DE102017204075A1 - Verfahren und Steuereinheit zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren und Steuereinheit zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren (300) zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem (100) beschrieben, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor (131) des Fahrzeugs zu erzeugen. Das Verfahren (300) umfasst das Ermitteln (301) von Akustik-Information (141), die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigt. Außerdem umfasst das Verfahren (300) das Anpassen (302) einer Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Anpassung der Geräuschemission eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug.
  • Ein Straßenkraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel aufweisen, der auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Brennstoff kann in einem oder mehreren Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit bereitzustellen, mit denen die Akustik eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem in effizienter Weise angepasst werden kann, insbesondere um den Komfort und/oder das Fahrerlebnis eines Insassen des Fahrzeugs zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem beschrieben. Insbesondere kann das Verfahren darauf ausgelegt sein, die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems selbst anzupassen, um so die Akustik des Fahrzeugs (z.B. die von einem Insassen wahrgenommene Akustik oder die von einem Umfeld des Fahrzeugs wahrgenommene Akustik) in effizienter Weise zu steuern. Das Brennstoffzellensystem ist dabei eingerichtet, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs zu erzeugen. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein sogenanntes FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) Fahrzeug handeln. Mit anderen Worten, es kann sich um ein (rein) elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln, bei dem die elektrische Energie für den Antriebsmotor (ggf. ausschließlich) anhand eines Brennstoffzellenstapels mit ein oder mehreren Brennstoffzellen generiert wird.
  • Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Akustik-Information, die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigt. Die Akustik-Information kann z.B. ein gewünschtes Niveau und/oder einen gewünschten Pegel und/oder einen gewünschten Charakter der Akustik des Fahrzeugs anzeigen. Die Akustik-Information kann z.B. einen von einem Fahrer des Fahrzeugs gewählten Betriebs- bzw. Fahrmodus aus einer Mehrzahl von Betriebs- bzw. Fahrmodi anzeigen. Die Mehrzahl von Betriebsmodi kann z.B. einen ersten Modus (z.B. einen Eco- oder Komfort-Modus) umfassen, der auf ein komfortables und/oder energieeffizientes Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist (und typischerweise mit einem relativ geringen und/oder relativ gleichmäßigen Pegel der Geräuschemissionen des Fahrzeugs verbunden ist). Des Weiteren kann die Mehrzahl von Betriebsmodi einen zweiten Modus (z.B. einen Sport-Modus) umfassen, der auf ein dynamisches Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist (und typischerweise mit einem relativ hohen und/oder relativ dynamischen Pegel der Geräuschemissionen des Fahrzeugs verbunden ist). Die unterschiedlichen Betriebsmodi können beispielsweise über einen (Fahrerlebnis-) Schalter und/oder über ein Menu einer Menu-geführten Benutzerschnittstelle des Fahrzeugs durch einen Insassen des Fahrzeugs eingestellt werden.
  • Außerdem umfasst das Verfahren das Anpassen einer Geräuschemission des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Akustik-Information. Dabei kann insbesondere die Geräuschemission einer Komponente zur Zuführung von Oxidationsmittel (z.B. Luft) und/oder einer Komponente zur Abführung von Abgasen (z.B. Wasserdampf) des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst werden. Mit anderen Worten, es können ein oder mehrere Komponenten des Brennstoffzellensystems, die für die Erzeugung der elektrischen Energie verwendet werden, angesteuert werden, um die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems und damit die Akustik des Fahrzeugs anzupassen. So können in effizienter Weise der Komfort und/oder das Fahrerlebnis eines Fahrzeugnutzers erhöht werden. Insbesondere kann dabei ein Betriebsmodus (insbesondere ein zweiter bzw. ein sportlicher Modus) bereitgestellt werden, bei dem die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems und die Akustik des Fahrzeugs eng an die Fahrzeugführung durch einen Fahrer des Fahrzeug gebunden ist (insbesondere eng an die Auslenkung und/oder die Auslenkungsänderung eines Fahrpedals des Fahrzeugs). Andererseits kann ein Betriebsmodus (insbesondere ein erster bzw. ein Eco Modus) bereitgestellt werden, bei dem die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems und die Akustik des Fahrzeugs relativ wenig an die Fahrzeugführung durch den Fahrer des Fahrzeug gebunden ist (insbesondere relativ wenig an die Auslenkung und/oder die Auslenkungsänderung des Fahrpedals des Fahrzeugs).
  • Das Brennstoffzellensystem kann einen Oxidationsmittelförderer umfassen, der eingerichtet ist, Oxidationsmittel (insbesondere Luft) zu einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu fördern. Der Brennstoffzellenstapel kann eingerichtet sein, auf Basis eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) und auf Basis des Oxidationsmittels elektrische Energie zu erzeugen. Bei dieser Reaktion entstehen typischerweise Abgase (insbesondere Wasserdampf). Zur Steuerung der Akustik des Fahrzeugs kann die Geräuschemission des Oxidationsmittelförderers (insbesondere einer Fördereinheit des Oxidationsmittelförderers) in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst werden.
  • Der Oxidationsmittelförderer kann eine Fördereinheit (z.B. einen Kompressor) umfassen, mit der eine Menge an Oxidationsmittel verändert werden kann, die in das Brennstoffzellensystem gefördert wird. Des Weiteren kann der Oxidationsmittelförderer eine Weicheneinheit umfassen, mit der ein Anteil der von der Fördereinheit geförderten Menge an Oxidationsmittel, der an den Brennstoffzellenstapel geführt wird und/oder mit der ein Anteil der von der Fördereinheit geförderten Menge an Oxidationsmittel, der an dem Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt wird, eingestellt werden kann. Durch die Bereitstellung einer Weicheneinheit (z.B. einer Klappe oder eines Ventils) kann die Stöchiometrie des Oxidationsmittels im Brennstoffzellenstapel unabhängig von der Geräuschemission des Oxidationsmittelförderers (anhand der Geräuschemission der Fördereinheit) angepasst werden. Insbesondere kann mittels der Weicheneinheit überschüssiges Oxidationsmittel an dem Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt werden. So wird eine flexible Steuerung der Geräuschemission des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ein Abgassystem umfassen, das eingerichtet ist, Abgase (insbesondere Wasserdampf) von einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aus dem Fahrzeug zu fördern. Zur Steuerung der Akustik des Fahrzeugs kann die Geräuschemission des Abgassystems in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst werden. Dabei kann das Abgassystem insbesondere Führungs-Steuermittel (z.B. ein oder mehrere Abgasklappen) umfassen, die eingerichtet sind, einen Anteil der Abgase, die über eine geräuschdämpfende Vorrichtung (z.B. über einen Schalldämpfer) geführt werden, anzupassen. Es können dann zur Steuerung der Akustik des Fahrzeugs die Führungs-Steuermittel in Abhängigkeit von der Akustik-Information gesteuert werden.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) sowie einen elektrischen Energiespeicher (z.B. einen Hochvolt-Speicher im Bereich von 300V oder mehr, beispielsweise einen Lithium Ionen Speicher) zur Speicherung von elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellenstapel. Das Anpassen der Geräuschemission des Brennstoffzellensystems kann dann umfassen, das Anpassen einer Betriebsstrategie, die ein oder mehreren Regeln umfasst, nach denen elektrische Leistung für die elektrische Antriebsmaschine direkt aus dem elektrischen Energiespeicher und/oder direkt aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen wird.
  • Die Betriebsstrategie kann z.B. derart angepasst werden, dass (beispielsweise in einem zweiten (sportlichen) Betriebsmodus) die von dem Brennstoffzellenstapel für den Antrieb bereitgestellte elektrische Leistung proportional (insbesondere gleich) der erforderlichen Antriebsleistung ist. Fahreranforderungen für Antriebsleistungen können somit direkt (ggf. Eins-zu-Eins) in Leistungsanforderungen an den Brennstoffzellenstapel überführt werden (ohne zumindest teilweise durch den elektrischen Energiespeicher abgefangen zu werden). So kann bewirkt werden, dass eine Fahreranforderung für erhöhte Antriebsleistung direkt (ggf. Eins-zu-Eins und/oder proportional) in eine erhöhte Geräuschemission des Brennstoffzellensystems überführt wird. Andererseits kann in einem ersten (ggf. Komfort- oder Verbrauchs-orientierten) Betriebsmodus eine erhöhte Antriebsleistung ganz oder teilweise durch den Energiespeicher abgefangen werden, so dass sich eine Fahreranforderung für erhöhte Antriebsleistung nur gedämpft oder verspätet oder gar nicht in einer erhöhten Geräuschemission des Brennstoffzellensystems niederschlägt.
  • Die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems kann derart in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst werden, dass die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems, insbesondere im zeitlichen Mittel, höher ist, wenn sich das Fahrzeug im zweiten (sportlichen) Modus befindet als wenn sich das Fahrzeug im ersten (Komfort- oder Verbrauchs-orientierten) Modus befindet. Alternativ oder ergänzend kann die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems derart in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst werden, dass die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems, insbesondere im zeitlichen Mittel, stärker und/oder enger an ein Steuerungsmittel zur Steuerung der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung (z.B. an ein Fahrpedal) des Fahrzeugs gekoppelt ist, wenn sich das Fahrzeug im zweiten (sportlichen) Modus befindet als wenn sich das Fahrzeug im ersten (Komfort- oder Verbrauchs-orientierten) Modus befindet. So können das Fahrerlebnis und/oder der Komfort für einen Nutzer eines Fahrzeugs erhöht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit für ein Brennstoffzellensystem beschrieben, wobei das Brennstoffzellensystem eingerichtet ist, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs zu erzeugen. Die Steuereinheit ist eingerichtet, Akustik-Information zu ermitteln, die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigt. Außerdem ist die Steuereinheit eingerichtet, zu veranlassen, dass die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Akustik-Information angepasst wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einer Steuereinheit) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
    • 2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Anpassung der Akustik eines Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, insbesondere um den Komfort und/oder das Fahrerlebnis eines Fahrers des Fahrzeugs zu erhöhen. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine Antriebsmaschine 131 eines Kraftfahrzeugs ausgelegt. Die von einem Brennstoffzellenstapel 102 generierte elektrische Energie kann in einem elektrischen Energiespeicher 130 zumindest teilweise zwischengespeichert werden.
  • Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 100 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind:
    • Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
  • Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einem Drucktank 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Drucktank 110 ist über Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
  • Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
  • Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellensystems 100 umfassen i.d.R. jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
  • Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
  • Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter 110, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff 211 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
  • Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212.
  • Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst typischerweise mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel 102 des Brennstoffzellensystems 100 zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und den Brennstoffzellenstapel 102, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zirkulieren kann. Insbesondere kann das in einer Brennstoffzelle 101 erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle 101 in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle 101 strömt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass auch wenn hier von Kühlmittel die Rede ist, das Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt ist. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren einer Brennstoffzelle 101 eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser, ggf. mit Additiven, zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen 101 bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels 102 genutzt werden.
  • Das hier offenbarte System 100 umfasst mindestens ein Steuergerät 103 (auch als Steuereinheit bezeichnet). Das Steuergerät 103 ist u.a. ausgebildet, über einen Datenbus mit einem Zellüberwachungsmodul (=Busteilnehmer) bzw. einem Zellüberwachungssystem zu kommunizieren. Das Steuergerät 103 kann u.a. ausgebildet sein, die Zellüberwachung zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um eine Engine Control Unit (ECU) handeln. Beispielsweise kann das Steuergerät 103 für ein Brennstoffzellensystem auch als Stack Management Unit (SMU) bezeichnet werden.
  • Wie in 2 dargestellt umfasst ein Brennstoffzellensystem 100 mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205. Der Oxidationsmittelförderer 205 ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel 212 zu den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer 205 (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise einen Kompressor bzw. Verdichter 206, besonders bevorzugt einen luftgelagerten Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter, umfassen. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer 205 einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
  • Bei Bedarf kann das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels 212 verändert werden. Das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels 212 gibt an, um welchen Faktor mehr Oxidationsmittel 212 bereitgestellt wird, als tatsächlich für die Reaktion an der Kathode 202 notwendig ist. Wird Luft als Oxidationsmittel 212 eingesetzt, kann dieses stöchiometrische Verhältnis auch als Luftverhältnis λ bzw. als Luftzahl λ bezeichnet werden. Das Luftverhältnis λ setzt die tatsächlich für die elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zur Verfügung stehende Luftmasse mL-tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL-st, die für eine vollständige elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle 101 benötigt wird. Es gilt also: λ = m L . t a t s m L . s t
    Figure DE102017204075A1_0001
  • Das Brennstoffzellensystem 100 weist typischerweise unterschiedliche Mittel auf, mit denen die Akustik bzw. die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 verändert werden kann. Insbesondere hat der Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere der Kompressor 206, einen Einfluss auf die Akustik des Brennstoffzellensystems 100. Durch eine Erhöhung der durch den Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch den Kompressor 206, geförderten Menge an Oxidationsmittel 212 kann die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden.
  • Der Oxidationsmittelförderer 205 kann eine Weicheneinheit 207 (z.B. ein Ventil oder eine Klappe) umfassen, mit der ein bestimmter Anteil, der von dem Kompressor 206 geförderten Menge an Oxidationsmittel 212 zu der Kathode 204 gelenkt und ein anderer Anteil der geförderten Menge an Oxidationsmittel 212 an dem Brennstoffzellenstapel 102 vorbeigeführt wird. Durch einen derartigen Bypass für Oxidationsmittel 212 kann erreicht werden, dass der Kompressor 206 zur Erzeugung von Geräuschen substantiell unabhängig von der Menge an Oxidationsmittel 212 angesteuert werden kann, die der Kathode 204 zugeführt werden soll.
  • Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem 100 ein Abgassystem 208, 209 umfassen, über das Abgase (insbesondere Wasserdampf) aus dem Brennstoffzellensystem 100 gefördert werden können (siehe 2). Das Abgassystem 208, 209 kann z.B. ein Abgasrohr 208 und eine Abgasklappe 209 aufweisen. Über den Öffnungsgrad der Abgasklappe 209 kann die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 angepasst werden. Beispielsweise kann über den Öffnungsgrad der Abgasklappe 209 eingestellt werden, welcher Anteil der Abgase über einen Schalldämpfer (nicht dargestellt) des Abgassystems 208, 209 geführt wird.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung der Geräuschemission eines Brennstoffzellensystems 100 ist die Betriebsstrategie in Bezug auf eine Leistungsverteilung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 102 und dem elektrischen Energiespeicher 130. Durch die Betriebsstrategie kann festgelegt werden, unter welchen Lastbedingungen elektrische Energie für den Antrieb einer Antriebsmaschine 131 aus dem elektrischen Energiespeicher 130 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 bezogen wird. Beispielsweise kann zeitweise der Brennstoffzellenstapel 102 in einem Stand-By Modus betrieben und die gesamte elektrische Energie für den Antrieb aus dem elektrischen Energiespeicher 130 bezogen werden. So kann die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 minimiert werden. Andererseits kann zeitweise die gesamte Antriebsleistung aus dem Brennstoffzellenstapel 102 bezogen werden. Des Weiteren kann zusätzliche Leistung zum Laden des Energiespeichers 130 aus dem Brennstoffzellenstapel 102 bezogen werden. So kann die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 maximiert werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 kann somit ausgebildet sein, unterschiedliche Niveaus/Pegel und/oder unterschiedliche Arten von Geräuschen zu erzeugen. Mit anderen Worten, die Akustik eines Brennstoffzellensystems 100 kann angepasst werden. Diese Anpassungsmöglichkeiten der Akustik eines Brennstoffzellensystems 100 können dazu verwendet werden, den Komfort und/oder das Fahrerlebnis eines Fahrers eines Fahrzeugs zu erhöhen. Insbesondere kann die Akustik eines Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von einem Fahrerwunsch angepasst werden.
  • Die Steuereinheit 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann eingerichtet sein, Akustik-Information 141 in Bezug auf einen Fahrerwunsch eines Fahrzeugs zu ermitteln. Die Steuerinformation 141 kann z.B.
    • • eine Auslenkung eines Fahrpedals des Fahrzeugs anzeigen bzw. umfassen; und
    • • eine Stellung eines Fahrerlebnisschalters (z.B. Eco Modus vs. Sport Modus) des Fahrzeugs anzeigen bzw. umfassen.
  • Die Steuereinheit 103 kann weiter eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Steuerinformation ein oder mehrere Maßnahmen zur Anpassung der Akustik des Brennstoffzellensystems 100 zu veranlassen. Beispielhafte Maßnahmen sind
    • • eine Anpassung der Betriebsstrategie in Bezug auf die Leistungsentnahme aus dem Energiespeicher 130 vs. der Leistungsentnahme aus dem Brennstoffzellenstapel 102;
    • • eine Anpassung der Geräuschemission des Abgassystems 208, 209 des Brennstoffzellensystems 100; und/oder
    • • eine Anpassung der Geräuschemission des Oxidationsmittelförderers 205, insbesondere des Kompressors 206, des Brennstoffzellensystems 100.
  • Beispielsweise kann die Ansaugluft-Führung, d.h. der Oxidationsmittelförderer 205, bzgl. der Akustik-Auswirkung in einem Eco bzw. Komfort Modus des Fahrzeug relativ leise und in einem Sport Modus des Fahrzeugs relativ laut gestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine schaltbare Abluft-Führung (z.B. eine Klappe 209 einer Abgasanlage 208, 209) bzgl. der Akustik-Auswirkung in einem Eco bzw. Komfort Modus des Fahrzeug relativ leise und in einem Sport Modus des Fahrzeugs relativ laut gestellt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Betriebsstrategie in einem Sport Modus in Bezug auf die Akustik derart angepasst werden, dass die Ansaugluft-und/oder Abluftführung ein ähnliches akustisches Empfinden vermittelt, wie bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Insbesondere kann eine direkte und/oder enge Kopplung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 102, insbesondere zwischen der Ansaugluft-und/oder Abluftführung, und dem Fahrerwunsch (insbesondere der Auslenkung und/oder der Auslenkungsänderung eines Fahrpedals) erfolgen.
  • Andererseits kann in einem Komfort-/Eco-Modus die Leistungsanforderung an einen Brennstoffzellenstapel 102 hauptsächlich aus Effizienz-Gesichtspunkten erfolgen, und zumindest teilweise von dem Fahrerwunsch (insbesondere dem Fahrpedal) entkoppelt sein.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem 100. Dabei ist das Brennstoffzellensystem 100 eingerichtet, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor 131 des Fahrzeugs zu erzeugen. Das Verfahren 300 kann durch eine Steuereinheit 103 des Brennstoffzellensystems 100 ausgeführt werden. Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 von Akustik-Information 141, die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs (insbesondere des Fahrers des Fahrzeugs) in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigt. Dabei kann die Akustik-Information 141 insbesondere einen Fahrmodus anzeigen (z.B. einen Eco-/Komfort-Modus vs. einen Sport-Modus), der durch einen Insassen des Fahrzeugs ausgewählt wurde. Der Fahrmodus kann Vorzüge des Insassen in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigen. Außerdem umfasst das Verfahren das Anpassen 302 einer Geräuschemission des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von der Akustik-Information 141. Dabei kann die Geräuschemissionen von inhärenten Komponenten (z.B. dem Oxidationsmittelförderer 205 und/oder dem Abgassystem 208, 209) des Brennstoffzellensystems 100 angepasst werden.
  • Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können der Komfort und/oder das Fahrerlebnis eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem 100 erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (10)

  1. Verfahren (300) zur Steuerung der Akustik eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem (100), das eingerichtet ist, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor (131) des Fahrzeugs zu erzeugen; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301) von Akustik-Information (141), die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs in Bezug auf die Akustik des Fahrzeugs anzeigt; und - Anpassen (302) einer Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141).
  2. Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, wobei die Geräuschemission einer Komponente (205, 206) zur Zuführung von Oxidationsmittel (212) und/oder einer Komponente (209) zur Abführung von Abgasen des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) angepasst wird.
  3. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Brennstoffzellensystem (100) einen Oxidationsmittelförderer (205) umfasst, der eingerichtet ist, Oxidationsmittel (212) zu einem Brennstoffzellenstapel (102) des Brennstoffzellensystems (100) zu fördern; und - die Geräuschemission des Oxidationsmittelförderers (205) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) angepasst wird.
  4. Verfahren (300) gemäß Anspruch 3, wobei - der Oxidationsmittelförderer (205) eine Fördereinheit (206) umfasst, mit der eine Menge an Oxidationsmittel (212) verändert werden kann, die in das Brennstoffzellensystem (100) gefördert wird; - der Oxidationsmittelförderer (205) eine Weicheneinheit (207) umfasst, mit der ein Anteil der von der Fördereinheit (206) geförderten Menge an Oxidationsmittel (212), der an den Brennstoffzellenstapel (102) geführt und/oder mit der ein Anteil der von der Fördereinheit (206) geförderten Menge an Oxidationsmittel (212), der an dem Brennstoffzellenstapel (102) vorbeigeführt wird, eingestellt werden kann; und - die Geräuschemission der Fördereinheit (206) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) angepasst wird.
  5. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Brennstoffzellensystem (100) ein Abgassystem (208, 209) umfasst, das eingerichtet ist, Abgase von einem Brennstoffzellenstapel (102) des Brennstoffzellensystems (100) aus dem Fahrzeug zu fördern; und - die Geräuschemission des Abgassystems (208, 209) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) angepasst wird.
  6. Verfahren (300) gemäß Anspruch 5, wobei - das Abgassystem (208, 209) Führungs-Steuermittel (209) umfasst, um einen Anteil der Abgase, die über eine geräuschdämpfende Vorrichtung geführt werden, anzupassen; und - die Führungs-Steuermittel (209) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) gesteuert werden.
  7. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (102) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff (211) umfasst; - das Brennstoffzellensystem (100) einen elektrischen Energiespeicher (130) zur Speicherung von elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellenstapel (102) umfasst; und - das Anpassen der Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100) umfasst, das Anpassen einer Betriebsstrategie nach der elektrische Leistung für die elektrische Antriebsmaschine (131) direkt aus dem elektrischen Energiespeicher (130) und/oder direkt aus dem Brennstoffzellenstapel (102) bezogen wird.
  8. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Akustik-Information (141) einen von einem Fahrer des Fahrzeugs gewählten Betriebsmodus aus einer Mehrzahl von Betriebsmodi anzeigt; und - die Mehrzahl von Betriebsmodi umfasst, - einen ersten Modus, der auf ein komfortables und/oder energieeffizientes Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist; und - einen zweiten Modus, der auf ein dynamisches Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist.
  9. Verfahren (300) gemäß Anspruch 8, wobei - die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere im zeitlichen Mittel, höher ist, wenn sich das Fahrzeug im zweiten Modus befindet als wenn sich das Fahrzeug im ersten Modus befindet; und/oder - die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere im zeitlichen Mittel, stärker und/oder enger an ein Steuerungsmittel zur Steuerung der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung des Fahrzeugs gekoppelt ist, wenn sich das Fahrzeug im zweiten Modus befindet als wenn sich das Fahrzeug im ersten Modus befindet.
  10. Steuereinheit (103) für ein Brennstoffzellensystem (100), das eingerichtet ist, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor (131) eines Fahrzeugs zu erzeugen; wobei die Steuereinheit (103) eingerichtet ist, - Akustik-Information (141) zu ermitteln, die einen Wunsch eines Insassen des Fahrzeugs in Bezug auf eine Akustik des Fahrzeugs anzeigt; und - zu veranlassen, dass die Geräuschemission des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der Akustik-Information (141) angepasst wird.
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