DE102019002305A1 - Betriebsstrategie für den Betrieb eines Leistungserzeugers - Google Patents

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Alexander Paul Kneer
Jenny Kremser
Marc Sommer
Christian Steinwandel
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsstrategie für den Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) und eines Brennstoffzellensystems (6), wobei die von dem Brennstoffzellensystem (6) bereitzustellende Leistung (PFCS) in Abhängigkeit des Ladezustands (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) ermittelt wird. Die erfindungsgemäße Betriebsstrategie ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem definierten Bereich um den Zielladezustand (SOCmid) die vom Brennstoffzellensystem (6) bereitzustellende Leistung (PFCS) anhand eines Gesamtleistungsbedarfs (Preq) ermittelt wird, wozu bei- niedrigem Gesamtleistungsbedarf (Preq) das Brennstoffzellensystem (6) im Wirkungsgrad optimierten Leistungspunkt (PFCSopt) oder in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC) der Energiespeichereinrichtung mit einem Leistungsaufschlag (PFCSadd) betrieben wird, wobei die elektrische Energiespeichereinrichtung (5) je nach Ladezustand (SOC) geladen oder in geringem Maße belastet wird;- mittlerem Gesamtleistungsbedarf (Preq) dieser von dem Brennstoffzellensystem (6) und der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) gedeckt wird, wobei die Aufteilung (a, b) in Abhängigkeit des Ladezustandes (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) erfolgt; und- hohem Gesamtleistungsbedarf (Preq) das Brennstoffzellensystem (6) mit seiner Maximalleistung (PFCSmax) betrieben wird, wobei der Wert der Gesamtleistung, ab welchem die Maximalleistung (PFCSmax) des Brennstoffzellensystems (6) erreicht wird, vom Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) abhängt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Betriebsstrategie für den Betrieb eines Leistungserzeugers, welcher eine elektrische Energiespeichereinrichtung und ein Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, umfasst.
  • Den nächstliegenden Stand der Technik bildet hier die US 2016/0046204 A1 . In dieser Schrift ist eine Betriebsstrategie für einen Hybrid aus Brennstoffzellensystem und Batterie beschrieben, bei welchem basierend auf dem Ladezustand der Batterie der Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend gesteuert wird. In der US-Schrift sind dabei verschiedene Ladezustände unterschieden, beispielsweise ein Maximalladezustand, ein Zielladezustand und ein Minimalladezustand, wobei der Zielladezustand zwischen den beiden anderen liegt, und das primäre Ziel für den gewünschten Ladezustand der Batterie darstellt.
  • Bei sehr hohem Ladezustand wird Ladung aus der Batterie verwendet und das Brennstoffzellensystem nur bei Bedarf gestartet. Bei dazwischen liegendem Zielladezustand wird Leistung sowohl aus dem Brennstoffzellensystem als auch aus der Batterie verwendet, wobei das Brennstoffzellensystem in diesem Zustand unverändert gemäß dem zuvor herrschenden Betriebszustand weiter betreiben wird. Fällt der Ladezustand unter den Minimalwert, wird das Brennstoffzellensystem so betrieben, dass die Batterie wieder geladen werden kann.
  • Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die DE 10 2016 203 866 A1 hingewiesen werden. Auch hier wird eine Betriebsstrategie für einen Leistungserzeuger in Form eines Hybrids aus Brennstoffzelle und Batterie beschrieben. Auch hier ist thematisiert, dass die Brennstoffzelle, wie auch in der US-Schrift, primär bei ihrem Wirkungsgradoptimum betrieben werden soll, um den Leistungserzeuger mit möglichst geringem Energieverbrauch betreiben zu können. Anders als bei der US-Schrift ist es in der DE-Schrift jedoch so, dass hier die Brennstoffzelle selbst der Auslöser ist. Je nachdem, wieviel Leistung benötigt wird, wird die Leistung der Brennstoffzelle entsprechend verändert. Der Ladezustand der Batterie ist hier zweitranging und dient lediglich als Parameter zur Anpassung der Steuerung, welche primär basierend auf der Leistung und dem Leistungspunkt der Brennstoffzelle erfolgt.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Betriebsstrategie für den Betrieb eines Leistungserzeugers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei welchem der notwendige Gesamtleistungsbedarf bei minimalem Energieverbrauch realisiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Betriebsstrategie mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Betriebsstrategie definiert, ähnlich wie die Betriebsstrategie aus dem Stand der Technik, einen Maximalladezustand und einen Minimalladezustand der Batterie, welcher so nicht direkt vorgegeben sein muss, sondern sich je nach Einsatz des Leistungserzeugers und/oder Verhältnis der Nennleistungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und des Brennstoffzellensystems ergeben kann. Zwischen diesen beiden Ladezuständen wird außerdem ein Zielladezustand vorgegeben. Dieser Zielladezustand ist im Wesentlichen der Ladezustand, welcher typischerweise angestrebt wird, um einerseits ausreichende Leistung in der Batterie zur Verfügung zu haben und andererseits Leistung durch die Batterie bei Bedarf aufnehmen zu können. Wird die Betriebsstrategie für den Leistungserzeuger in einem Fahrzeug eingesetzt, und dies soll der bevorzugte Anwendungsfall sein, dann muss Leistung aufgenommen werden können, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, wofür über einen generatorischen Betrieb der Antriebsmotoren Leistung zurückgewonnen wird. Dieser Vorgang der sogenannten Rekuperation spielt für den Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs eine entscheidende Rolle. Der Zielladezustand stellt sicher, dass im Normalfall noch ein Puffer in der elektrischen Energiespeichereinrichtung vorhanden ist, um bei einer solchen Rekuperation anfallende Energie dort verwenden und die elektrische Energiespeichereinrichtung damit laden zu können, sodass die bei der Rekuperation anfallende Energie später wieder nutzbringend verwendet werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass in einem definierten Bereich um den Zielladezustand liegt, die vom Brennstoffzellensystem bereitzustellende Leistung anhand eines Gesamtleistungsbedarfs ermittelt wird. Dazu wird bei:
    • - niedrigem Gesamtleistungsbedarf das Brennstoffzellensystem im Wirkungsgrad optimalen Leistungspunkt oder in Abhängigkeit vom Ladezustand der Energiespeichereinrichtung mit einem Leistungsaufschlag betrieben. Abhängig vom Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung wird also die vom Brennstoffzellensystem angeforderte Leistung über den optimalen Betriebspunkt hinaus bis zu einem definierten Leistungsaufschlag erhöht werden. Die elektrische Energiespeichereinrichtung wird je nach Ladezustand geladen oder auch in geringem Maße belastet, um den Gesamtleistungsbedarf zur Verfügung zu stellen.
    • - mittlerem Gesamtleistungsbedarf dieser von dem Brennstoffzellensystem und der elektrischen Energiespeichereinrichtung gedeckt, wobei die Aufteilung in Abhängigkeit des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung erfolgt.
    • - hohem Gesamtleistungsbedarf das Brennstoffzellensystem mit seiner Maximalleistung betrieben. Der Wert der Gesamtleistung, ab welchem die Maximalleistung der Brennstoffzelle erreicht wird, hängt dabei wiederum von dem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung ab.
  • Das gesamte Regelungsverfahren richtet sich also für den erfindungsgemäßen Betriebsmodus, welcher auch unter dem Stichwort „Ladungserhaltung“ beschrieben werden könnte, immer nach dem Ladezustand der Batterie sowie dem Gesamtleistungsbedarf und steuert das Brennstoffzellensystem dementsprechend, sodass der Gesamtleistungsbedarf erfüllt wird, idealerweise bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems im wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass bei mittlerem Gesamtleistungsbedarf für den Fall, dass der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung unter dem Zielladezustand liegt, das Brennstoffzellensystem mit höherer Leistung betreiben wird, und dass die Aufteilung zwischen dem Brennstoffzellensystem und der elektrischen Energiespeichereinrichtung einer vorgegebenen Aufteilung entspricht, wenn der Ladezustand größer oder gleich dem Zielladezustand ist. Diese Aufteilung ermöglicht einen sehr schonenden Umgang mit dem Betriebsstoff für das Brennstoffzellensystem, beispielsweise unter Druck gespeichertem Wasserstoff.
  • Für den Fall der Rekuperation kann es entsprechend einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie dabei vorgesehen sein, dass auch hier das Brennstoffzellensystem im wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt betrieben wird, und zwar solange, wie der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung unterhalb des maximalen Ladezustands liegt. In dieser Situation wird die Batterie also sowohl aus der Rekuperation als auch aus dem Brennstoffzellensystem im Leistungspunkt mit dem optimalen Wirkungsgrad geladen. Für den Fall, dass dabei jedoch eine maximale Ladeleistung der elektrischen Energiespeichereinrichtung überschritten wird, sodass die Gesamtleistung aus der Rekuperation und dem Betrieb des Brennstoffzellensystems im Leistungspunkt des optimalen Wirkungsgrads nicht mehr in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert werden kann, wird das Brennstoffzellensystem in einen Stopp-Modus versetzt, in dem es keine Leistung abgibt, jedoch für den weiteren Betrieb betriebsbereit gehalten wird.
  • Neben den beschriebenen Anwendungsfällen der Betriebsstrategie für das Erhalten der Ladung und die Rekuperation können auch weitere Fälle auftreten. Einer kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung so sein, dass für den Fall, dass der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung in einem definierten Bereich um den Maximalladezustand liegt, die Gesamtleistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung bereitgestellt wird, wobei das Brennstoffzellensystem in diesem Fall nur dann betrieben wird, wenn der Gesamtleistungsbedarf höher als die maximal von der elektrischen Energiespeichereinrichtung bereitzustellende Leistung ist. In diesem Zustand, welcher auch als „Entladen“ bezeichnet werden könnte, wird also bei entsprechend hoher Ladung der elektrischen Energiespeichereinrichtung primär die Energie aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung genutzt. Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise in einem zuvor eingenommenen Stopp-Modus verharren, bis der Gesamtleistungsbedarf so groß wird, dass dieser von der Batterie alleine nicht gedeckt werden kann. Das Brennstoffzellensystem übernimmt dann die Bereitstellung der erforderlichen Restleistung, idealerweise wieder durch einen Betrieb im Leistungspunkt mit optimalem Wirkungsgrad. Auf eine Rekuperation oder zumindest die zuvor beschriebene Strategie wird dabei verzichtet.
  • Ein weiterer Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung derselben so gestaltet sein, dass dieser im Wesentlichen ein „verlangsamtes Entladen“ beschreibt. Für den Fall, dass der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung zwischen dem Zielladezustand und dem Maximalladezustand liegt, kann das Brennstoffzellensystem durchgehend am wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt betrieben werden. Die Leistungslücke zwischen der von dem Brennstoffzellensystem in diesem Leistungspunkt bereitgestellten Leistung bis zum Gesamtleistungsbedarf wird dann durch die elektrische Energiespeichereinrichtung gedeckt. Diese wird also quasi vergleichbar wie zuvor, jedoch mit geringerer Entladung betrieben. Das Brennstoffzellensystem wird dabei nur dann mit höherer Leistung betrieben, wenn der Gesamtleistungsbedarf größer als die Summe der Leistungen des Brennstoffzellensystems im wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt und der maximal von der elektrischen Energiespeichereinrichtung bereitstellbaren Leistung ist. Das Brennstoffzellensystem verlässt also den wirkungsgradoptimalen Betrieb nur für den Fall, dass das Brennstoffzellensystem in diesem Betrieb zusammen mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung den Leistungsbedarf nicht decken kann.
  • Ein weiterer Betriebsmodus, welcher bei der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie ergänzend vorgesehen sein kann, sieht ein „Laden“ vor. Für den Fall, dass der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung in einen definierten Bereich nahe des Mindestladezustand oder sogar unterhalb des Mindestladezustands liegt, wird die elektrische Energiespeichereinrichtung mit maximaler Ladeleistung geladen, und zwar solange, wie das Brennstoffzellensystem seine maximale Leistung noch nicht erreicht hat, wobei die Ladeleistung sinkt, wenn der Gesamtleistungsbedarf größer als die Differenz zwischen der maximalen Leistung des Brennstoffzellensystems und der maximalen Ladeleistung ist. Die Ladung erfolgt also im Idealfall mit maximaler Leistung, und zwar solange, wie das Brennstoffzellensystem die maximale Ladeleistung entsprechend des Gesamtleistungsbedarfs aufrechterhalten kann. Ist dies nicht mehr möglich, dann wird der Gesamtleistungsbedarf weiterhin versorgt und die Ladeleistung für die elektrische Energiespeichereinrichtung sinkt.
  • Wie bereits erwähnt, liegt der bevorzugte Einsatzzweck dabei in einem Fahrzeug, bei welchem auch die Rekuperation auftritt. Es sind jedoch auch andere Anwendungsfälle denkbar, beispielsweise stationäre Antriebe, beispielsweise für Industrieanlagen, als Stromversorgungsanlagen oder dergleichen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem hybridisierten Leistungserzeuger mit elektrischer Energiespeichereinrichtung und Brennstoffzellensystem;
    • 2 ein Ablaufschema für eine Betriebsstrategie mit vier Modi;
    • 3 ein Schema für einen Rekuperationsmodus;
    • 4 ein Diagramm der Leistungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und des Brennstoffzellensystems über der angeforderten Leistung für den Betriebsmodus I und die Rekuperation R;
    • 5 ein Diagramm der Leistungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und des Brennstoffzellensystems über der angeforderten Leistung für den Betriebsmodus II und die Rekuperation R;
    • 6 ein Diagramm der Leistungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und des Brennstoffzellensystems über der angeforderten Leistung für den Betriebsmodus III und die Rekuperation R; und
    • 7 ein Diagramm der Leistungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und des Brennstoffzellensystems über der angeforderten Leistung für den Betriebsmodus IV und die Rekuperation R.
  • In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 zu erkennen, welches rein beispielhaft einen elektrischen Traktionsmotor 2 zum Antreiben seiner angetriebenen Räder 3 aufweist. Über eine Leistungselektronik 4 ist der Traktionsmotor 2 dabei mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 5, hier in Form einer Hochvolt-Batterie oder HV-Batterie 5, verbunden. Außerdem ist über die Leistungselektronik 4 ein Brennstoffzellensystem 6 mit einbezogen, welches zusammen mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung bzw. HV-Batterie 5 einen hybridisierten Leistungserzeuger bildet. Den Kern des Brennstoffzellensystems 6 bildet ein Brennstoffzellenstapel 7, welcher beispielsweise als Stapel von PEM-Zellen aufgebaut ist. Der Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems 6 ist dem Fachmann prinzipiell geläufig, sodass dieses hier nur in einer sehr stark schematisierten Ausführungsvariante angedeutet ist. Einem Kathodenbereich 8 des Brennstoffzellenstapels 7 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 9 zur Verfügung gestellt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 10 in die Umgebung. Einem Anodenbereich 11 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 12 über ein Druckregel- und Dosierventil 13 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in die Abluftleitung 10 und wird verdünnt abgeführt. Dem Fachmann ist klar, dass dieser Aufbau nur sehr stark schematisiert angedeutet ist. Selbstverständlich wären Konzepte, wie beispielsweise eine Anodenrezirkulation um den Anodenraum 11 des Brennstoffzellenstapels 7 oder dergleichen hier einsetzbar und können, anders als in der schematischen Darstellung angedeutet, auch eingesetzt werden.
  • In der Darstellung der 1 ist außerdem eine Steuerung 14 angedeutet. Über diese Steuerung 14 wird der hybride Leistungserzeuger mit dem Brennstoffzellensystem 6 und der elektrischen Energiespeichereinrichtung 5 in der nachfolgend noch beschriebenen Art und Weise angesteuert, wie es durch die punktierten Doppelpfeile schematisch angedeutet ist.
  • Ziel der hier beschriebenen Betriebsstrategie ist die Reduzierung des Wasserstoff-Verbrauchs durch häufigeren Betrieb des Brennstoffzellensystems 6 (Index FCS) am oder in der Nähe des Leistungspunktes mit optimalem Wirkungsgrad PFCS opt sowie durch Reduzierung der dynamischen Belastung des Brennstoffzellensystems 6. Dazu wird die vom Brennstoffzellensystem 6 bereitzustellende Leistung PFCS in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 (Index HVB) sowie des Gesamtleistungsbedarfs Preq berechnet.
  • Es werden vier Bereiche I bis IV unterschieden, in denen der Gesamtleistungsbedarf Preq jeweils zu unterschiedlichen Anteilen von HV-Batterie 5 und Brennstoffzellensystem 6 gedeckt wird. 2 zeigt diese:
    1. I. Entladen: In einem definierten Bereich um einen hohen Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 wird diese vorzugsweise entladen. Lediglich bei einem Gesamtleistungsbedarf Preq, welcher das Leistungsvermögen der HV-Batterie 5 übersteigt, gibt das Brennstoffzellensystem 6 ebenfalls Leistung PFCS ab. Die minimal vom Brennstoffzellensystem 6 abzugebende Leistung PFCS entspricht dabei der Leistung, an dem das Wirkungsgradoptimum PFCS opt vorliegt.
    2. II. Verlangsamtes Entladen: Liegt der Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 zwischen dem Zielladezustand SOCmid und dem Maximalladezustand SOCmax, wird die HV-Batterie 5 vorzugsweise entladen, jedoch gegenüber dem Betriebsmodus I in verlangsamter Art und Weise. Das Brennstoffzellensystem 6 wird in diesem Betriebsmodus II vorzugsweise am wirkungsgradoptimalen Leistungspunkt PFCS opt betrieben. Die zur Deckung des Gesamtleistungsbedarfs Preq fehlende Leistung wird von der HV-Batterie 5 aufgebracht. Lediglich bei Leistungsanforderungen, die das Leistungsvermögen PHVB dis der HV-Batterie 5 beim Entladen derselben übersteigen, gibt das Brennstoffzellensystem 6 eine höhere Leistung PFCS ab, und der wirkungsgradoptimale Leistungspunkt PFCS opt wird nach oben verlassen. Bei sehr niedrigem Gesamtleistungsbedarf Preq wird die HV-Batterie 5 geladen.
    3. III. Ladungserhaltung: Liegt der Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 in einem definierten Bereich um den Zielladewert SOCmid, gibt es für die vom Brennstoffzellensystem 6 bereitzustellende Leistung PFCS folgende Fallunterscheidungen:
      1. a. Niedriger Gesamtleistungsbedarf: Das Brennstoffzellensystem 6 wird am wirkungsgradoptimalen Leistungspunkt PFCS opt betrieben. Abhängig vom Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 wird die vom Brennstoffzellensystem 6 angeforderte Leistung um einen definierten Betrag erhöht. Dieser wird auf einen vorgegebenen Maximalwert der Leistungserhöhung PFCS add begrenzt. Dabei wird in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand SOC die HV-Batterie 5 geladen oder in geringem Maße belastet.
      2. b. Mittlerer Gesamtleistungsbedarf: Der Gesamtleistungsbedarf Preq wird durch Brennstoffzellensystem 6 und HV-Batterie 5 gedeckt. Dabei hängt die Aufteilung a, b der Leistung zur Deckung des Gesamtleistungsbedarfs Preq zwischen Brennstoffzellensystem 6 und HV-Batterie 5 vom Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 ab. Je weiter dieser unterhalb des Zielladezustandes SOCmid liegt, desto größer wird der Anteil der Leistungsanforderung PFCS an das Brennstoffzellensystem 6. Ist der Zielladezustand SOCmid erreicht oder sogar überschritten, wird eine definierte Aufteilung a, b verwendet, bei der die Leistungsanforderung PFCS des Brennstoffzellensystems 6 im Vergleich reduziert wird.
      3. c. Hoher Gesamtleistungsbedarf: Das Brennstoffzellensystem 6 wird an seiner Maximalleistung PFCS max betrieben, wobei der Gesamtleistungsbedarf Preq, ab dem die Maximalleistung PFCS max des Brennstoffzellensystems 6 erreicht wird, wiederum vom Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 abhängig ist. Ist die Maximalleistung PFCS max des Brennstoffzellensystems 6 erreicht, wird die zur Deckung des Gesamtleistungsbedarfs Preq benötigte zusätzliche Leistung von der HV-Batterie 5 abgegeben.
    4. IV. Laden: Liegt der Ladezustand der HV-Batterie 5 in der Nähe oder sogar unterhalb des definierten Minimalwertes SOCmin, wird diese mit maximaler Leistung PHVB chg geladen. Ist die Maximalleistung PFCS max des Brennstoffzellensystems 6 erreicht, sinkt die Leistung mit der die HV-Batterie 5 geladen wird, mit steigendem Gesamtleistungsbedarf Preq. Bei hohem Gesamtleistungsbedarf Preq wird die HV-Batterie 5 weiter entladen.
  • Im Falle Rekuperation R, welcher in 3 dargestellt ist, wird das Brennstoffzellensystem 6 am wirkungsgradoptimalen Punkt betrieben, solange der Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 in einem definierten Bereich unterhalb des Maximalladezustandes SOCmax liegt oder die maximale Ladeleistung PHVB chg der HV-Batterie 5 nicht erreicht ist. Wird die maximale Ladeleistung PHVB chg der HV-Batterie 5 rechnerisch überschritten oder ist die HV-Batterie 5 nahezu vollständig geladen, wird das Brennstoffzellensystem 6 im Stoppmodus, dem sog. Stopp Mode betrieben, in dem es keine Leistung abgibt (PFCS = 0).
  • Für die Berechnung der Leistungsanforderung an die HV-Batterie 5 und das Brennstoffzellensystem 6 zur Deckung des Gesamtleistungsbedarfs Preq werden verschiedene Parameter benötigt, die entweder durch die beteiligten Steuergeräte während des Betriebs bestimmt werden, charakteristisch für die verwendeten Bauteile sind oder je nach Anwendung optimiert werden können:
    • • Parameter, die durch beteiligte Steuergeräte während des Betriebs bestimmt werden und/oder die charakteristisch für die verwendeten Bauteile sind. Sind dabei:
      • - Gesamtleistungsbedarf Preq,
      • - Ladezustand SOC der HV-Batterie 5,
      • - maximale Entladeleistung PHVB dis der HV-Batterie 5,
      • - maximale Ladeleistung PHVB chg der HV-Batterie 5,
      • - maximale Leistung PFCS max des Brennstoffzellensystems 6,
      • - Leistung PFCS opt des Brennstoffzellensystems 6 im Leistungspunkt mit optimalem Wirkungsgrad,
      • - Wirkungsgrad DC/DC-Wandler ηFCC.
    • • Parameter, die anwendungsspezifisch optimiert werden können:
      • - Minimalladezustand SOCmin der HV-Batterie 5,
      • - Maximalladezustand SOCmax der HV-Batterie 5,
      • - Zielladezustand SOCmid der HV-Batterie 5,
      • - Leistungsaufschlag PFCS add des Brennstoffzellensystems 6,
      • - Abstand d von um einen Schwellenwert, bei dem von einem Modi in den anderen gewechselt wird,
      • - Parameter a, b zur Beschreibung der Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzellensystem 6 und HV-Batterie 5.
  • Der Abstand d um einen Schwellenwert, bei welchem von einem Modi in den anderen Modi gewechselt wird, kann z.B. ±5% um den jeweiligen Schwellenwert betragen, um so eine optimierte Regelung zu erreichen, welche die Dynamik der Regelung und damit die Dynamik im Betrieb bzw. der Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 6 entsprechend minimiert.
  • In den 4 bis 7 sind die vier Betriebsmodi I, II, III und IV sowie die Rekuperation R nachfolgend exemplarisch dargestellt. Für die Beispiele sind dabei folgende Werte vorgegeben worden:
    • - Leistung mit optimalem Wirkungsgrad PFCS opt = 10 kW,
    • - maximale Leistung PFCS max = 66 kW,
    • - maximale Entladeleistung PHVB dis = -111 kW,
    • - maximale Ladeleistung PHVB chg = 54 kW,
    • - Wirkungsgrad DC/DC-Wandler ηFCC = 97%.
    • - Leistungsaufteilung a = 0,5,
    • - Leistungsaufteilung b = 0,2
    • - Abstand d = 5%
    • - Leistungsaufschlag PFCS add = 10 kW,
    • - Minimalladezustand SOCmin = 20%,
    • - Maximalladezustand SOCmax = 60%,
    • - Zielladezustand SOCmid = 50%.
  • Basierend auf diesen Beispielwerten zeigen die Diagramme der 4 bis 7 die Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzellensystem 6 und HV-Batterie 5 für die vier Betriebsmodi I, II, III und IV sowie jeweils die Rekuperation R in Abhängigkeit des Gesamtleistungsbedarfs Preq an einem konkreten Anwendungsbeispiel. Dazu ist auf der x-Achse der Gesamtleistungsbedarf Preq aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Leistungen PHVB, PFCS der HV-Batterie 5 und des Brennstoffzellensystems 6 aufgetragen. Beide Achsen sind dabei in der Einheit kW bezeichnet. Der jeweilige Betriebsmodus ist in Diagramm links oben angegeben. Die Rekuperation ist in allen Diagrammen mit dargestellt und wicht entsprechend den Fällen der 3 nur im Diagramm der 4 von den anderen dann jeweils Fällen ab. Sie findet sich in dem auf der x-Achse links der Null liegenden Bereich, in welchem der Gesamtleistungsbedarf Preq aufgrund der beim Abbremsen mit dem Traktionsmotor 2 als Generator anfallenden Gesamtleistung negativ ist. Die durchgezogene Linie zeigt dabei immer die Leistung PFCS des Brennstoffzellensystems 6, die gestrichelte Linie die Leistung PHVB der HV-Batterie 5.
  • In 6, zum Betriebsmodus III der Ladungserhaltung sind exemplarisch die drei Fälle a, b, c angedeutet, wobei die beispielhaften Leistungskurven so oder vergleichbar, je nach Ladezustand der HV-Batterie 5 verlaufen können Die durchgezogene bzw. gestrichelte Linie stellt den Fall dar, bei dem der Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 bis auf den Minimalladezustand SOCmin gesunken ist. Die Leistungsanforderung PFCS an das Brennstoffzellensystem 6 fällt bei niedrigem bis mittlerem Gesamtleistungsbedarf Preq in diesem Fall vergleichsweise hoch aus. Je stärker der Ladezustand SOC der HV-Batterie 5 auf seinem Zielwert SOCmid hin anwächst, desto geringer gestaltet sich das Niveau auf dem die Leistung PFCS des Brennstoffzellensystems 6 verläuft (strich-zwei-punktierte und strichpunktierte Linien). Die Leistungsanforderung PHVB an die HV-Batterie 5 nimmt entsprechend zu (kurz-gestrichelte und punktierte Linie).
  • Die Betriebsstrategie mit diesen vier Betriebsmodi I, II, III und IV sowie der Rekuperation R erlaubt damit einen hinsichtlich des Verbrauchs von Wasserstoff optimalen Betrieb des Leistungserzeugers in Form des Brennstoffzellensystems 6 und der HV-Batterie 5 in dem Fahrzeug 1.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2016/0046204 A1 [0002]
    • DE 102016203866 A1 [0004]

Claims (7)

  1. Betriebsstrategie für den Betrieb eines Leistungserzeugers, welcher eine elektrische Energiespeichereinrichtung (5) und ein Brennstoffzellensystem (6) umfasst, wobei die von dem Brennstoffzellensystem (6) bereitzustellende Leistung (PFCS) in Abhängigkeit des Ladezustands (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) ermittelt wird, wozu Werte für einen Maximalladezustand (SOCmax), einen Zielladezustand (SOCmid) und einen Minimalladezustand (SOCmin) vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem definierten Bereich um den Zielladezustand (SOCmid) die vom Brennstoffzellensystem (6) bereitzustellende Leistung (PFCS) anhand eines Gesamtleistungsbedarfs (Preq) ermittelt wird, wozu bei - niedrigem Gesamtleistungsbedarf (Preq) das Brennstoffzellensystem (6) im Wirkungsgrad optimierten Leistungspunkt (PFCS opt) oder in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC) der Energiespeichereinrichtung mit einem Leistungsaufschlag (PFCS add) betrieben wird, wobei die elektrische Energiespeichereinrichtung (5) je nach Ladezustand (SOC) geladen oder in geringem Maße belastet wird; - mittlerem Gesamtleistungsbedarf (Preq) dieser von dem Brennstoffzellensystem (6) und der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) gedeckt wird, wobei die Aufteilung (a, b) in Abhängigkeit des Ladezustandes (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) erfolgt; und - hohem Gesamtleistungsbedarf (Preq) das Brennstoffzellensystem (6) mit seiner Maximalleistung (PFCS max) betrieben wird, wobei der Wert der Gesamtleistung, ab welchem die Maximalleistung (PFCS max) des Brennstoffzellensystems (6) erreicht wird, vom Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) abhängt.
  2. Betriebsstrategie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mittlerem Gesamtleistungsbedarf (Preq) für den Fall, dass der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) unter dem Zielladezustand (SOCmid) liegt, das Brennstoffzellensystem (6) mit höherer Leistung betrieben wird, und dass die Aufteilung der Leistung zwischen dem Brennstoffzellensystem (6) und der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) einer vorgegebenen Aufteilung (a, b) entspricht, wenn der Ladezustand (SOC) größer oder gleich des Zielladezustandes (SOCmid) ist.
  3. Betriebsstrategie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall der Rekuperation (R) das Brennstoffzellensystem (6) im wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt (PFCS opt) betrieben wird, solange der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) unterhalb des Maximalladezustandes (SOCmax) liegt, wobei für den Fall, dass eine maximale Ladeleistung (PHVB chg) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) überschritten wird, das Brennstoffzellensystem (6) in einen Stopp-Modus versetzt wird.
  4. Betriebsstrategie nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) in einem definierten Bereich um den Maximalladezustand (SOCmax) liegt, der Gesamtleistungsbedarf (Preq) aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) bereitgestellt wird, wobei das Brennstoffzellensystem (6) nur betrieben wird, wenn der Gesamtleistungsbedarf (Preq) höher als die maximal von der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) bereitzustellende Leistung (PHVB dis) ist.
  5. Betriebsstrategie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) in einem definierten Bereich zwischen dem Zielladezustand (SOCmid) und dem Maximalladezustand (SOCmax) liegt, das Brennstoffzellensystem (6) am wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt betrieben wird, wobei die Leistungslücke bis zum Gesamtleistungsbedarf (Preq) durch die elektrische Energiespeichereinrichtung (5) gedeckt wird, wobei das Brennstoffzellensystem (6) nur dann mit höherer Leistung (PFCS) betrieben wird, wenn der Gesamtleistungsbedarf (Preq) größer als die Summe der Leistungen des Brennstoffzellensystems (6) im wirkungsgradoptimierten Leistungspunkt (PFCS opt) und der maximal von der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) bereitzustellenden Leistung (PHVB dis) ist.
  6. Betriebsstrategie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) in einem definierten Bereich nahe des Mindestladezustands (SOCmin) oder unterhalb dieses des Mindestladezustands (SOCmin) liegt, die elektrische Energiespeichereinrichtung (5) mit maximaler Ladeleistung (PHVB chg) geladen wird, solange das Brennstoffzellensystem (6) seine maximale Leistung (PFCS max) noch nicht erreicht hat, wobei die Ladeleistung sinkt, wenn der Gesamtleistungsbedarf (Preq) größer als die Differenz zwischen der maximalen Leistung (PFCS max) des Brennstoffzellensystems (6) und der maximalen Ladeleistung (PHVB chg) ist.
  7. Betriebsstrategie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungserzeuger zum Antrieb eines Fahrzeugs (1) verwendet wird.
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