DE102017209029A1

DE102017209029A1 - Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes

Info

Publication number: DE102017209029A1
Application number: DE102017209029.4A
Authority: DE
Inventors: Torsten GRAHLE; Michael Deibler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018219528A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher verbunden ist und über einen elektrischen Antrieb verfügt. Das Steuergerät ist mit einem im Fahrzeug angeordneten Navigationsgerät verbunden und ermittelt durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die Streckendaten (s_strecke) und durch Kommunikation mit dem Energiespeicher einen aktuellen Ladezustand. Das Steuergerät steuert das Brennstoffzellensystem und den Energiespeicher in Abhängigkeit der Streckendaten (s_strecke).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher und Navigationsgerät verbunden ist, wobei das Fahrzeug über einen elektrischen Antrieb verfügt.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen (auch als FCS bezeichnet, engl.: fuel cell system) wird beim Abstellen des Fahrzeugs eine Abschaltprozedur für das Brennstoffzellensystem durchgeführt. Dabei wird unter anderem auch ein Kathodenpfad mit einem Luftsystem und einem Stack getrocknet, um nachfolgendes Einfrieren von verbleibendem Wasser oder Wasserdampf im Kathodenpfad und in der Sensorik zu vermeiden. Das Trocknen des Kathodenpfads erfolgt typischerweise durch ein Ausblasen. Dabei muss eine Einrichtung zur Förderung eines Luftvolumenstroms, z. B. ein Luftverdichter, ein Gebläse oder ein Druckluftspeicher kurzfristig hohe Volumenströme liefern. Zusätzlich kann nicht bestimmt werden, mit welchem Ladezustand der Batterie das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird. Das hat den Nachteil, dass z.B. die Batterie mit einem Ladezustand von nur 30% abgeschaltet wird, das Fahrzeug dann evtl. über einen längeren Zeitraum stehen bleibt und beim Wiederstart die Batterie entleert ist - das Fahrzeug somit nicht startbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fahrzeuge mit Brennstoffzellensystem kundenfreundlicher zu gestalten, wobei die Komponenten des Fahrzeugs außerdem für den Betrieb optimiert und kostengünstig verfügbar sein sollen, so dass diese Fahrzeuge im Markt insbesondere auch mit batteriebetriebenen Fahrzeugen konkurrieren können.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Steuergerät die Komponenten Brennstoffzelle und Energiespeicher für den Betrieb optimiert betreibt.
Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes vorgesehen, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher und einem Navigationsgerät verbunden ist und über einen elektrischen Antrieb verfügt. Das Steuergerät ermittelt durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die Streckendaten (s_strecke) und durch Kommunikation mit dem Energiespeicher einen aktuellen Ladezustand. Das Steuergerät steuert das Brennstoffzellensystem und den Energiespeicher in Abhängigkeit der Streckendaten (s_strecke).
Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die Kenntnis der noch zu fahrenden Strecke, die das Steuergerät über die Kommunikation mit dem Navigationsgerät ermittelt. Je nach dem Fahrprofil kann das Steuergerät in Abhängigkeit von noch geplanten Zwischenstopps oder auch bei bevorstehendem Fahrtende die Brennstoffzelle bzw. den Energiespeicher entsprechend betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Betriebsstrategie so optimiert werden kann, dass eine Degradation und Alterung der Bauteile vermindert wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhafterweise versetzt das Steuergerät das Brennstoffzellensystem bei einem Zwischenstopp oder bei kurzen Standzeiten in einen Ruhemodus. Diese Optimierung hat zur Folge, dass das Brennstoffzellensystem nicht bei jedem kürzeren Zwischenstopp eine aufwändige Abschaltprozedur durchläuft, wodurch auch der Alterungsprozess der Brennstoffzelle verlangsamt wird.
Vorteilhafterweise leitet das Steuergerät die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems ein. Da das Steuergerät durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die noch zu fahrende Strecke, Zwischenstopps und Endziel kennt, kann die Abschaltprozedur hinsichtlich des Energiebedarfs optimiert werden.
Vorteilhafterweise leitet das Steuergerät die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems zu einem Zeitpunkt ein, wenn eine erste Dauer (t_abschalt) der Abschaltprozedur einer zweiten Dauer (t_reststrecke) der noch zu fahrenden Reststrecke entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass das Fahrzeug für die zu fahrende Reststrecke die gleiche Zeitdauer wie die Abschaltprozedur benötigt. Erreicht das Fahrzeug sein Ziel, ist die Abschaltprozedur ebenfalls abgeschlossen.
Vorteilhafterweise schaltet das Steuergerät das Brennstoffzellensystem am Fahrziel / Ziel vollständig ab. Entsprechend ist die Abschaltprozedur bereits vor Erreichen des Fahrziels erfolgt und am Ziel abgeschlossen. Durch Anpassen der Ladestrategie der Batterie durch das Steuergerät durch Kenntnis der Navigationsdaten / Streckendaten kann die Batterie bei Zielerreichung voll aufgeladen sein. Dadurch wird vorteilhafterweise auch die Starteigenschaft des Systems verbessert, da das Brennstoffzellensystem mit voller Batterie mehr Zeit für die Hochlaufstrategie bekommt.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der (alternative) Energiespeicher des Fahrzeugs beispielsweise eine Traktionsbatterie oder auch ein weiterer Energiespeicher mit einem Energiewandler ist. Unter dem Begriff „Batterie“ wird in der vorliegenden Offenbarung wie im Sprachgebrauch üblich auch ein Akkumulatorsystem verstanden. Im Folgenden werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrischer Energiespeicher“ zur Vereinfachung weitgehend synonym verwendet. Bevorzugt umfasst der alternative Energiespeicher eine Traktionsbatterie oder einen Superkondensator (auch als Supercap oder SC bezeichnet, engl.: supercapacitor). Der alternative Energiespeicher kann dabei auch zur Rückgewinnung von Bremsenergie im Fahrzeug verwendet werden.
Weiterhin umfasst die Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfades des Brennstoffzellensystems. Entsprechend ist ein weiterer Vorteil, dass somit Wasserlachen beim Abstellen des Fahrzeugs vermieden werden können. Beim Entfeuchten/Ausblasen wird häufig auch kondensiertes Wasser ausgetragen und auf die Straße abgelassen. Im abgestellten Fall entstehen dadurch Wasserlachen unter bzw. hinter dem Fahrzeug, was nicht nur unschön ist, sondern im Winter auch Frostgefahr und Gefahr durch Glättestellen bedeutet. Auch ein wichtiger Vorteil des Verfahrens ist, dass das kondensierte Wasser auf der Restwegstrecke abgelassen und aufgrund der Fahrzeuggeschwindigkeit beim Ablassen verteilt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung ersichtlich.
Figurenliste
Anhand der einzigen Figur wird im Folgenden die Erfindung näher beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges mit Steuergerät, Brennstoffzellensystem, Energiespeicher und Navigationsgerät.

Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung der Erfindung bzw. seiner Bestandteile gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in der Figur nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Steuergerätes 10. Das Fahrzeug 11 weist eine hybride Energiequelle auf, was die Energie für den Elektroantrieb 14 des Fahrzeugs 11 betrifft. Die Energie für den Elektroantrieb 14 kann sowohl aus dem Brennstoffzellensystem 12 als auch aus dem alternativen Energiespeicher 13 stammen. Der Elektroantrieb 14 umfasst beispielsweise einen elektrischen Antriebsstrang (engl. powertrain) mit einer E-Maschine, einer Leistungselektronik und einem Getriebe, wobei letztere als integrierte Antriebsachse ausgeführt sein können.
Das Fahrzeug 11 ist bevorzugt ein Elektrofahrzeug (auch als EV bezeichnet, engl. electric vehicle) mit Brennstoffzellensystem 12. Alternativ dazu kann das Fahrzeug auch ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug mit Brennstoffzellensystem 12 sein und zusätzlich einen Verbrennungsmotor aufweisen, etwa einen Diesel- oder Ottokraftstoffmotor.
Zusätzlich zu einem elektrischen Antrieb 14 einer Achse kann noch ein weiterer Antrieb eingebaut sein z.B. ein 2-Achsantrieb für Allrad. Insbesondere kann beispielsweise je ein Elektroantrieb mit E-Maschine, Leistungselektronik und Getriebe an einer Achse vorgesehen sein. Es können beide Elektroantriebe (14, 14') mit dem Brennstoffzellensystem 12 und dem alternativen Energiespeicher 14 gekoppelt sein. Es kann auch weitere Kombinationen geben, sodass z.B. eine E-Maschine 14 aus der Batterie 13 gespeist wird und in die Batterie 13 rekuperiert. Auch sind hier weitere Varianten möglich wie z.B. Radnabenantrieb etc.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren Energiespeicher 15 (hier nicht dargestellt), z. B. einen H₂-Tank, mit einem elektrochemischen Energiewandler. Auch der elektrochemische Energiewandler alleine (ohne H₂-Tank) wird manchmal als Brennstoffzellensystem 12 bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst typischerweise galvanische Zellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandeln. Das Brennstoffzellensystem 12 kann beispielsweise ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellensystem sein, aber auch auf Ethanol, Methanol oder weiteren Kohlenwasserstoffen basieren. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem PEMFC-Membran-Technologie (Proton Exchange Membran) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solid oxide fuel cell) umfassen.
Das Steuergerät 10 ermittelt zunächst durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät 16 die Streckendaten (s_strecke). Dabei umfassen die Streckendaten u.a. die geplanten Zwischenstopps, das Endziel, Fahrprofile, Höhendaten, etc.. Durch die Kombination der Brennstoffzellen-Steuerung mit den Navigationsdaten ist es möglich, das System so weit zu optimieren, dass das System bei Zwischenstopps oder bei kurzen Standzeiten in einen erweiterten Ruhemodus versetzt wird und erst am Ziel der Navigationsfahrt komplett abgeschaltet wird. Die Kombination aus Brennstoffzellen-Regelung und Navigationsdaten bringt den Vorteil, dass das System weiß, wann das Ziel erreicht wird. Somit kann das Steuergerät 10 auf dem letzten Teilstück der Strecke mit der Abschaltprozedur beginnen. Durch Anpassen der Ladestrategie seitens des Steuergerätes 10 wird die Batterie so aufgeladen, dass sie am Ziel vollständig aufgeladen ist und die letzten Meter bis zum Ziel die Abschaltprozedur eingeleitet werden kann. Dadurch wird auch die Starteigenschaft des Systems verbessert, da das Brennstoffzellensystem mit voller Batterie mehr Zeit für die Hochlaufstrategie bekommt. Bei Zwischenstopps z.B. an einem Rastplatz kann der Fahrer entscheiden, ob der Zwischenstopp die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems und somit das Trockenblasen rechtfertigt oder ob dies nur ein kurzer Zwischenstopp ist und das Brennstoffzellensystem nur in den erweiterten Ruhemodus überführt wird, der auf ein Trockenblasen verzichtet.
Das Steuergerät betreibt das System aus Brennstoffzelle und Energiespeicher des Weiteren so, dass die Batterie vollgeladen ist und das Brennstoffzellensystem die volle Leistung zur Verfügung stellt, wenn das Fahrzeug beispielsweise auf eine Autobahn fährt.
Insbesondere kann das Verfahren bei hoch automatisierten bzw. vollautomatisierten Fahrzeugen, z. B. beim autonomen Fahren eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei derartigen Brennstoffzellensystemen 12 eingesetzt werden, bei welchen die Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfads des Brennstoffzellensystems 12 umfasst. Dabei wird der Kathodenpfad, insbesondere mit dem Stack, durch eine Luftfördereinheit trockengeblasen, um das Einfrieren von verbleibendem Wasser oder Wasserdampf im Kathodenpfad und in der Sensorik zu vermeiden.
Ebenfalls kann es genutzt werden um den Abschaltprozedur energetisch zu optimieren, z. B. durch Reduktion der Energie zur Luftförderung. Dies könnte auch zu mehr Freiheit bei der Auswahl der verwendeten Systemkomponenten führen, beispielsweise könnten kostengünstigere, weniger leistungsfähige Systemkomponenten eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes (10), welches in einem Fahrzeug (11) angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug (11) angeordneten Brennstoffzellensystem (12) und Energiespeicher (13) verbunden ist, wobei das Fahrzeug über einen elektrischen Antrieb (14) verfügt, wobei das Steuergerät (10) mit einem im Fahrzeug (11) angeordneten Navigationsgerät (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Steuergerät (10) mit dem Navigationsgerät (16) kommuniziert und Streckendaten (s_strecke) ermittelt; - das Steuergerät (10) mit dem Energiespeicher (13) kommuniziert und einen aktuellen Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (13) ermittelt; - das Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) und den Energiespeicher (13) in Abhängigkeit der Streckendaten (s_strecke) steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) bei einem Zwischenstopp oder bei kurzen Standzeiten in einen Ruhemodus versetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems (12) einleitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems (12) einleitet, wenn eine erste Dauer (t_abschalt) der Abschaltprozedur einer zweiten Dauer (t_reststrecke) der noch zu fahrenden Reststrecke entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) am Ziel vollständig abschaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (13) eine Traktionsbatterie oder ein Superkondensator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfads des Brennstoffzellensystems (12) umfasst.