DE102017220135A1

DE102017220135A1 - Verfahren und Steuereinheit zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017220135A1
Application number: DE102017220135.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hammer; Andreas Schmidhammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Betreiben einer Brennstoffzelle (11) in einem Fahrzeug (1). Dabei erfolgt ein Bereitstellen einer Energieversorgung für eine Antriebseinheit (40) mittels einer von einer Brennstoffzelleneinheit (10) und einem Hochvoltspeicher (20) bereitgestellten Energie, um die Antriebseinheit (40) basierend auf einem Sollwert zu betreiben, ein Detektieren, ob der Hochvoltspeicher (20) sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet, und ein Ableiten einer von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, in einen Niederspannungskreis (50) in Reaktion darauf, dass bei dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug.
In Brennstoffzellenfahrzeugen wird Wasserstoff als Energieträger für den Antrieb eingesetzt. Die im Wasserstoff gebundene Energie wird über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt und dient einer oder mehreren E-Maschinen als Energiequelle für den Antrieb des Fahrzeuges.
Überdies enthalten Brennstoffzellenfahrzeuge elektrische Energiespeicher, z.B. Litium-Ionen-Batterien. Diese werden zur Aufnahme und Speicherung der Bewegungsenergie während Verzögerungs-/Bremsvorgängen (Rekuperation), Unterstützung der Brennstoffzelle bei Beschleunigungsvorgängen (Boosten) und zur Abdeckung von dynamischen Leistungsdifferenzen (Über- und Unterdeckungen) zwischen der Brennstoffzelle als Energiequelle und den E-Maschinen und Nebenverbrauchern als Energiesenken benötigt.
Dabei ist zu erwähnen, dass die Brennstoffzelle aufgrund der begrenzten Änderungsdynamik des für den Energieumwandlungsprozess nötigen Mediendurchsatzes (Luftsauerstoff, Wasserstoff) ein deutlich geringeres Leistungsänderungsvermögen aufweist als der elektrische Energiespeicher.
Abhängig von Fahrerbeschleunigungs- und Verzögerungswünschen erfolgt die Ansteuerung von E-Maschinen und Brennstoffzelle über eine Softwarefunktionalität. Aufgrund des typischerweise deutlich geringeren Energieinhalts des elektrischen Energiespeichers gegenüber dem Wasserstoffspeicher, erfolgt die Abdeckung des für die Fahrzeugbewegung notwendigen Leistungsbedarfs zumindest langfristig über die Brennstoffzelle.
Die Sollleistung der Brennstoffzelle bestimmt sich typischerweise aus dem Fahrerwunsch und strategischen Betrachtungen, die den Ladezustand der Hochvoltbatterie adressieren.
Die Brennstoffzelle ist üblicherweise über einen DC/DC-Wandler mit einer Hochvoltbatterie verbunden, welche als elektrischer Energiespeicher dient. Direkt mit der Hochvoltbatterie sind Hochvoltverbraucher wie Klimakompressor und E-Maschinen verbunden. Dieses Konstrukt wird Zwischenkreis genannt. Über den DC/DC-Wandler zwischen Brennstoffzelle und Zwischenkreis wird die Spannungslage des Brennstoffzellensystems an die des Zwischenkreises angepasst. Alle Hochvoltverbraucher haben einen definierten Betriebsbereich, was die zulässigen Spannungslagen des angesprochenen Zwischenkreises einschränkt.
Auch in Hochvoltfahrzeugen gibt es ein 12V-Netz, in dem Bauteile wie Lenkkraftunterstützung, Licht, Navigation, etc. betrieben werden. In dem 12V-Netz befindet sich eine 12V-Batterie, die über einen DC/DC-Wandler mit dem Zwischenkreis verbunden ist. Der DC/DC-Wandler übernimmt die Aufgabe der Lichtmaschine aus dem Verbrennungsmotorischen Fahrzeug und regelt die Spannungslage auf der Niedervoltseite. Dafür wird Leistung aus dem Hochvoltsystem entnommen.
Fällt in einem Brennstoffzellenfahrzeug die Hochvoltbatterie aus, was beispielsweise durch einen Hardware-Defekt passieren kann, so soll das Fahrzeug weiter betrieben werden können. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass die Spannung des Zwischenkreises nicht mehr weiter von der Hochvoltbatterie gestützt wird, wenn diese defekt ist. Somit ist eine Zwischenspeicherung durch die Hochvoltbatterie nicht mehr möglich, was zur Folge hat, dass die in das System eingebrachte Leistung zu jedem Zeitpunkt der abgenommenen Leistung entsprechen muss. Die Sollleistung der Brennstoffzelle bestimmt sich aus der zur Erfüllung des Fahrerwunsches erforderlichen Antriebsleistung und dem Leistungsbedarf der weiteren im System verbauten Hochvoltverbraucher.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einer Antriebseinheit eines Fahrzeuges eine erforderliche Energie in korrektem Ausmaß bereitzustellen, ohne dass es dabei zu Verzögerungen durch eine Reaktionszeit der Brennstoffzelle kommt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug umfasst ein Bereitstellen einer Energieversorgung für eine Antriebseinheit mittels einer von einer Brennstoffzelleneinheit und einem Hochvoltspeicher bereitgestellten Energie, um die Antriebseinheit basierend auf einem Sollwert zu betreiben, ein Detektieren, ob der Hochvoltspeicher sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet, und ein Ableiten einer von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird, in einen Niederspannungskreis in Reaktion darauf, dass bei dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug ist dazu eingerichtet, ein Bereitstellen einer Energieversorgung für eine Antriebseinheit mittels einer von einer Brennstoffzelleneinheit und einem Hochvoltspeicher bereitgestellten Energie zu steuern, um die Antriebseinheit basierend auf einem Sollwert zu betreiben, zu detektieren, ob der Hochvoltspeicher in einem betriebsbereiten Zustand ist, und eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Energie, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird, in einen Niederspannungskreis in Reaktion darauf abzuleiten, das detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle. Der Hochvoltspeicher ist ein Energiespeicher, welcher reaktionsschneller als die Brennstoffzelleneinheit ist. So umfasst der Hochvoltspeicher bevorzugt Batterien oder Kondensatoren zum Speicher von Energie. Erfindungsgemäß wird zwischen einer Hochspannung und einer Niederspannung unterschieden. Die Hochspannung wird von der Brennstoffzelleneinheit oder dem Hochvoltspeicher bereitgestellt. Die Niederspannung ist eine Spannung, welche eine Betriebsspannung in dem Niederspannungskreis ist. Die Hochspannung ist eine Spannung, welche eine Betriebsspannung in einem Zwischenkreis ist. Dabei sind die Begriffe Hochspannung und Niederspannung nicht auf bestimmte Spannungsbereiche begrenzt, sondern sind so zu verstehen, dass die Hochspannung eine Spannung ist, welche höher als die Niederspannung ist. Sowohl die Hochspannung als auch die Niederspannung sind bevorzugt Gleichspannungen. Insbesondere ist die Hochspannung eine Spannung von mehr als 100 Volt und die Niederspannung eine Spannung von weniger als 100 Volt. Besonders bevorzugt ist die Niederspannung eine Spannung von 12 Volt.
Die Antriebseinheit ist bevorzugt ein Motor des Fahrzeuges. Der Sollwert ist ein Wert, welcher typischerweise von einem Fahrer des Fahrzeuges bereitgestellt wird, beispielsweise indem dieser ein Gaspedal des Fahrzeuges betätigt. Durch den Sollwert wird insbesondere ein Drehmoment der Antriebseinheit bestimmt. Der Sollwert wird jedoch nicht zwingend von einem Fahrer des Fahrzeuges bereitgestellt, sondern kann alternativ oder zusätzlich auch von einem Fahrerassistenzsystem, beispielsweise für ein System für autonomes oder teilautonomes Fahren bereitgestellt werden.
Es wird detektiert, ob der Hochvoltspeicher sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet. Das bedeutet, dass geprüft wird, ob der Hochvoltspeicher dazu in der Lage ist, eine von der Brennstoffzelleneinheit ausgegebene Spannung zu puffern oder Energie für die Antriebseinheit bereitzustellen.
Falls der Hochvoltspeicher sich nicht in einem betriebsbereiten Zustand befindet, erfolgt ein Ableiten einer von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird. Die Energie wird dabei in den Niederspannungskreis abgleitet. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn von der Brennstoffzelleneinheit mehr Energie bereitgestellt wird, als dafür notwendig ist, um die Antriebseinheit mit dem durch den Sollwert beschriebenen Drehmoment zu betreiben. Reduziert ein Fahrer den Sollwert, beispielsweise um langsamer zu fahren, so wird die Brennstoffzelleneinheit dazu angesteuert, weniger Energie bereitzustellen. Dies erfolgt jedoch erst nach einer gewissen Verzögerungszeit. Gleichzeitig soll jedoch bereits der Drehmoment der Antriebseinheit verringert werden, um keinen ungewünschten Vortrieb des Fahrzeuges zu generieren. Die Energie muss somit abgleitet oder abgeführt werden und an anderer Stelle genutzt oder verbraucht werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß mittels des Niederspannungskreises. In dem Niederspannungskreis sind typischerweise Verbraucher angeordnet, durch welche Energie verbraucht wird. Diese Verbraucher werden genutzt, um die für die Antriebseinheit nicht benötigte, jedoch von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Energie zu verbrauchen. Insbesondere kann dabei auch ein in dem Niederspannungskreis angeordneter Energiespeicher, typischerweise eine Batterie, dazu genutzt werden, um die in den Niederspannungskreis abgeleitete Energie zu speichern und zu puffern, bevor diese von den Verbrauchern in dem Niederspannungskreis genutzt wird.
Durch die erfindungsgemäße Steuereinheit wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug gesteuert.
Bevorzugt erfolgt ein Ermitteln, welchen Betrag die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Energie aufweist, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird. Dies erfolgt basierend auf einem gewünschten Drehmoment der Antriebseinheit, also ebenfalls basierend auf dem Sollwert, und einer von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Ausgangsspannung. Auf diese Weise kann gezielt bestimmt werden, wieviel Energie abzuleiten ist. Es kann somit eine besonders effektive Regelung erfolgen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Niederspannungskreis mittels eines ersten Gleichspannungswandlers mit der Brennstoffzelleneinheit gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein Spannungsausgleich zwischen dem Hochvoltbereich und dem Niederspannungsbereich erfolgen. Dabei ist dieser Ausgleich regelbar und es kann bestimmt werden, ob Energie von dem Hochvoltkreis in den Niederspannungskreis abgeleitet werden soll.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste Gleichspannungswandlers über einen Zwischenkreis mit der Brennstoffzelleneinheit gekoppelt ist, wobei bei dem Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Energie ein Regeln des ersten Gleichspannungswandlers erfolgt, um eine Spannung in dem Zwischenkreis auf einem vorgegebenen Spannungswert zu halten. Dabei erfolgt bevorzugt ein Regeln einer Spannung des ersten Gleichspannungswandlers auf einer Hochvoltseite oder einer Niedervoltseite des ersten Gleichspannungswandlers.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers in Reaktion darauf abgesenkt wird, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist. Es kann somit durch das Setzen der Zielspannung gezielt ein Ableiten von Energie ausgelöst werden, welche von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird, durch ein Erhöhen einer Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers erfolgt. Es wird auf diese Weise ein Energiedurchsatz des ersten Gleichspannungswandlers erhöht. Dabei wird die Zielspannung bevorzugt auf einen vorgegebenen Grenzwert erhöht.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein teilweises Entladen einer dem Niederspannungskreis zugehörigen Batterie in Reaktion darauf erfolgt, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist. Es wird auf diese Weise in dem Niederspannungskreis ein Energiepuffer geschaffen, da die dem Niederspannungskreis zugehörige Batterie nach dem Entladen dazu bereit ist, zusätzliche Energie aufzunehmen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit benötigt wird, in den Hochvoltspeicher erfolgt, wenn dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher in einem betriebsbereiten Zustand ist. Somit ist sichergestellt, dass sowohl dem betriebsbereiten als auch in dem nicht betriebsbereiten Zustand die Energie der Brennstoffzelleneinheit abgeleitet werden kann, so diese nicht von der Antriebseinheit benötigt wird.
Ein Fahrzeug, welches die Brennstoffzelleneinheit, die Antriebseinheit und den Hochvoltspeicher umfasst, wobei die Brennstoffzelleneinheit, der Hochvoltspeicher und die Antriebseinheit mittels der erfindungsgemäßen Steuereinheit gesteuert wird, ist ebenfalls vorteilhaft. Ein solches Fahrzeug kann besonders effizient betrieben werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 ein System, welches eine erfindungsgemäß betriebene Brennstoffzelle mit der zugehörigen Steuereinheit umfasst, und
2 ein Fahrzeug, welches das in 1 gezeigte System umfasst.

1 zeigt ein System 2, welches ein Energieversorgungssystem eines Fahrzeuges 1 ist.
Das System 2 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 10. In der Brennstoffzelleneinheit 10 ist eine Brennstoffzelle 11 angeordnet, welche bei einer entsprechenden Ansteuerung eine Ausgangspannung ausgibt. Die Ausgangsspannung ist dabei eine Gleichspannung. Um eine Energieausgabe der Brennstoffzelleneinheit 10 zu erhöhen, wird der Brennstoffzelle 11 Wasserstoff zugeführt. Um eine Energieausgabe der Brennstoffzelle 11 zu verringern, wird der Brennstoffzelle 11 kein weiterer Wasserstoff hinzugeführt oder eine Zufuhr von Wasserstoff verringert. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist über einen zweiten Gleichspannungswandler 12 mit einem Zwischenkreis 30 gekoppelt. Der zweite Gleichspannungswandler 12 setzt die von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellte Ausgangsspannung in eine Hochspannung um, welche eine Betriebsspannung des Zwischenkreises ist.
Das System umfasst ferner einen Hochvoltspeicher 20. Der Hochvoltspeicher 20 ist ebenfalls mit dem Zwischenkreis 30 gekoppelt. In dem Hochvoltspeicher 20 ist zumindest eine Hochvoltbatterie 21 angeordnet, welche dazu geeignet sind, die von der Brennstoffzelleneinheit 10 ausgegebene Energie zu speichern und Energie in den Zwischenkreis 30 abzugeben, um dort die Hochspannung als Betriebsspannung aufrecht zu erhalten. Die Hochvoltbatterie 21 des Hochvoltspeichers 20 kann somit mittels der von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellten Hochspannung aufgeladen werden.
Das System umfasst ferner eine Antriebseinheit 40, welche einen Motor 41 des Fahrzeuges 1 umfasst. Die Antriebseinheit 40 ist ebenfalls mit dem Zwischenkreis 30 gekoppelt und wird über diesen mit der Hochspannung versorgt. Der in der Antriebseinheit 40 angeordnete Motor 41 kann somit mittels der in der Hochvoltbatterie 21 gespeicherten Energien betrieben werden. Dabei wird dem Motor 41 von der Antriebseinheit 40 nur dann Energie bereitgestellt, wenn ein Vortrieb des Fahrzeuges 1 gewünscht ist.
Das System 2 umfasst ferner einen Niederspannungskreis 50. In dem Niederspannungskreis 50 ist eine Niederspannung eine Betriebsspannung. Der Niederspannungskreis 50 ist in der beschriebenen Ausführungsform ein 12Volt-Gleichstromnetz des Fahrzeuges 1. Der Niederspannungskreis 50 umfasst dabei eine Batterie 51, welche eine 12Volt-Batterie ist. Die Batterie 51 kann dabei über die durch die Brennstoffzelleneinheit 10 oder den Hochvoltspeicher 20 bereitgestellte Energie aufgeladen werden. Dazu ist der Niederspannungskreis 50 mittels eines ersten Gleichspannungswandlers 60 mit dem Zwischenkreis 30 gekoppelt.
Das System 2 wird mittels einer Steuereinheit 100 gesteuert. Dazu ist die Steuereinheit 100 mit der Brennstoffzelleneinheit 10, dem Hochvoltspeicher 20, der Antriebseinheit 40 und dem ersten Gleichspannungswandler 60 gekoppelt. Ferner ist die Steuereinheit 100 mit einer Fahrzeugelektronik gekoppelt, welche der Steuereinheit 100 Fahranweisungen übermittelt, welche durch einen Fahrer des Fahrzeuges 1 bereitgestellt werden. So wird der Steuereinheit 100 beispielsweise übermittelt, wie weit ein Gaspedal des Fahrzeuges 1 von dem Fahrer durchgetreten wird. Diese Information wird der Steuereinheit 100 als ein Sollwert bereitgestellt. Der Sollwert beschreibt dabei einen Drehmoment, welcher durch den Motor 41 der Antriebseinheit 40 betrieben werden soll. Um den gewünschten Drehmoment mittels des Motors 41 bereitzustellen, muss der Motor 41 mit einer bestimmten Versorgungsspannung versorgt werden. Dies erfolgt durch die Antriebseinheit 40, wobei die dafür notwendige Energie aus dem Zwischenkreis 30 bezogen wird und somit von der Brennstoffzelleneinheit 10 in Kombination mit dem Hochvoltspeicher 20 bereitgestellt werden muss.
Dabei wird die für den Vortrieb des Fahrzeuges 1 benötigte Energie im Wesentlichen von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt. Der Hochvoltspeicher 20 dient als ein Puffer. Wird beispielsweise der Sollwert so gewählt, dass ein hoher Drehmoment von dem Motor 41 bereitgestellt wird, so steuert die Steuereinheit 100 die Brennstoffzelleneinheit 10 derart an, dass diese ausreichend Energie für den Zwischenkreis 30 bereitstellt, damit der Motor 41 mit einer entsprechenden Spannung versorgt werden kann, damit dieser wiederum den gewünschten Drehmoment liefert. Wird die dafür benötigte Energie dem Zwischenkreis 30 nicht schnell genug durch die Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt, beispielsweise durch die Trägheit der in der Brennstoffzelleneinheit 10 ablaufenden elektrochemischen Prozesse, so wird die noch zusätzlich benötigte Energie von dem Hochvoltspeicher 20 bezogen. Bei entsprechender Auslegung der Hochvoltbatterie 21 in dem Hochvoltspeicher 20 kann der Motor 41 auch zunächst ausschließlich durch den Hochvoltspeicher 20 betrieben werden, wobei die Hochvoltbatterie 21 anschließend mittels der Brennstoffzelleneinheit 10 wieder aufgeladen wird. Es erfolgt somit ein Bereitstellen der Energieversorgung für die Antriebseinheit 40 mittels einer von der Brennstoffzelleneinheit 10 und dem Hochvoltspeicher 20 bereitgestellten Energie, um die Antriebseinheit 40 basierend auf dem Sollwert zu betreiben.
Wird der Sollwert von dem Fahrer des Fahrzeuges 1 verringert, beispielsweise weil dieser eine Geschwindigkeit des Fahrzeuges 1 verringern will, so muss der Motor 41 der Antriebseinheit 40 mit einer geringeren Leistung versorgt werden und es wird weniger Energie aus dem Zwischenkreis 30 bezogen. Somit muss dem Zwischenkreis 30 weniger Energie durch die Brennstoffzelleneinheit 10 und den Hochvoltspeicher 20 bereitgestellt werden. Entsprechend steuert die Steuereinheit 100 die Brennstoffzelleneinheit 10 an, damit diese weniger Energie bereitstellt, beispielsweise indem eine Wasserstoffzufuhr zu der Brennstoffzelle 11 verringert wird. Dadurch, dass das Verringern der Wasserstoffzufuhr jedoch nicht unmittelbar, sondern erst mit einer Verzögerung zu einer verringerten Ausgabe von Energie durch die Brennstoffzelleneinheit 10 führt, diese Energie jedoch nicht der Antriebseinheit 40 bereitgestellt werden kann, da dies zu einem ungewünschten Drehmoment führen würde, wird die überschüssige Energie in dem Hochvoltspeicher 20 abgeführt und dort gespeichert.
Der Hochvoltspeicher 20 umfasst eine Batteriesteuerung 22. Durch die Batteriesteuerung 22 wird ein Funktionsstatus des Hochvoltspeichers 20 überwacht. Tritt in dem Hochvoltspeicher 20 ein Fehler auf, so wird dies durch die Batteriesteuerung 22 des Hochvoltspeichers 20 erkannt. In diesem Falle wird von der Batteriesteuerung 22 ein Fehlersignal an die Steuereinheit 100 übertragen. Dadurch wird durch die Steuereinheit 100 detektiert, dass der Hochvoltspeicher 20 sich nicht länger in einem betriebsbereiten Zustand befindet. Wird kein Fehlersignal von der Batteriesteuerung 22 an die Steuereinheit 100 übertragen, so wird detektiert, dass der Hochvoltspeicher sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet. Solange der Hochvoltspeicher 20 sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet, wird das System weiterhin so betrieben, wie zuvor beschrieben.
Wird durch die Steuereinheit 100 jedoch detektiert, dass der Hochvoltspeicher 20 sich in einem nicht betriebsbereiten Zustand befindet, so muss die Antriebseinheit ausschließlich mittels der von der Brennstoffzelleneinheit 10 in dem Zwischenkreis 30 bereitgestellten Energie betrieben werden. Dabei kann überschüssige Energie der Brennstoffzelleneinheit 10 nicht weiter in den Hochvoltspeicher 20 abgeführt werden, um dort gespeichert zu werden. Daher erfolgt erfindungsgemäß ein Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit 40 für das Bereitstellen eines bestimmten Drehmomentes benötigt wird, in den Niederspannungskreis 50 abgeleitet. Dies erfolgt somit in Reaktion darauf, dass bei dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher 20 nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
An dem Zwischenkreis 30 können auch Hochspannungsverbraucher 70 angeschlossen sein, welche ebenfalls mit der Hochspannung aus dem Zwischenkreis 30 versorgt werden. Die bei einem Ausfall des Hochvoltspeichers 20 jedoch möglicherweise von der Brennstoffzelleneinheit 10 überschüssig bereitgestellte Energie kann jedoch zumeist nicht oder nicht vollständig zu diesen Hochspannungsverbrauchern 70 abgeführt werden, da diese typischerweise einen konstanten Energieverbrauch aufweisen.
In der hier beschriebenen Ausführungsform wird eine Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers 60 in Reaktion darauf abgesenkt, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher 20 nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist. Die Zielspannung ist in dieser Ausführungsform eine Ausgangsspannung auf der Seite des Niederspannungskreises 50 des ersten Gleichspannungswandlers 60.
So wird die Zielspannung beispielsweise von 14,8 V auf 13,5 V abgesenkt, sobald die Steuereinheit 100 von der Batteriesteuerung 22 das Fehlersignal empfängt. Dadurch wird die von dem ersten Gleichspannungswandler 60 abgegebene Ausgangsspannung verringert. Dadurch, dass zumindest einige der in den Niederspannungskreis 50 angeordneten Verbraucher in Betrieb sind, die in dem Niederspannungskreis 50 angeordnete Batterie 51 jedoch aufgrund der verringerten Zielspannung nicht mehr auf ihren vollen Ladungszustand aufgeladen wird, erfolgt ein teilweises Entladen der in dem Niederspannungskreis 50 angeordneten Batterie 51. Dadurch wird in der Batterie 51 zusätzliche Kapazität bereitgestellt, um Energie zu speichern. Dies erfolgt in Reaktion auf das Absenken der Zielspannung und somit auch in Reaktion darauf, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher 20 nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist. Die Zielspannung wird dabei somit zunächst abgesenkt. Dies steht jedoch nicht in einem Widerspruch dazu, dass die Zielspannung durch ein späteres Regeln des ersten Gleichspannungswandlers 60, um Energie von der Brennstoffzelleneinheit abzuführen, im Folgenden auf andere Werte geregelt wird.
Es wird nun beispielhaft eine Situation angenommen, in welcher der Fahrer des Fahrzeuges 1 den Sollwert verringert, indem dieser einen Druck auf das Gaspedal des Fahrzeuges 1 verringert. Durch das Verringern des Sollwertes wird angefordert, dass der Motor 41 ein verringertes Drehmoment bereitstellt. Es muss somit von der Brennstoffzelleneinheit 10 weniger Energie für den Zwischenkreis 30 bereitgestellt werden. Daher wird durch die Steuereinheit 100 eine Wasserstoffzufuhr zu der Brennstoffzelle 11 verringert. Die Brennstoffzelleneinheit 10 reagiert jedoch mit einer Verzögerung auf das Verringern der Wasserstoffzufuhr und stellt somit zunächst zu viel Energie bereit.
Dies führt dazu, dass eine Spannung in dem Zwischenkreis 30 ansteigt, wenn von der Brennstoffzelle 11 Energie bereitgestellt wird, die nicht von dem Motor 41 benötigt wird. Der erste Gleichspannungswandlers 60 ist über den Zwischenkreis 30 mit der Brennstoffzelleneinheit 10 gekoppelt. Um die von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellten Energie aus dem Zwischenkreis 30 abzuleiten, welche nicht von dem Motor 41 benötigt wird, erfolgt ein Regeln des ersten Gleichspannungswandlers 60, um die Spannung in dem Zwischenkreis 30 auf einem vorgegebenen Spannungswert zu halten. Die in dem Zwischenkreis 30 vorliegende Spannung ist somit eine Eingangsgröße eines Regelkreises, durch den der Gleichspannungswandler 60 geregelt wird. Die von dem ersten Gleichspannungswandler 60 in den Niederspannungskreis 50 abgeführte Energie kann dabei variieren, da der erste Gleichspannungswandler 60 die Spannung in dem Zwischenkreis 30 durch Energieentnahme auf einen konstanten Wert regelt.
Alternativ oder zusätzlich wird ermittelt, wie hoch dieser Überschuss an Energie ist, indem ein Ermitteln erfolgt, welcher Betrag die von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellte Energie aufweist, welche nicht von der Antriebseinheit 40 benötigt wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass das gewünschte Drehmoment der Antriebseinheit 40, beispielsweise mittels des Sollwerts, und die von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellte Ausgangsspannung betrachtet wird. Ist die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 10 hoch, so stellt diese mehr Energie bereit, als wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 10 niedrig ist. Mittels des Sollwertes und der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 10 kann somit eine Betrachtung erfolgen, in welcher ermittelt wird, wieviel Energie von der Antriebseinheit 40 benötigt wird und wieviel Energie von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt wird. Dabei wird zudem berücksichtigt, welche Energie von den Hochspannungsverbrauchern 70 bezogen wird. Die Differenz zwischen der von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellten Energie und der von der Antriebseinheit 40 und den Hochspannungsverbrauchern 70 benötigen Energie ist die Energie, welche von der Antriebseinheit 40 nicht benötigt wird und somit überschüssig ist. Diese Energie wird durch ein entsprechendes Regeln des ersten Gleichspannungswandlers 60 in den Niederspannungskreis 50 abgeführt. Ziel ist es auch hier, die Spannung in dem Zwischenkreis auf einem vorgegebenen Spannungswert zu halten. Es wird somit ein Regelkreis geschaffen, in welchem eine Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers 60 abhängig von dem Sollwert und somit abhängig von dem durch den Motor 41 bereitgestellten Drehmoment und der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 10 erfolgt.
Es steigt somit die Spannung in dem Niederspannungskreis 50 an, wenn Energie aus dem Zwischenkreis 30 abgeführt wird. Da der erste Gleichspannungswandler 60 ebenfalls von der Brennstoffzelleneinheit 10 versorgt wird, wird somit Energie von der Brennstoffzelleneinheit 10 abgeleitet. Wie schnell und in welchem Ausmaß das Ableiten der Energie erfolgt, ist dabei abhängig von der Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers 60.
Wird von der Batteriesteuerung 22 kein Fehlersignal mehr ausgegeben, so kehrt die Steuereinheit 100 zurück zu einem regulären Betriebsmodus. In diesem regulären Betriebsmodus können ebenfalls Situationen auftreten, in welchen die Brennstoffzelleneinheit 10 mehr Energie bereitstellt, als von dem Motor 41 der Antriebseinheit 40 benötigt wird. In dem regulären Betriebsmodus erfolgt das Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit 40 benötigt wird, jedoch in den Hochvoltspeicher 20. Das bedeutet, dass in dem regulären Betriebsmodus die Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers 60 konstant gehalten wird.
Wird das System 2 in einem regulären Zustand betrieben, ist daher die Zielspannung zunächst hoch. Gleichzeitig wird der Zwischenkreis und somit die Antriebseinheit 40 und evtl. weitere Verbraucher mittels zweier Leistungsquellen, also mittels der Brennstoffzelleneinheit 10 und dem Hochvoltspeicher 20 betrieben. Kommt es zu einem Ausfall des Hochvoltspeichers 20, so geht das System 2 in einen Modus über, in dem dieses ohne den Hochvoltspeicher 20 betrieben wird. Dabei wird zunächst ein Energieaufnahmepuffer durch die Batterie 51 des Niederspannungskreises 50 geschaffen, indem die Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers 60 verringert wird. Gleichzeitig wird durch die Brennstoffzelleneinheit 10 bzw. durch den zweiten Gleichspannungswandler 12 in dem Zwischenkreis 30 die für die Antriebseinheit 40 benötigte Energie so geregelt, dass diese ausschließlich durch die Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt wird. Über die Zeit entleert sich die Batterie 51 und es entsteht ein Energiepuffer zur Leistungsaufnahme. Wird ein Sollwert durch den Fahrer gesetzt, also ein Antriebswunsch des Fahrers bereitgestellt, so ist dieser in diesem Zustand durch die langsame Reaktionszeit der Brennstoffzelleneinheit 10 nur sehr ungenau zu regeln. Es gibt somit eine Abweichung im Zwischenkreis 30 zwischen verfügbarer Energie und zur Ausführung des Fahrerwunsches benötigter Energie. Dies könnte beispielsweise zu einem ungewollten Spannungsanstieg in dem Zwischenkreis 30 führen. Es erfolgt daher ein Energieausgleich durch Abgabe von Energie auf die Niedervoltseite, also in den Niederspannungskreis 50. Dies erfolgt durch das Erhöhen der Zielspannung. Es ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren, dass der Zwischenkreis 30 in seiner Spannung stabil bleibt und gleichzeitig ein Fahrerwunsch korrekt erfüllt werden kann.
Ist die Hochvoltbatterie 21 ausgefallen, so muss die Brennstoffzelle 11 zusammen mit dem zwischengeschalteten zweiten Gleichspannungswandler 12 und der Antriebseinheit 10 als in der Regel größten Hochvoltverbraucher für eine zulässige Spannungslage in dem Zwischenkreis 30 sorgen.
Die Ansteuerung der Brennstoffzelle 11 erfolgt weiterhin über eine Sollleistung, die sich wie unter „Stand der Technik“ geschrieben bestimmt. Die Antriebseinheit 10 soll in diesem Systemzustand eine Zielspannung einregeln. Daraus ergibt sich bei einer fixen im System verfügbaren Leistungsmenge ein umgesetztes Moment der Antriebseinheit 10. Aus den Fahrfunktionen wird der Antriebseinheit 10 mittels des Sollwertes ein Soll-Moment kommuniziert, welches Anforderungen hinsichtlich Fahrbarkeit gerecht wird. Zwischen dem Moment aus der Spannungsregelung und dem fahrbaren Soll-Moment kann es ein Delta geben. Dieses Delta kann mit dem ersten Gleichspannungswandler 60 zur 12-Volt-Seite ausgeglichen werden.
Über eine DC/DC-Leistungslimitierung auf der Niedervoltseite und dadurch bewusste Unterversorgung in der Niedervoltspeicher Zielspannung entsteht der benötigte Puffer zur Leistungsaufnahme für einen Ausgleich des Momentendeltas.
Nebst oben stehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 und 2 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: System
10: Brennstoffzelleneinheit
11: Brennstoffzelle
12: zweiter Gleichspannungswandler
20: Hochvoltspeicher
21: Hochvoltbatterie
22: Batteriesteuerung
30: Zwischenkreis
40: Antriebseinheit
41: Motor
50: Niederspannungskreis
51: Batterie
60: erster Gleichspannungswandler
70: Hochspannungsverbraucher
100: Steuereinheit

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (11) in einem Fahrzeug (1), umfassend: - Bereitstellen einer Energieversorgung für eine Antriebseinheit (40) mittels einer von einer Brennstoffzelleneinheit (10) und einem Hochvoltspeicher (20) bereitgestellten Energie, um die Antriebseinheit (40) basierend auf einem Sollwert zu betreiben, - Detektieren, ob der Hochvoltspeicher (20) sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet, und - Ableiten einer von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, in einen Niederspannungskreis (50) in Reaktion darauf, dass bei dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln erfolgt, welchen Betrag die von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie aufweist, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, basierend auf einem gewünschten Drehmoment der Antriebseinheit (40) und einer von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Ausgangsspannung.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungskreis (50) mittels eines ersten Gleichspannungswandlers (60) mit der Brennstoffzelleneinheit (10) gekoppelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (60) über einen Zwischenkreis (30) mit der Brennstoffzelleneinheit (10) gekoppelt ist, wobei bei dem Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie ein Regeln des ersten Gleichspannungswandlers (60) erfolgt, um eine Spannung in dem Zwischenkreis (30) auf einem vorgegebenen Spannungswert zu halten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zielspannung des Gleichspannungswandlers (60) in Reaktion darauf abgesenkt wird, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, durch ein Erhöhen einer Zielspannung des ersten Gleichspannungswandlers (60) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein teilweises Entladen einer dem Niederspannungskreis (50) zugehörigen Batterie (51) in Reaktion darauf erfolgt, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableiten der von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellten Energie, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, in den Hochvoltspeicher (20) erfolgt, wenn bei dem Detektieren erkannt wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Steuereinheit (100) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (11) in einem Fahrzeug (1), wobei die Steuereinheit (100) dazu eingerichtet ist, - ein Bereitstellen einer Energieversorgung für eine Antriebseinheit (40) mittels einer von einer Brennstoffzelleneinheit (10) und einem Hochvoltspeicher (20) bereitgestellten Energie zu steuern, um die Antriebseinheit (40) basierend auf einem Sollwert zu betreiben, - zu detektieren, ob der Hochvoltspeicher (20) in einem betriebsbereiten Zustand ist, und - eine von der Brennstoffzelleneinheit (10) bereitgestellte Energie, welche nicht von der Antriebseinheit (40) benötigt wird, in einen Niederspannungskreis (50) in Reaktion darauf abzuleiten, dass detektiert wurde, dass der Hochvoltspeicher (20) nicht in einem betriebsbereiten Zustand ist.
Fahrzeug (1), umfassend eine Brennstoffzelleneinheit (10), einen Hochvoltspeicher (20) und eine Antriebseinheit (40), wobei die Brennstoffzelleneinheit (10), der Hochvoltspeicher (20) und die Antriebseinheit (40) mittels der Steuereinheit (100) gemäß Anspruch 9 gesteuert werden.