DE102018209434A1

DE102018209434A1 - Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102018209434A1
Application number: DE102018209434.9A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Michael Brechter
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug (1) zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit einer Mehrzahl den Baugruppen der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zugeordneten Sensoren zur Überwachung des Betriebszustandes der Baugruppen und der Einhaltung von den jeweiligen Baugruppen zugeordneten Grenzwerten, umfassend den Verfahrensschritt der Reduktion der Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges (1) bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes bzw. Unterschreiten eines unteren Grenzwertes. Anhand von Daten eines Navigationssystems und/oder eines Fahrassistenzsystems und/oder eines Umgebungsüberwachungssystems wird eine Prädiktion über zukünftige Leistungsanforderungen in einem vorbestimmten Zeitfenster getroffen, wobei die durch die Sensoren überwachten Baugruppen so betrieben werden, dass die Verletzung eines Grenzwertes vermieden und/oder die erforderliche Leistungsreduktion gemildert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl den Baugruppen der Brennstoffzellenvorrichtung zugeordneten Sensoren zur Überwachung des Betriebszustandes der Baugruppen und der Einhaltung von den jeweiligen Baugruppen zugeordneten Grenzwerten, umfassend den Verfahrensschritt der Reduktion der Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeuges bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes bzw. Unterschreiten eines unteren Grenzwertes. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Um schädliche Betriebszustände der Brennstoffzellenvorrichtung erkennen und vermeiden zu können, die die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung oder deren Effizienz einschränken, werden mittels der Sensoren engmaschig die Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung überwacht. Ergibt sich dabei, dass die Gefahr besteht, dass ein Grenzwert verletzt wird, wird die Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung reduziert. Dies ist allerdings aufgrund von deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug nachteilig und kann die Verkehrssicherheit negativ beeinflussen, wenn beispielsweise bei einem Überholvorgang auf einer Landstraße der Geschwindigkeitsüberschuss des Überholenden reduziert wird, also der Überholvorgang sich verlängert und die erforderliche Strecke für den Überholvorgang auf der Gegenspur sich erhöht, weil eine Leistungsreduktion wegen einer Verletzung eines Grenzwertes erfolgt.
Aus der DE 101 11 562 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines lastabhängigen Stromerzeugungssystems in einem Fahrzeug bekannt, bei dem eine Auswertung aktueller Fahrpedalbewegungen erfolgt, um eine vorausschauende Berechnung des Leistungssollwertes zu ermöglichen und dem Stromerzeugungssystem mehr Zeit für die Erzeugung des Antriebsstromes zu verschaffen. Es wird angestrebt, dass die Berücksichtigung der Fahrpedalbewegung zu einer Verbesserung der Dynamik gegenüber Verfahren führt, die nur die Fahrpedalstellung heranziehen.
Die DE 10 2010 062 379 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei mehrere Antriebsparameter vorausschauend ermittelt werden unter Berücksichtigung von Informationen, die beispielsweise einem Navigationssystem oder einem Sicherheitssystem entnommen werden.
Die EP 2 214 239 A1 beschreibt eine vorausschauende Regelung der Prozesswasserversorgung für ein Reformer-Brennstoffzellensystem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile für den Betrieb eines Kraftfahrzeuges durch eine Leistungsreduktion infolge der Verletzung eines Grenzwertes zu vermeiden oder zumindest zu mindern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die in dem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Daten ausgenutzt werden, um eine Prädiktion über zukünftige Leistungsanforderungen in einem vorbestimmten Zeitfenster zu treffen. Anhand der Daten des Navigationssystems kann es beispielsweise aufgrund der Fahrstrecke zu dem angestrebten Ziel bekannt sein, dass demnächst ein Wechsel aus dem städtischen Bereich auf eine Landstraße oder von einer Landstraße auf eine Autobahn erfolgt und sich dadurch die Leistungsanforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung ändern. Informationen des Umgebungsüberwachungssystems können beispielsweise durch den Regensensor anzeigen, dass es regnet und insoweit für die Scheibenwischanlage und gegebenenfalls für die Lüftung mit dem Gebläse ein erhöhter Energiebedarf ansteht; auch die Temperatur der Umgebung kann anzeigen, dass ein erhöhter Heizungs- oder Kühlungsbedarf besteht. Wenn es aber bekannt ist, dass demnächst die Leistungsanforderung erhöht wird und die Gefahr besteht, dass dadurch die Verletzung mindestens eines Grenzwertes einer Baugruppe droht, dann kann die Betriebsweise der Baugruppen insgesamt so modifiziert werden, dass die Verletzung des Grenzwertes vermieden und/oder die erforderliche Leistungsreduktion gemildert wird oder zumindest zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die vom Nutzer des Kraftfahrzeuges gewählte Fahrdynamikeinstellung und/oder die vom Nutzer in zurückliegenden Zeitfenstern genutzte Fahrdynamik in die Prädiktion einbezogen wird. Der Fahrstil des Nutzers und die gewählte Fahrdynamikstellung, also beispielsweise ein Sportmodus, geben wertvolle Hinweise, die zur Steigerung der Verlässlichkeit der Prädiktion genutzt werden können.
Als zweckmäßig hat sich weiterhin erwiesen, wenn die durch Sensoren überwachten Baugruppen ausgewählt sind aus einer Menge, die mindestens einen Elektromotor, mindestens einen Akkumulator, den Verdichter, den Befeuchter, den Ladeluftkühler, den Brennstoffzellenstapel, das Kühlmittelsystem, mindestens einen Tank für die Reaktanten umfasst. Ergibt sich damit beispielsweise durch die Prädiktion, dass die Verletzung eines dem Befeuchter zugeordneten Grenzwertes droht, besteht die Möglichkeit, auf den Betrieb des Verdichters einzuwirken, um die Belastung des Befeuchters zu mildern, um so einen größeren Abstand des von dem Sensor erfassten Istwertes von dem Grenzwert zu erzielen.
Erfahrungsgemäß hat sich gezeigt, dass die Temperatur ein guter Parameter ist, um den Betriebszustand einer Baugruppe charakterisieren zu können, so dass die Temperaturen der Baugruppen durch die zugeordneten Sensoren überwacht werden.
Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn das Leistungsreservoir mindestens einer der Baugruppen bis zum Erreichen eines Grenzwertes ausgenutzt wird, um eine Verletzung des Grenzwertes einer der anderen Baugruppen zu vermeiden. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird ein komplexes Gesamtsystem betrachtet, bei dem zu unterschiedlichen Zeitpunkten die individuellen Leistungsgrenzen, charakterisiert durch die Grenzwerte, erreicht werden, so dass bestehende Leistungsreserven im Sinne einer gegenseitigen Unterstützung der Baugruppen ausgenutzt werden können, um einen Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung innerhalb des Normbereiches zu ermöglichen. Ergibt beispielsweise die Überwachung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels mittels des zugeordneten Sensors, nämlich einem Thermometer, dass eine Überschreitung des oberen Grenzwertes droht, so kann das Kühlmittelsystem für eine erhöhte Wärmeabfuhr genutzt werden, solange keine Überschreitung des dem Kühlmittelsystem zugeordneten Grenzwertes droht.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass bei einer im Rahmen der Prädiktion vorhergesagten erhöhten Leistungsanforderung der Abstand des durch den Sensor mindestens einer der Baugruppen gemessen Istwertes von dem Grenzwert erhöht wird, um bei dem aktuellen Vorliegen der erhöhten Leistungsanforderungen einen größeren Abstand zu dem Grenzwert auszunutzen. Wenn also im Rahmen der Prädiktion erkannt wird, dass bei einer Baugruppe die Verletzung des Grenzwertes droht, kann bereits vorbeugend ein angepasster Systembetrieb eingestellt werden, dass sich der durch den Sensor erfasste Parameter so verändert, dass sich der Abstand zu dem Grenzwert erhöht. Um erneut das Beispiel der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel aufzugreifen, kann beispielsweise die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel durch einen verstärkten Einsatz des Kühlmittelsystems gesenkt werden, um bei der zu erwartenden späteren erhöhten Leistungsanforderung eine größere Erhöhung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.
Außerdem besteht die Möglichkeit, dass bei einer im Rahmen der Prädiktion vorhergesagten erhöhten Leistungsanforderung mit erwartbarer Verletzung eines Grenzwertes die erforderliche Leistungsreduktion früher, also vor der tatsächlichen, durch den Sensor festgestellten Verletzung des Grenzwertes, begonnen und gleichmäßiger durchgeführt wird. Dies hat für die Nutzung des Kraftfahrzeuges den Vorteil, dass kein plötzlicher und großer Leistungsabfall vorliegt, sondern lediglich eine schleichende Modifikation, die gegebenenfalls sogar unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des Nutzers verbleiben kann.
Günstig ist auch, dass bei einer erforderlichen Leistungsreduktion der Brennstoffzellenvorrichtung mittels eines Steuergerätes eine Optimierung der Leistungsaufteilung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Akkumulator zur Versorgung des Elektromotors vorgenommen wird.
Zu beachten ist weiterhin, dass eine Maximierung der Effizienz als Optimierungsziel bei dem Betreiben der Baugruppen berücksichtigt werden kann.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, deren Baugruppen mittels Sensoren bezüglich der Einhaltung von Grenzwerten überwacht werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Auswertung der Sensordaten und Prädiktion zukünftiger Leistungsanforderungen vorgesehen ist, mit dem die durch die Sensoren überwachten Baugruppen so betreibbar sind, dass die Verletzung eines Grenzwertes vermieden und/oder eine erforderliche Leistungsreduktion gemildert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 die zeitabhängige Darstellung der Temperatur des Kühlmittels (T_KM in Grad Celsius [°C]) und der zur Verfügung stehenden Leistung (P in Kilowatt [KW]) unter Ausnutzung der Prädiktion im Vergleich zur bloßen Berücksichtigung der Istwerte, und
2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.

Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 verfügt über eine Brennstoffzellenvorrichtung 2 mit den zum Betreiben des Kraftfahrzeuges 1 und der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erforderlichen Baugruppen, nämlich mindestens einem Elektromotor 3 und mindestens einem Akkumulator 4, sowie einem Verdichter 5, einem Befeuchter 6, einem Ladeluftkühler 7 sowie einem Brennstoffzellenstapel 8 sowie einem zugeordneten Kühlmittelsystem 9. Des Weiteren ist mindestens ein Tank für die Reaktanten erforderlich, nämlich der Tank für das Brenngas, in der Regel Wasserstoff, während das Kathodengas der Umgebungsluft entnommen werden kann. Jeder Baugruppe ist mindestens ein Sensor zur Überwachung von deren Betriebsparameter zugeordnet, und zwar zumindest ein Sensor zur Überwachung der Temperatur. Es liegt ein Steuergerät 10 zur Auswertung der Sensordaten vor, das auch genutzt wird, eine Prädiktion zukünftiger Leistungsanforderungen abzugeben unter Auswertung von Daten, die einem Navigationssystem und/oder einem Fahrassistenzsystem und/oder einem Umgebungsüberwachungssystem entnommen werden.
Mit der so erstellten Prädiktion wird durch das Steuergerät 10 die Nutzung der Baugruppen so betrieben, dass die Verletzung eines der jeweiligen Baugruppe zugeordneten Grenzwertes vermieden wird, um zu vermeiden, dass eine Leistungsreduktion erforderlich wird. In die Prädiktion können auch Daten einbezogen werden, die sich aus der vom Nutzer des Kraftfahrzeugs 1 gewählten Fahrdynamikeinstellung oder der vom Nutzer in zurückliegenden Zeitfenstern gezeigten Fahrdynamik zeigen.
Im Rahmen der Prädiktion besteht dann auch die Möglichkeit, dass das Leistungsreservoir mindestens einer der Baugruppen bis zum Erreichen eines Grenzwertes ausgenutzt wird, um eine Verletzung des Grenzwertes einer der anderen Baugruppen zu vermeiden bzw. dass bei einer im Rahmen der Prädiktion vorhergesagten erhöhten Leistungsanforderung der Abstand des durch den Sensor mindestens einer der Baugruppen gemessen Istwertes von dem Grenzwert erhöht wird, um bei dem aktuellen Vorliegen der erhöhten Leistungsanforderungen einen großen Abstand zu dem Grenzwert auszunutzen.
In dem oberen Teil von 1 ist die aufgrund der entsprechenden Leistungsanforderungen erzeugte Leistung gezeigt, wobei im Zeitintervall zwischen 405 Sekunden und 410 Sekunden aufgrund der drohenden Überschreitung eines Grenzwertes eine Leistungsreduktion, ein Derating, erfolgen muss. Die gestrichelte Linie (Leistungslinie 11 gemessen) zeigt den Leistungsverlauf, wenn ausschließlich durch die Sensoren bestimmte Ist-Daten herangezogen werden, was zu einer starken Leistungsreduktion führt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren unter Ausnutzung einer Prädiktion erfolgt ein modellbasiertes Derating (Leistungslinie 12, modellbasiert), das langsamer und milder erfolgen kann, insbesondere früher, also vor der tatsächlichen, durch den Sensor festgestellten Verletzung des Grenzwertes begonnen werden kann. Der untere Teil der 1 zeigt den Verlauf der Temperatur des Kühlmittelsystems 9 bei der modellbasierten Prädiktion (Temperaturlinie 13) sowie bei Zugrundelegung durch Sensoren bestimmter Messvorteil Temperaturlinie (17), wobei die gestrichelten Linien 14, 16 den Fall einer hohen Kühlmittel-Eintrittstemperatur zeigen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Elektromotor
4: Akkumulator
5: Verdichter
6: Befeuchter
7: Ladeluftkühler
8: Brennstoffzellenstapel
9: Kühlmittelsystem
10: Steuergerät
11: Leistungslinie, gemessen
12: Leistungslinie, modellbasiert
13: Kurve Kühlmittel
14: Kurve Kühlmittel
15: Kurve Kühlmittel
16: Kurve Kühlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10111562 A1 [0003]
DE 102010062379 A1 [0004]
EP 2214239 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug (1) zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit einer Mehrzahl den Baugruppen der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zugeordneten Sensoren zur Überwachung des Betriebszustandes der Baugruppen und der Einhaltung von den jeweiligen Baugruppen zugeordneten Grenzwerten, umfassend den Verfahrensschritt der Reduktion der Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges (1) bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes bzw. Unterschreiten eines unteren Grenzwertes, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Daten eines Navigationssystems und/oder eines Fahrassistenzsystems und/oder eines Umgebungsüberwachungssystems eine Prädiktion über zukünftige Leistungsanforderungen in einem vorbestimmten Zeitfenster getroffen wird, und dass die durch die Sensoren überwachten Baugruppen so betrieben werden, dass die Verletzung eines Grenzwertes vermieden und/oder die erforderliche Leistungsreduktion gemildert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Nutzer des Kraftfahrzeuges (1) gewählte Fahrdynamikeinstellung und/oder die vom Nutzer in zurückliegenden Zeitfenstern genutzte Fahrdynamik in die Prädiktion einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Sensoren überwachten Baugruppen ausgewählt sind aus einer Menge, die mindestens einen Elektromotor (3), mindestens einen Akkumulator (4), einen Verdichter (5), einen Befeuchter (6), einen Ladeluftkühler (7), einen Brennstoffzellenstapel (8), ein Kühlmittelsystem (9), mindestens einen Tank für die Reaktanten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Baugruppen durch die zugeordneten Sensoren überwacht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsreservoir mindestens einer der Baugruppen bis zum Erreichen eines Grenzwertes ausgenutzt wird, um eine Verletzung des Grenzwertes einer der anderen Baugruppen zu vermeiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Rahmen der Prädiktion vorhergesagten erhöhten Leistungsanforderung der Abstand des durch den Sensor mindestens einer der Baugruppen gemessenen Istwertes von dem Grenzwert erhöht wird, um bei dem aktuellen Vorliegen der erhöhten Leistungsanforderung einen größeren Abstand zu dem Grenzwert auszunutzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Rahmen der Prädiktion vorhergesagten erhöhten Leistungsanforderung mit erwartbarer Verletzung eines Grenzwertes die erforderliche Leistungsreduktion früher, also vor der tatsächlichen, durch den Sensor festgestellten Verletzung des Grenzwertes, begonnen und gleichmässiger durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erforderlichen Leistungsreduktion der Brennstoffzellenvorrichtung (1) mittels eines Steuergerätes (10) eine Optimierung der Leistungsaufteilung zwischen dem Brennstoffzellenstapel (8) und dem Akkumulator (4) zur Versorgung eines Elektromotors vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximierung der Effizienz als Optimierungsziel bei dem Betreiben der Baugruppen berücksichtigt wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, deren Baugruppen mittels Sensoren bezüglich der Einhaltung von Grenzwerten überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (10) zur Auswertung der Sensordaten und Prädiktion zukünftiger Leistungsanforderungen vorgesehen ist, mit dem die durch die Sensoren überwachten Baugruppen so betreibbar sind, dass die Verletzung eines Grenzwertes vermieden und/oder eine erforderliche Leistungsreduktion gemildert wird.