DE102018202084A1

DE102018202084A1 - Elektrisches Energiesystem mit Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102018202084A1
Application number: DE102018202084.1A
Authority: DE
Inventors: Martin BREU; Maximilian Schiedermeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2019-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.
In einem Brennstoffzellenfahrzeug ist es üblich, die Brennstoffzelle (BZ) als Energielieferant über einen Hochvolt-Gleichstromwandler (HV-DC/DC-Wandler) an den Traktions-Zwischenkreis mit der HV-Batterie anzubinden, an die die Pulswechselrichter (PWR) mit den Traktionsmaschinen (Elektromotoren) angeschlossen sind. Dies ist nötig, da die Spannung der Brennstoffzelle stark von dem aus der Brennstoffzelle gelieferten Strom abhängt. Die Spannung der Brennstoffzelle ist je kleiner je mehr Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Durch den DC/DC-Wandler kann dieser Effekt kompensiert und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (Brennstoffzelle plus DC/DC-Wandler) auf konstantem Niveau gehalten werden.
Um das System kostengünstiger und bauraumfreundlicher zu gestalten, kann der DC/DC-Wandler durch eine Diode ersetzt werden. In diesem Fall sperrt die Diode, wenn die Spannung der HV-Batterie höher ist als die Spannung der Brennstoffzelle. Wird die Batterie belastet, so sinkt deren Spannung. Sinkt die Spannung unter den Wert der Brennstoffzellenspannung, so wird die Diode leitend und die Brennstoffzelle unterstützt den Traktionskreis.
Aus der DE 199 32 781 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Versorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, das eine Batterie, einen elektrischen Verbraucher und ein Brennstoffzellenaggregat umfasst, mit elektrischer Energie bekannt. Die Schaltungsanordnung weist eine zwischen die Batterie und das Brennstoffzellenaggregat geschaltete Diode auf. Das Brennstoffzellenaggregat wird bei Unterschreiten einer voreinstellbaren Batterie-Spannungsgrenze und/oder bei Überschreiten einer voreinstellbaren Bordnetzlast aktiviert und bei Überschreiten einer voreinstellbaren Batterie-Spannungsgrenze deaktiviert.
Die Verwendung einer einfachen Diode zur Verbindung der Brennstoffzelle mit den restlichen HV-Komponenten und der HV-Batterie hat aber den Nachteil, dass die Leistungsverteilung zwischen Brennstoffzelle und HV-Batterie nicht mehr kontrolliert werden kann, wodurch sich Einschränkungen bei der Betriebsstrategie ergeben. Beispielsweise ist es nicht mehr möglich, den Brennstoffvorrat der Brennstoffzelle zu schonen, wenn beispielsweise eine Kurzstrecke zurückgelegt werden soll, der vorhandene Energieinhalt der Batterie ausreichend ist und am Ziel der Fahrt eine Lademöglichkeit für die Batterie besteht.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die DE 10 2014 224 890 A1 offenbart ein Betriebssteuerverfahren und ein Betriebssteuersystem für ein Brennstoffzellen-System mit einem Brennstoffzellenstapel. Stellt das Betriebssteuersystem einen Wassermangel im Brennstoffzellenstapel fest, wird ein Regenerationsfahrmodus durchgeführt, bei dem eine Luftmenge, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, reduziert wird.
Aus der DE 10 2015 225 281 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems hervor, um einen momentanen Ausgang eines Brennstoffzellensystems zu verbessern und eine Leistungsabweichung zwischen Brennstoffzellen zu verringern. Die Vorrichtung reduziert dazu vorübergehend die Zellenspannung einzelner Brennstoffzellen durch Reduktion der Luftzufuhr zur Kathode der Brennstoffzelle und verringert so die Leistungsabweichung zwischen den Brennstoffzellen.
Erfindungsgemäß wird die Veränderung der u/i-Kennlinie der Brennstoffzelle bei Verringerung der Luftzufuhr zur Steuerung der Leistungsverteilung zwischen Brennstoffzelle und HV-Batterie genutzt. Durch die Verringerung der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle kann die Leistungsaufteilung zwischen HV-Batterie und Brennstoffzelle so verschoben werden, dass ein höherer Leistungsanteil von der HV-Batterie erbracht wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens eine HV-Batterie. Zwischen Brennstoffzelle und HV-Batterie ist eine Diode geschaltet, die Strom von der Brennstoffzelle nur dann durchlässt, wenn deren Spannung höher ist als die Spannung der HV-Batterie.
Erfindungsgemäß wird die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle an das Energiesystem durch die Regelung der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle gesteuert, also der Leistungsfluss aus der Brennstoffzelle in den HV-Kreis durch die Regelung der Luftzufuhr beeinflusst.
In einer Ausführungsform wird durch Reduktion der Luftmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, das Gefälle der u/i-Kennlinie der Brennstoffzelle erhöht. Durch die Regelung der Luftzufuhr der Brennstoffzelle kann deren u/i-Kennlinie beeinflusst werden, ohne dem System nachhaltigen Schaden zuzufügen. Durch Luftmangel im Brennstoffzellensystem wird die Spannung der Brennstoffzelle bei höheren Strömen stärker reduziert als bei optimaler Luftversorgung. Die unbelastete Freilaufspannung der Brennstoffzelle wird von der Luftzufuhrmenge nicht beeinflusst. Die Spannung wird bei gleichem Strom und zunehmend reduzierter Luftmenge immer kleiner. Exemplarische u/i-Kennlinien einer Brennstoffzelle bei verschiedenen Luftzufuhrmengen sind in 1 dargestellt. Wie zu erkennen ist, wird bei gleichem Strom die Spannung immer kleiner, wenn die zugeführte Luftmenge stärker reduziert wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die der Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge um bis zu 100% reduziert, bezogen auf die im Normalbetrieb zugeführte Luftmenge (100%). In einer anderen Ausführungsform wird die Luftmenge um bis zu 90% reduziert, in einer weiteren Ausführungsform um bis zu 75%, in einer anderen Ausführungsform um bis zu 50%.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für eine vorgegebene Leistungsabgabe des Energiesystems der Anteil HV-Batterie an der Leistungsabgabe erhöht und der Anteil der Brennstoffzelle verringert. In einer Betriebssituation, in der sowohl die Brennstoffzelle als auch die HV-Batterie Leistung abgeben an Verbraucher, die an das Energiesystem angeschlossen sind, wird durch Verringerung der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle deren Leistungsabgabe reduziert und damit der Anteil der HV-Batterie an der vom Energiesystem erbrachten Gesamtleistung erhöht.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählt die Schaffung eines zusätzlichen Freiheitsgrades für die Betriebsstrategie von Brennstoffzelle und HV-Batterie. Weiterhin kann durch den Betrieb der Brennstoffzelle mit reduzierter Luftmenge Platinoxid wieder zurück in Platin umgewandelt werden, was einen „heilenden“ Effekt auf die Brennstoffzelle hat und deren Lebensdauer verlängert.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Energiesystem für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; eine zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordnete Diode, welche Stromfluss nur in der Richtung von der mindestens eine Brennstoffzelle zu der mindestens einen HV-Batterie zulässt; und ein Steuergerät, das dafür eingerichtet ist, die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge zu regeln.
In einer Ausführungsform des Energiesystems ist das Steuergerät dafür eingerichtet, die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge um bis zu 100% zu reduzieren, bezogen auf die im Normalbetrieb zugeführte Luftmenge (100%). In einer anderen Ausführungsform ist das Steuergerät dafür eingerichtet, die Luftmenge um bis zu 90% zu reduzieren, in einer weiteren Ausführungsform um bis zu 75%, in einer anderen Ausführungsform um bis zu 50%. Durch die Verringerung der Luftzufuhrmenge kann die Leistungsaufteilung zwischen HV-Batterie und Brennstoffzelle zu höheren Leistungsanteilen aus der HV-Batterie hin verschoben werden.
In einer Ausführungsform des Energiesystems regelt das Steuergerät die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge durch Steuerung eines Luftverdichters. In einer weiteren Ausführungsform verringert das Steuergerät die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge durch eine Absenkung der Drehzahl des Luftverdichters. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass durch die verringerte Leistungsaufnahme des Luftverdichters die Energieverluste bei der Luftbereitstellung reduziert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Antriebssystems und die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform des Energiesystems regelt das Steuergerät die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge über ein System aus Bypässen, Ventilen und Drosseln.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 u/i-Kennlinien einer exemplarischen Brennstoffzelle bei Zufuhr unterschiedlicher Luftmengen;
2 u/i-Kennlinien einer exemplarischen Brennstoffzelle bei Zufuhr unterschiedlicher Luftmengen und einer exemplarischen HV-Batterie bei unterschiedlichen Ladezuständen;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern.

1 zeigt u/i-Kennlinien einer exemplarischen Brennstoffzelle (11) bei Zufuhr unterschiedlicher Luftmengen, nämlich 100%, was dem Normalbetrieb entspricht, 50%, 25% und 10% der im Normalbetrieb zugeführten Luftmenge. Wie zu erkennen ist, wird bei gleichem Strom die Spannung immer kleiner, wenn die zugeführte Luftmenge stärker reduziert wird. Die Spannung bricht bei sehr großen Strömen und sehr geringen Luftmengen auf wenige Volt ein. Dieser Bereich ist aber für den Fahrzeugeinsatz ungeeignet. Im Bereich kleinerer Ströme kann die Spannung aber sehr gut auf nutzbare Werte eingestellt werden.
2 zeigt relativ zueinander optimierte u/i-Kennlinien einer exemplarischen Brennstoffzelle bei Zufuhr unterschiedlicher Luftmengen, nämlich 100%, was dem Normalbetrieb entspricht, 50%, 25% und 10% der im Normalbetrieb zugeführten Luftmenge; sowie einer exemplarischen HV-Batterie bei unterschiedlichen Ladezuständen, nämlich bei vollem Ladezustand (SOC), mittlerem SOC, und leerem SOC.
In einem Energiesystem mit den in 2 dargestellten Kennlinien lassen sich folgende Betriebszustände realisieren:

• Bei voll geladener HV-Batterie (HV-Batterie mit hohem SOC) wird, wenn keine bzw. geringe Antriebsleistung angefordert ist, die volle Antriebsleistung aus der HV-Batterie bezogen;
• Ist hohe Antriebsleistung angefordert, wird ein Großteil der Antriebsleistung aus der HV-Batterie bezogen und ein kleiner Teil wird über die Diode aus der Brennstoffzelle bezogen;
• Bei teilweise entladener HV-Batterie (HV-Batterie mit mittlerem SOC) wird, wenn keine bzw. geringe Antriebsleistung angefordert ist, ein gewisser Anteil der Antriebsleistung aus der Brennstoffzelle über die Diode bezogen, der restliche Anteil der Antriebsleistung direkt aus der HV-Batterie. Die Leistungsaufteilung in diesem Betriebsmodus wird sich auf Grund des hohen Gradienten der u/i-Kennlinie der Brennstoffzelle in diesem Bereich sehr dynamisch entwickeln;
• Ist hohe Antriebsleistung angefordert, wird ein gewisser Teil der Antriebsleistung über die Diode aus der Brennstoffzelle bezogen, ein Großteil der Antriebsleistung wird aus der HV-Batterie bezogen;
• Bei fast vollständig entladener HV-Batterie (HV-Batterie mit leerem SOC) wird, wenn keine bzw. geringe Antriebsleistung angefordert ist, die volle Antriebsleistung über die Diode aus der Brennstoffzelle bezogen. Zusätzlich wird entsprechend den u/i-Kennlinien die HV-Batterie über die Diode aus der Brennstoffzelle geladen;
• Wird hohe Antriebsleistung angefordert, wird nahezu die volle Antriebsleistung über die Diode aus der Brennstoffzelle bezogen. Ein kleiner Teil der Antriebsleistung wird direkt aus der HV-Batterie bezogen.

Durch die Verringerung der Luftzufuhrmenge kann die Leistungsaufteilung zwischen HV-Batterie und Brennstoffzelle hin zu höheren Leistungen aus der HV-Batterie verschoben werden, da dann die Spannung der Brennstoffzelle bei Zunahme des Stroms schnell abfällt und unter das Spannungsniveau der HV-Batterie sinkt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit angeschlossenen Verbrauchern, nämlich Pulswechselrichtern 14 und Elektromotoren 15. Es können noch weitere Verbraucher angeschlossen sein, die in 3 nicht dargestellt sind, z.B. Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc.
Das Energiesystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 11 und mindestens eine HV-Batterie 12, die den HV-Stromkreis bilden. Zwischen ihnen ist eine Diode 13 angeordnet, die Strom nur in Richtung von der Brennstoffzelle 11 zur HV-Batterie 12 passieren lässt. An den HV-Stromkreis ist ein Steuergerät 16 angeschlossen, das einen Luftverdichter 17 steuert, welcher der Brennstoffzelle 11 Luft zuführt. Das Steuergerät 16 ist dafür eingerichtet, die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle zu reduzieren, wenn der Anteil der von der Brennstoffzelle 11 an der vom Energiesystem 10 abgegebenen Gesamtleistung verringert werden soll, um weniger Brennstoff zu verbrauchen und so die Brennstoffreserven, z.B. den Füllstand in einem Wasserstofftank, zu schonen.
Die Verringerung der Luftzufuhrmenge kann einfach durch eine Absenkung der Drehzahl des Luftverdichters 17 erreicht werden. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass durch die verringerte Leistungsaufnahme des Luftverdichters 17 die Verluste bei der Luftbereitstellung reduziert werden können.
Bezugszeichenliste

10: Energiesystem
11: Brennstoffzelle (BZ) 11
12: HV-Batterie
13: Diode
14: Pulswechselrichter (PWR)
15: Elektromotor (EM)
16: Steuergerät
17: Luftverdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19932781 A1 [0004]
DE 102014224890 A1 [0008]
DE 102015225281 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (11) und mindestens einer HV-Batterie (12), zwischen die eine Diode (13) geschaltet ist, bei dem die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle (11) an das Energiesystem (10) durch die Regelung der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle (11) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin durch Reduktion der Luftmenge, die der Brennstoffzelle (11) zugeführt wird, das Gefälle der u/i-Kennlinie der Brennstoffzelle (11) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin für eine vorgegebene Leistungsabgabe des Energiesystems (10) der Anteil HV-Batterie (12) an der Leistungsabgabe erhöht und der Anteil der Brennstoffzelle (11) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die der Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge um bis zu 100% reduziert wird, bezogen auf die im Normalbetrieb zugeführte Luftmenge.
Energiesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (11); mindestens eine HV-Batterie (12); eine zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der mindestens einen HV-Batterie (12) angeordnete Diode (13), welche Stromfluss nur in der Richtung von der mindestens eine Brennstoffzelle (11) zu der mindestens einen HV-Batterie (12) zulässt; und ein Steuergerät (16), das dafür eingerichtet ist, die der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge zu regeln.
Energiesystem (10) nach Anspruch 5, bei dem das Steuergerät (16) dafür eingerichtet ist, die der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge um bis zu 100% zu reduzieren, bezogen auf die im Normalbetrieb zugeführte Luftmenge.
Energiesystem (10) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Steuergerät (16) die der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge durch Steuerung eines Luftverdichters (17) regelt.
Energiesystem (10) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Steuergerät (16) die der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge durch eine Absenkung der Drehzahl des Luftverdichters (17) reduziert.
Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das Steuergerät (16) die der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zugeführte Luftmenge durch ein System aus Bypässen, Ventilen und Drosseln reduziert.