entfernung zu der Ladestation bzw. bei einer entsprechenden Reservierung bzw. Buchung in Abhängigkeit des Zeitraums bis zum Beginn des Schnellladevorgangs, kann die Traktionsbatterie 5 dann „unterkühlt“ werden. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass ein Teil der Energie aus der Traktionsbatterie 5 selbst für die Kühlung, insbesondere über einen Klimakompressor des Fahrzeugs 1 verwendet wird, sodass die Traktionsbatterie 5 hierdurch deutlich abkühlt wird. Die Traktionsbatterie 5 erreicht dann bei der nachfolgenden Schnellladung an der Schnellladesäule der Ladestation erst zu einem sehr späten Zeitpunkt des Schnellladevorgangs die kritische Temperatur ab welcher der Schnellladevorgang abgebrochen werden muss. Auf diese Art wird sichergestellt, dass ein möglichst lang anhaltender Schnellladevorgang ermöglicht wird, welcher im Idealfall bis zur Vollladung der Traktionsbatterie 5 anhält und nicht aufgrund einer thermischen Limitierung vorher abschaltet. Auch dies dient letztlich dazu, möglichst viel „neue“ Energie im Bereich der Ladestation aufzunehmen und so wieder die nominell maximale Reichweite des Fahrzeugs 1 beim Verlassen der Ladestation zur Verfügung zu haben.
Ist die Traktionsbatterie 5 bereits soweit leer gefahren, dass über das Steuergerät 16 prognostiziert werden kann, dass die Ladestation nicht mehr nur mit Energie aus der Traktionsbatterie 5 erreicht werden kann, kann die Energie für den Vortrieb primär aus der Brennstoffzelle 6 stammen und die Traktionsbatterie 5 kann zusätzlich von der Brennstoffzelle 6 wieder aufgeladen werden, wobei dies nur in dem Maß erfolgen soll, dass alle dynamischen Anforderungen des Fahrzeugs 1 bis zum Erreichen der Ladestation über die Traktionsbatterie 5 sicher abgedeckt werden können. Die Energie für den Klimakompressor zum Unterkühlen der Traktionsbatterie 5 vor dem Erreichen der Ladestation kann in diesem Szenario ebenfalls aus der Brennstoffzelle 6 stammen, sodass eine Erwärmung der Traktionsbatterie 5 möglichst gering gehalten werden kann.
Da sich der Druckgasspeicher 14 für das Brennstoffzellensystem in sehr viel kürzerer Zeit nachladen lässt, als eine Ladung oder insbesondere auch Schnellladung der Traktionsbatterie 5 erfordert, kann auf Langstrecken die Betriebsstrategie so angelegt werden, dass der Leistungsanteil im Wesentlichen aus der Brennstoffzelle 6 stammt und die Traktionsbatterie 5 entsprechend geschont wird. Auf Kurzstrecken, wie beispielsweise dem täglichen Pendelverkehr zur Arbeit, kann dann in Abhängigkeit der Strecke der Schwerpunkt eher auf die Leistungserzeugung bzw. Bereitstellung über die Traktionsbatterie 5 ausgelegt werden, insbesondere wenn die Kapazität ausreicht für die tägliche Strecke von Zuhause zum Arbeitsplatz und umgekehrt, und insbesondere wenn sowohl Zuhause als auch am Arbeitsplatz über den externen Stromanschluss 8 die Traktionsbatterie 5 nachgeladen werden kann. Reicht die Kapazität der Traktionsbatterie 5 dagegen nicht oder nur knapp aus, kann insbesondere ein Mischbetrieb aus Traktionsbatterie 5 und Brennstoffzelle 6 eingesetzt werden.
Durch das beschriebene Betriebsverfahren ist es möglich, große Fahrstrecken zeitoptimal zu absolvieren und jederzeit emissionsfrei fahren zu können. Des Weiteren wird durch die Betriebsstrategie eine insgesamt hohe Reichweite erzielt. Über das beschriebene Fahrzeug 1 mit der genannten beispielhaften Konfiguration einer Traktionsbatterie 5 mit 30 kWh und eines Druckgasspeichers 14 für 3 kg Wasserstoff lassen sich die heute noch existierenden Defizite in der Infrastruktur bezüglich Ladesäulen und Wasserstofftankstellen entsprechend umgehen, da für Kurzstrecken die Kapazität der Traktionsbatterie 5 und die Möglichkeit des Nachladens Zuhause und gegebenenfalls am Arbeitsplatz ausreichend ist, und da für Langstrecken die wenigen vorhandenen Tankstationen für Wasserstoff ideal eingebunden werden können, um somit einen wesentlichen Beitrag für möglichst kurze Stillstandszeiten an den Zwischenstopps zur Beschaffung von Energie zu erzielen. Dadurch, dass die Einschränkungen in der Infrastruktur in der täglichen Praxis umgangen werden können, lassen sich neue Freiheitsgrade für die das Fahrzeug 1 nutzende Person schaffen. Durch ein einziges Mal Nachtanken von Wasserstoff lässt sich bei der beschriebenen Konfiguration des Fahrzeugs 1 und der beschriebenen Betriebsstrategie durch ein Nachtanken mit einer Dauer von 3 bis 5 Minuten eine Reichweite von bis zu 800 km erzielen. Diese setzt sich zusammen aus zweimal der Reichweite von je 300 km aus dem Wasserstoff und einmalig der Reichweite von etwa 200 km aus der Traktionsbatterie 5, wenn sowohl der Druckgasspeicher 14 als auch die Traktionsbatterie 5 zu Beginn der Fahrt voll sind. Durch die relativ hohe Kapazität der Traktionsbatterie in der Größenordnung der beispielsweise mehrfach genannten 30 kWh lassen sich auch alleine aus der Traktionsbatterie 5 relativ hohe Reichweiten erzielen. Dies führt dazu, dass mit emissionsfreier Fahrt und auf Kurzstrecken überwiegend aus der Traktionsbatterie 5 dennoch praktisch alle Ziele erreichbar sind. Bei vergleichbaren Brennstoffzellenfahrzeugen, welche typischerweise eine deutlich größere Leistung des Brennstoffzellensystems aber eine sehr viel geringere Kapazität der Traktionsbatterie 5 vorsehen, ist dies typischerweise nicht möglich, da die Infrastruktur an Tankstationen für Wasserstoff noch nicht sehr stark ausgebaut ist. Durch die bei derartigen Fahrzeugen vorliegende Abhängigkeit von Wasserstofftankstellen sind hier häufig nicht alle Ziele zuverlässig zu erreichen, da die rein elektrische Reichweite aus der Traktionsbatterie 5 zu gering ist.
Die 2 zeigt eine Wirkungsgradkennlinie des Brennstoffzellensystems mit darin eingezeichnetem Punkt des optimalen Wirkungsgrades η_opt. Die Betriebsstrategie sieht insgesamt vor, dass, wenn das Brennstoffzellensystem bzw. seine Brennstoffzelle 6 betrieben wird, diese nach Möglichkeit in diesem Punkt des optimalen Wirkungsrads η_opt bzw. möglichst nahe an diesem Punkt betrieben wird. Dies sorgt für eine effiziente Umsetzung des Wasserstoffs, sodass die erzielbare Gesamtreichweite möglichst optimal ist. Ist eine höhere Leistung der Brennstoffzelle 6 notwendig, dann wird der Betriebspunkt kontinuierlich oder in festen Schritten nach rechts zu höheren Leistungen verschoben, wie es durch die weiteren angedeuteten Punkte auf der Kennlinie und Pfeile über Kennlinie in der Darstellung der 2 angedeutet ist. Ist die Leistung nicht notwendig, erfolgt möglichst schnell eine Verschiebung zurück, wie es durch die Pfeile unterhalb der Kennlinie angedeutet ist, im Idealfall zurück bis in den Punkt des optimalen Wirkungsgrades η_opt.
In der Darstellung der 3 ist vereinfacht eine Betriebsstrategie dargestellt, welche gefahren werden kann, wenn keine speziellen Vorgaben bezüglich der Betankung oder eine Planung ohne Unterbrechung mit einem Zwischenstopp über das Navigationssystem 17 und/oder in der Cloud 19 gemacht wurden.
Die Betriebsstrategie ist dann so ausgelegt, dass in Summe, ohne Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Infrastruktur, die größtmögliche Reichweite erzielt wird. Zum Beispiel wird die Fahrt begonnen, indem rein mit Leistung aus der Traktionsbatterie 5 gefahren wird. Dies ist durch den fein schraffierten Leistungsanteil aus der Traktionsbatterie 5 entsprechend angedeutet. Zwischen den Punkten A und B wird also rein elektrisch aus der Batterie gefahren. Ist ein bestimmter Ladezustand der Traktionsbatterie 5 erreicht, dann wird die Brennstoffzelle 6 hinzugeschaltet (grob schraffierter Leistungsanteil) und dann in ihrem Punkt des optimalen Wirkungsgrades η_opt betrieben. Dies ist beispielsweise zwischen den Punkten B und C der Fall. Sinkt der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 nach dem Zuschalten der Brennstoffzelle 6 und ihren Betrieb des optimalen Wirkungsgrads η_opt dennoch weiter, wie es zwischen den Punkten C und D der Fall ist, dann wird die Leistung der Brennstoffzelle 6 weiter nach oben gefahren, möglichst langsam, entsprechend der Abnahme des Ladezustands der Traktionsbatterie 5. Dies bedeutet, dass auf der in 2 gezeigten Kennlinie der Betriebspunkt weiter nach rechts verschoben wird. Dabei kann eine gewisse Verzögerung bzw. Hysterese hinterlegt sein, sodass das Brennstoffzellensystem nicht permanent seinen Betriebspunkt verändert, sondern dass dieses entsprechend sehr langsam nachgeführt bzw. nachgeregelt wird. Die Brennstoffzelle 6 wird nun mit ihrer Leistung so weit nach oben gefahren, bis ein gewisser Zielladezustand, welcher abhängig von der Auslegung des Gesamtsystems ist, gehalten werden kann, ohne dass der Ladezustand der Batterie weiter absinkt. Kurzfristige Schwankungen werden dabei nicht betrachtet bzw. über Filter ausgeblendet und somit nicht in die Regelung einbezogen. In der Darstellung der 3 entspricht dieser Betrieb dem Betrieb in der Phase zwischen D und E. Steigt nun der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 wieder an, beispielsweise nachdem ein Gefälle bewältigt worden ist, oder nachdem die Geschwindigkeit nach dem Abfahren von der Autobahn entsprechend reduziert worden ist, dann kann das Brennstoffzellensystem bzw. die Brennstoffzelle 6 nun in seiner Leistung wieder reduziert werden und der Betriebspunkt wird wiederum langsam in Richtung des Punkts des optimalen Wirkungsgrads η_opt verschoben, wie es in der Darstellung der 2 durch die Pfeile unterhalb der Kennlinie angedeutet ist. Der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 erholt sich dann wieder. Dies entspricht in 3 der Phase zwischen E und F.
Je tiefer der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 sinkt bzw. wenn dieser aufgrund der großen Leistungsanforderungen nicht mehr gehalten werden kann, dann wird die Brennstoffzelle 6 des Brennstoffzellensystems zunehmend in ihrem maximalen Leistungspunkt gefahren. Dies geschieht umso schneller, je tiefer der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 ist. Ziel der Strategie ist es hierbei, den Ladezustand der Traktionsbatterie 5 immer in einem Bereich zu halten, der es ermöglicht, jederzeit eine maximale Dynamik und Agilität des Fahrzeugs 1 abzurufen.
In der Darstellung der 4 zeigen die Diagramme eine Betriebsstrategie bei einem vordefinierten Reiseziel und einer entsprechenden Vorhersage über das Navigationssystem 17 bzw. in Verbindung mit der Cloud 19 festgelegten Zwischenstopps zum Nachladen bzw. Nachtanken des Fahrzeugs 1. Ganz oben ist in der Darstellung der 4 dabei die Fahrtstrecke mit den an der Stecke liegenden Betankungs- und Nachlademöglichkeiten dargestellt. H2 steht dabei für eine Tankstation zum Nachtanken von Wasserstoff, E steht für eine Ladestation mit Schnelllademöglichkeit.
In den Diagrammen darunter sind jeweils zeitsynchron bzw. streckensynchron der Verlauf des Ladezustands der Traktionsbatterie 5 in Prozent und der Verlauf des Tankdrucks in dem Druckgasspeicher 14 in Prozent dargestellt. In dem Diagramm ganz unten ist analog zur Darstellung in 3 ganz oben der Leistungsanteil jeweils aus der Brennstoffzelle (grob schraffiert) und der Batterie (fein schraffiert) dargestellt. Steht nun entlang der Reiseroute als erstes eine Tankstation H2 für Wasserstoff zur Verfügung, dann wird die Betriebsstrategie so gewählt, dass der Schwerpunkt der Erzeugung der elektrischen Antriebsleistung auf dem Brennstoffzellensystem bzw. seiner Brennstoffzelle 6 liegt. Das heißt, die Energie wird im Wesentlichen durch die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie bereitgestellt. Der Ladezustand der Traktionsbatterie 5 bleibt weitgehend konstant und kann eventuell sogar noch gesteigert werden. Bei zunehmender Nähe zu der Tankstation H2 wird der Schwerpunkt der Energiebereitstellung zunehmend in Richtung Brennstoffzelle 6 verlagert, sodass der Druckgasspeicher 14 weitestgehend entleert ist bzw. schon kurz vor dem Erreichen der Tankstation H2 komplett leer ist. Durch einen Betankungsvorgang, der vergleichsweise schnell abläuft und typischerweise nur ca. 3 bis 5 Minuten andauert, kann der Druckgasspeicher 14 dann wieder befüllt werden und die Fahrt kann mit praktisch derselben Reichweite wie zu Beginn der Fahrt nach dem Zwischenstopp an der Tankstation H2 fortgesetzt werden. Derselbe Vorgang wiederholt sich identisch an den nächsten beiden Zwischenstopps, welche ebenfalls Tankstationen H2 sind.
Darauffolgend steht allerdings nur eine Ladestation E mit einer Schnellladesäule zur Verfügung und keine Tankstation H2 für Wasserstoff. Hierbei wird dann die Traktionsbatterie 5 bei der Anfahrt auf diesen Zwischenstopp mit der Ladestation E entsprechend leer gefahren, sodass über die Schnellladesäule an der Ladestation E die Traktionsbatterie 5 wieder komplett vollgeladen werden kann. Der Druck in dem Druckgasspeicher bleibt dabei weitgehend konstant, es wird also kein Wasserstoff verbraucht. Würde beispielsweise weder eine Tankstation H2 für Wasserstoff noch eine Schnellladesäule bereitstehen, sondern zum Beispiel nur eine normale Lademöglichkeit, bestünde auch die Möglichkeit, beide Energiequellen so einzusetzen, dass eine möglichst optimale Gesamtreichweite erreicht wird, und damit die nächste Tankstation H2 für Wasserstoff oder Ladestation E mit Schnellladesäule erreicht werden kann. Hierbei wird dann das Brennstoffzellensystem bzw. seine Brennstoffzelle 6 wieder im Betriebspunkt mit dem optimalen Wirkungsgrad η_opt betrieben und der Rest der benötigten Energie aus der Traktionsbatterie 5 bereitgestellt. Mit zunehmend absinkendem Ladezustand der Traktionsbatterie 5 wird dann die Leistung der Brennstoffzelle wieder nach oben gefahren, vergleichbar wie bei der Strategie, welche im Rahmen der 3 im Detail erläutert worden ist.
Durch diese Betriebsstrategien und das insgesamt emissionsfreie Antriebssystem, welches als Energieerzeugungsaggregat eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle 6 verwendet, kann im Gegensatz zu anderen Range-Extender-Systemen (REX), welche insbesondere verbrennungsmotorisch betrieben werden, keine Situation entstehen, in welcher die Traktionsbatterie 5 nachgeladen werden müsste, in welcher dies jedoch aufgrund von Limitierungen in der Zulässigkeit von Emissionen nicht erfolgen kann, sodass ein derartiges Fahrzeug dann „liegen bleibt“.
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

US 2014/0129139 A1 [0007]
US 2011/0288765 A1 [0007]
DE 102015011274 A1 [0008, 0028]
DE 10223949 B4 [0008]
DE 10240763 A1 [0009]
DE 102013020938 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (1) mit einer elektrischen Traktionsbatterie (5) und einem, bevorzugt emissionsfreien, Energieerzeugungsaggregat, entlang einer vorgeplanten Fahrtroute unter Einbeziehung von Zwischenstopps an Ladestationen (E) und/oder Tankstationen (H2), dadurch gekennzeichnet, dass je nachdem, ob der nächste Zwischenstopp an einer Ladestation (E) oder einer Tankstation (H2) erfolgt, die Traktionsbatterie (5) oder ein Kraftstofftank (14) des Energieerzeugungsaggregats leer gefahren wird, sodass die Traktionsbatterie (5) oder der Kraftstofftank (14) beim Zwischenstopp wieder möglichst viel Energie aufnehmen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Möglichkeit, zumindest zu Beginn der geplanten Fahrtroute, bevorzugt Tankstationen (H2) angefahren werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ladestationen (E) Stationen mit Schnellladesäulen angefahren werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungsaggregat ein Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, welches mit Wasserstoff betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in einem Druckgasspeicher (14) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ladestationen (E) zur erwartenden Ankunftszeit automatisch reserviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ladestation (E) insbesondere mit einer Schnellladesäule als nächsten Zwischenstopp eine Temperierung der Traktionsbatterie (5) zur Vorbereitung auf den Ladevorgang, insbesondere den Schnellladevorgang, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (5) zur Temperierung über einen Klimakompressor abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Klimakompressor ein ohnehin vorhandener Klimakompressor einer Klimaanlage des Fahrzeugs (1) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Traktionsbatterie (5) eine Traktionsbatterie (5) mit einer Kapazität von mindestens 20 kWh und als Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellensystem mit einer Leistung genutzt wird, welche größer, vorzugsweise um das wenigstens 1,3-fache größer als die Leistung der Traktionsbatterie (5) ist.