DE102019128419A1 - Method for operating a motor vehicle with a fuel cell device and a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges (1) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), das ein Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung (8) der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und einer Hochvoltbatterie (3) nutzt, umfassend die Schritte der Festlegung einer Grenz-Systemleistung mit der zugeordneten Stromstärke IGder Brennstoffzelle, der Bestimmung der Stromstärke IUPLder Brennstoffzelle bei Erreichen einer erlaubten Maximalspannung (UPL), Vergleich der Stromstärke IUPLmit der Stromstärke IG,- und für den Fall, dass IUPLgrößer ist als IG, Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie derart, dass die Alterung der Brennstoffzelle reduziert wird,- und für den Fall das IUPLkleiner als IGist oder IGentspricht, Wahl der Betriebspunkte ohne eine Berücksichtigung der Alterung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug (1).The invention relates to a method for operating a motor vehicle (1) with a fuel cell device (2), which uses a drive control unit (7) for splitting (8) the power supply between at least one fuel cell of the fuel cell device (2) and a high-voltage battery (3), comprising the steps of establishing a limit system performance with the assigned current IUPL of the fuel cell, determining the current IUPL of the fuel cell when a permitted maximum voltage (UPL) is reached, comparing the current IUPL with the current IG, - and in the event that IUPL is greater than IG , Selection of the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery in such a way that the aging of the fuel cell is reduced, - and in the event that the IUPL is smaller than IGist or IG, selection of the operating points without taking aging into account. The invention also relates to a motor vehicle (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, das ein Antriebssteuergerät für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung und einer Hochvoltbatterie nutzt, umfassend die Schritte der Festlegung einer Grenz-Systemleistung mit der zugeordneten Stromstärke IG der Brennstoffzelle, der Bestimmung der Stromstärke IUPL der Brennstoffzelle bei Erreichen einer erlaubten Maximalspannung, Vergleich der Stromstärke IUPL mit der Stromstärke IG ,

  • - und für den Fall, dass IUPL größer ist als IG , Wahl der Betriebs-punkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie derart, dass die Alterung der Brennstoffzelle reduziert wird,
  • - und für den Fall das IUPL kleiner als IG ist oder IG entspricht, Wahl der Betriebspunkte ohne eine Berücksichtigung der Alterung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.
The invention relates to a method for operating a motor vehicle with a fuel cell device, which uses a drive control device for dividing the power supply between at least one fuel cell of the fuel cell device and a high-voltage battery, comprising the steps of defining a limit system power with the associated current intensity I G the fuel cell, the determination of the amperage I UPL of the fuel cell when a permitted maximum voltage is reached, comparison of the current intensity I UPL with the amperage I G ,
  • - and in the event that I UPL is greater than I G , Selection of the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery in such a way that the aging of the fuel cell is reduced,
  • - and just in case I UPL less than I G is or I G corresponds to, choice of operating points without taking aging into account. The invention also relates to a motor vehicle.

Kraftfahrzeuge für die E-Mobilität können auch Brennstoffzellenvorrichtungen nutzen, bei denen Brennstoffzellen für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt werden, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen die Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden. Da beim Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in Kraftfahrzeugen die durch eine einzelne Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung nicht ausreicht, wird ein Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen bereitgestellt, der gemeinsam mit dem zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe die Brennstoffzellenvorrichtung bildet.Motor vehicles for e-mobility can also use fuel cell devices in which fuel cells are used to generate electrical energy from an electrochemical reaction in which hydrogen reacts with oxygen in a controlled manner. For this purpose, the fuel cells have a complex structure with a membrane electrode arrangement, on one side of which the anode is formed and on the other side of which the cathode is formed, the electrodes being supplied with the necessary reactants via bipolar plates. Since the power provided by a single fuel cell is not sufficient when fuel cell technology is used in motor vehicles, a fuel cell stack consisting of a plurality of fuel cells connected in series is provided, which, together with the auxiliary units required for supplying and conditioning the reactants, such as compressors, humidifiers, charge air coolers and main water coolers and the circulation pump constitutes the fuel cell device.

Brennstoffzellensysteme unterliegen im Laufe ihrer Lebensdauer einer Alterung. Diese Alterung besitzt einen reversiblen und einen irreversiblen Anteil und wird durch das Absinken der Spannung in einer Spannungs-Stromkennlinie beschrieben, während ein vorgegebener Strom von der Brennstoffzelle entnommen wird. So ist zu Beginn der Lebensdauer der Brennstoffzelle das Absinken der Spannung bei dem jeweiligen Strom geringer als nach fortgeschrittener Lebensdauer.Fuel cell systems are subject to aging over the course of their service life. This aging has a reversible and an irreversible component and is described by the drop in voltage in a voltage-current characteristic curve while a specified current is drawn from the fuel cell. At the beginning of the life of the fuel cell, for example, the drop in voltage for the respective current is less than after an advanced life.

Alterungs- oder Degradationseffekte können beispielsweise entstehen durch eine Kohlenstoffkorrosion des Katalysators bzw. seines Trägermaterials, insbesondere dann, wenn die Bedingungen für einen Luft-Luftstart vorliegen, also Luft sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig bei den Brennstoffzellen des betreffenden Brennstoffzellenstapels vorliegt. Zudem kann ein reversibler Alterungseffekt aufgrund der Oxidation des Platin oder ein irreversibler Alterungseffekt durch vollständigen Verlust des Platin in den Katalysatoren auftreten.Aging or degradation effects can arise, for example, from carbon corrosion of the catalyst or its carrier material, in particular when the conditions for an air-air start are present, i.e. air is present both on the anode side and on the cathode side in the fuel cells of the relevant fuel cell stack. In addition, a reversible aging effect due to the oxidation of the platinum or an irreversible aging effect due to the complete loss of the platinum in the catalytic converters can occur.

In Kraftfahrzeugen mit einer Brennstoffzellenvorrichtung werden auch Hochvoltbatterien verwendet, die im wesentlichen drei Funktionen erfüllt, nämlich die Aufnahme von Rekuperationsleistung bei einem Bremsvorgang, die Bereitstellung der erforderlichen Energie für den Startvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung sowie die Erhöhung der Systemleistung des Kraftfahrzeuges, wenn die Hochvoltbatterie parallel zur Brennstoffzellenvorrichtung zur Versorgung des Traktionsmotores eingesetzt wird.In motor vehicles with a fuel cell device, high-voltage batteries are also used, which essentially fulfill three functions, namely the absorption of recuperation power during braking, the provision of the energy required for starting the fuel cell device and increasing the system performance of the motor vehicle when the high-voltage battery is parallel to the fuel cell device is used to supply the traction motor.

In dem Kraftfahrzeug gibt der Fahrer oder die Fahrerin den Leistungswunsch bzw. -bedarf vor und das Antriebssteuergerät wird für die Leistungsaufteilung zwischen der Brennstoffzellenvorrichtung und der Hochvoltbatterie eingesetzt, wobei die Leistungsaufteilungsstrategie das Ziel eines möglichst niedrigen Verbrauchs des Kraftfahrzeuges in der Kombination der Brennstoffzellenvorrichtung und der Hochvoltbatterie anstrebt. Dabei kann es allerdings zu Betriebszuständen kommen, in denen die Brennstoffzellenvorrichtung mit sehr niedriger Last und entsprechend hohen Zellspannungen betrieben wird, was nachteilig im Hinblick auf deren Alterung ist, da hohe Zellspannungen maßgeblich für die Alterung sind. Auch die Hochvoltbatterie wird ungünstig belastet.In the motor vehicle, the driver specifies the desired or required power and the drive control unit is used to split the power between the fuel cell device and the high-voltage battery, the power-splitting strategy aiming at the lowest possible consumption of the motor vehicle in the combination of the fuel cell device and the high-voltage battery aspires to. However, this can lead to operating states in which the fuel cell device is operated with a very low load and correspondingly high cell voltages, which is disadvantageous with regard to its aging, since high cell voltages are decisive for aging. The high-voltage battery is also burdened unfavorably.

Aus der DE 10 2016 106 063 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems bekannt, das einem Kraftfahrzeug zugeordnet ist. In diesem Verfahren erfolgt eine Erfassung der Leistungsanforderung durch den Fahrer, wobei die benötigte elektrische Leistung durch das Brennstoffzellensystem bereit gestellt wird. Eine Sekundärbatterie wird als Leistungsquelle zum Antreiben des Kraftfahrzeuges genutzt, wenn beispielsweise nach dem Start die Brennstoffzelle eine geringe Leistungserzeugung aufweist.From the DE 10 2016 106 063 A1 a method for controlling a fuel cell system associated with a motor vehicle is known. In this method, the power requirement is recorded by the driver, the required electrical power being provided by the fuel cell system. A secondary battery is used as a power source for driving the motor vehicle when, for example, the fuel cell has a low power generation after starting.

In der DE 10 2015 118 424 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei dem die erforderlichen Leistungswerte bestimmt und die Betriebspunkte so gewählt werden, dass unzulässige Spannungswerte vermieden sind; eine Batterie kann überschüssige Leistung speichern und bedarfsweise wieder abgeben.In the DE 10 2015 118 424 A1 describes a method for controlling a fuel cell device, in which the required power values are determined and the operating points are selected so that impermissible voltage values are avoided; a battery can store excess power and release it again if necessary.

Die CN 109256573 A beschreibt ein Verfahren zur Regelung des Luftflusses bei einer Brennstoffzelle, indem durch eine Kontrolleinheit Sensordaten erfasst und ausgewertet werden, die zur Einstellung der Drehgeschwindigkeit einer Luftpumpe dienen, um potentiellen Problemen der Brennstoffzelle vorzubeugen durch Beachtung oberer und unterer Spannungsgrenzen zur Begrenzung einer Degradation.The CN 109256573 A describes a method for regulating the air flow in a fuel cell in that a control unit records and evaluates sensor data that are used for Setting the speed of rotation of an air pump is used to prevent potential problems with the fuel cell by observing upper and lower voltage limits to limit degradation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Alterungsstrategie für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung verbessert wird. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to specify a method with which an aging strategy for a motor vehicle with a fuel cell device is improved. Another object is to provide an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a motor vehicle with the features of claim 7. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem vorstehend genannten Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt die Nutzung eines Antriebssteuergerätes für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung und einer Hochvoltbatterie derart, dass zunächst die Festlegung einer Grenz-Systemleistung mit der zugeordneten Stromstärke IG der Brennstoffzelle durchgeführt wird. Sodann erfolgt die Bestimmung der Stromstärke IUPL der Brennstoffzelle bei Erreichen einer erlaubten Maximalspannung (Upper Potential Limit) und Vergleich der Stromstärke IUPL mit der Stromstärke IG . Dabei werden dann zwei Fälle unterschieden, nämlich

  • - dass IUPL größer ist als IG . In diesem Fall erfolgt die Wahl der Be triebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie derart, dass die Alterung der Brennstoffzelle reduziert wird.
  • - Der zweite Fall ist, dass IUPL kleiner als IG ist oder IG entspricht. In die sem Fall erfolgt die Wahl der Betriebspunkte ohne eine Berücksichtigung der Alterung, also nur im Hinblick auf eine möglichst große Effizienz des Gesamtsystems.
In the above-mentioned method for operating a motor vehicle with a fuel cell device, a drive control device is used to split the power supply between at least one fuel cell of the fuel cell device and a high-voltage battery in such a way that a limit system output with the associated current intensity is first established I G the fuel cell is carried out. The amperage is then determined I UPL the fuel cell when a permitted maximum voltage (Upper Potential Limit) is reached and the current intensity is compared I UPL with the amperage I G . A distinction is then made between two cases, namely
  • - that I UPL is greater than I G . In this case, the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery are selected in such a way that the aging of the fuel cell is reduced.
  • - The second case is that I UPL less than I G is or I G corresponds to. In this case, the operating points are selected without taking aging into account, that is to say only with a view to achieving the greatest possible efficiency of the overall system.

In dem ersten Fall ist die Alterung der Brennstoffzellenvorrichtung noch nicht weit fortgeschritten und es ist lohnend, die Alterungsprozesse im Sinne einer Alterungsstrategie bei der Betriebsstrategie zu berücksichtigen, wobei der Betrieb abseits des momentanen Effizienzmaximums hinsichtlich des erhöhten Energieeinsatzes, zumindest zum Teil, kompensiert wird, dadurch dass infolge der verminderten Alterung der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung nicht oder langsamer absinkt und dadurch Energie wieder eingespart wird, so dass der Verbrauch sich über die gesamte Lebensdauer möglichst geringfügig ändert. Durch die geringere Alterung steigt nämlich auch der Innenwiderstand der Brennstoffzellen und der Hochvoltbatterie nicht so schnell an, was zu Verbrauchsvorteilen führt. Es wird auch eine höhere Lebensdauer der Antriebsstrangkomponenten erreicht.In the first case, the aging of the fuel cell device has not yet progressed far and it is worthwhile to take into account the aging processes in the operating strategy in the sense of an aging strategy, whereby the operation beyond the current maximum efficiency is at least partially compensated for with regard to the increased energy consumption that, as a result of the reduced aging, the efficiency of the fuel cell device does not decrease or decreases more slowly and thus energy is saved again, so that the consumption changes as little as possible over the entire service life. Due to the lower aging, the internal resistance of the fuel cells and the high-voltage battery does not increase as quickly, which leads to consumption advantages. A longer service life for the drive train components is also achieved.

Im zweiten Fall ist bereits ein Absinken der Spannung unter die erlaubte Maximalspannung gegeben und ein geringer Verbrauch besitzt höhere Priorität.In the second case, the voltage has already dropped below the permitted maximum voltage and lower consumption has higher priority.

Bevorzugt ist es, wenn ein Brennstoffzellensteuergerät durch eine Reduktion der Stromstärke erfasst, wann die erlaubte Maximalspannung erreicht wird zur Bestimmung von IUPL . Dadurch ist eine einfache Möglichkeit geschaffen, aktuelle Informationen über den Alterungszustand zu erhalten und dies bei der Alterungsstrategie zu berücksichtigen. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Bestimmung von IUPL mehrfach während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird, um so Veränderungen über die gesamte Lebensdauer verfolgen und die Alterungsstrategie entsprechend anpassen zu können.It is preferred if a fuel cell control device detects by reducing the current intensity when the permitted maximum voltage is reached in order to determine I UPL . This creates a simple way of obtaining current information about the state of aging and taking this into account in the aging strategy. It is also advantageous if the determination of I UPL is carried out several times during the operation of the fuel cell device in order to track changes over the entire service life and to be able to adapt the aging strategy accordingly.

Einer Milderung der Alterungsprozesse dient auch, dass zur Reduzierung der Alterung der Brennstoffzelle deren Betriebspunkt in Richtung eines höheren Stromes verschoben ist und/oder die Brennstoffkonzentrationen reduziert werden. Eine Milderung der Alterung lässt alternativ oder ergänzend auch dadurch hervorgerufen, dass die Grenze zur Durchführung eines Purges in Richtung einer niedrigeren Brennstoffkonzentration verschoben ist.The aging processes are also mitigated by shifting the operating point of the fuel cell in the direction of a higher current and / or reducing the fuel concentrations in order to reduce the aging process. As an alternative or in addition, the aging can also be mitigated by shifting the limit for carrying out a purge in the direction of a lower fuel concentration.

Zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Leistung eines Kraftfahrzeuges besteht die Möglichkeit, mehr als einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen einzusetzen. In diesem Fall ist vorgesehen, dass für jeden Brennstoffzellenstapel getrennt die Stromstärke IUPL bestimmt und der daraus abgeleitete Alterungszustand bei der Entscheidung über die Nutzung der einzelnen Brennstoffzellenstapel und der Wahl von deren Betriebspunkten berücksichtigt wird.To increase the available power of a motor vehicle, it is possible to use more than one fuel cell stack with a plurality of fuel cells. In this case it is provided that for each fuel cell stack the current strength separately I UPL determined and the aging condition derived therefrom is taken into account when deciding on the use of the individual fuel cell stacks and the choice of their operating points.

Da es nicht sinnvoll ist, Komponenten zu verwenden, die sich hinsichtlich ihrer erwarteten Lebensdauer deutlich unterscheiden, ist vorgesehen, dass durch das Antriebssteuergerät bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird.Since it does not make sense to use components that differ significantly in terms of their expected service life, it is provided that the drive control unit strives for uniform aging when selecting the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, einer Hochvoltbatterie und einem Antriebssteuergerät für die Aufteilung der Leistungsanforderung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung und der Hochvoltbatterie, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der zuvor genannten Verfahren.The aforementioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a motor vehicle with a fuel cell device, a high-voltage battery and a drive control unit for dividing the power requirement between at least one fuel cell of the fuel cell device and the high-voltage battery, which is set up to carry out one of the aforementioned methods.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einem Antriebssteuergerät für die Leistungsaufteilung zwischen eine Hochvoltbatterie und einer Brennstoffzelle zum Zwecke der Versorgung eines Traktionsmotores, und
  • 2 die Strom-Spannungskurven zum Beginn der Lebensdauer einer Brennstoffzellenvorrichtung (durchgezogene Linie) und zu deren Ende (strichlierte Linie) mit der Angabe von IG .
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a motor vehicle with a drive control unit for the power distribution between a high-voltage battery and a fuel cell for the purpose of supplying a traction motor, and
  • 2 the current-voltage curves at the beginning of the service life of a fuel cell device (solid line) and at its end (dashed line) with the indication of I G .

In der 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 gezeigt, das mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 und einer Hochvoltbatterie 3 zur Versorgung eines Traktionsmotores 4 ausgestattet ist, wobei nach Vorgabe der Leistungsanforderung 5 durch einen Nutzer 6 ein Antriebssteuergerät 7 die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen der Brennstoffzelle beziehungsweise dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung 2 und einer Hochvoltbatterie 3 dient.In the 1 is schematically a motor vehicle 1 shown that with a fuel cell device 2 and a high-voltage battery 3 to supply a traction motor 4th is equipped, according to the specification of the performance requirement 5 by a user 6th a drive control unit 7th the division of the provision of power between the fuel cell or the fuel cell stack of the fuel cell device, which has a plurality of fuel cells 2 and a high-voltage battery 3 serves.

Jede der Brennstoffzellen umfasst dabei eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 4 dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that act as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 4th serve.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 ⇢ 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 ⇢ 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Sowohl die Brennstoffzellen als auch die Hochvoltbatterien 3 unterliegen im Betrieb Alterungsprozessen, die bei ungünstigen Betriebspunkten schneller ablaufen. Insbesondere hohe Zellspannungen, die bei geringen Lastanforderungen auftreten sind im Hinblick auf die Alterung ungünstig. Es wird daher eine Alterungsstrategie genutzt mit einem Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges 1 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2, das das Antriebssteuergerät 7 für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung 8 zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung 2 und einer Hochvoltbatterie 3 nutzt, umfassend die Schritte der Festlegung einer Grenz-Systemleistung mit der zugeordneten Stromstärke IG der Brennstoffzelle, der Bestimmung der Stromstärke IUPL der Brennstoffzelle bei Erreichen einer erlaubten Maximalspannung, Vergleich der Stromstärke IUPL mit der Stromstärke IG ,

  • - und für den Fall, dass IUPL größer ist als IG , Wahl der Betriebspunk-te für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie derart, dass die Alterung der Brennstoffzelle reduziert wird,
  • - und für den Fall das IUPL kleiner als IG ist oder IG entspricht, Wahl der Betriebspunkte ohne eine Berücksichtigung der Alterung.
Both the fuel cells and the high-voltage batteries 3 are subject to aging processes during operation, which run faster at unfavorable operating points. In particular, high cell voltages that occur with low load requirements are unfavorable with regard to aging. An aging strategy is therefore used with a method for operating a motor vehicle 1 with a fuel cell device 2 that is the drive control unit 7th for the division of the service provision 8th between at least one fuel cell of the fuel cell device 2 and a high-voltage battery 3 utilizes, comprising the steps of establishing a system performance limit with the associated amperage I G the fuel cell, the determination of the amperage I UPL of the fuel cell when a permitted maximum voltage is reached, comparison of the current intensity I UPL with the amperage I G ,
  • - and in the event that I UPL is greater than I G , Selection of the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery in such a way that the aging of the fuel cell is reduced,
  • - and just in case I UPL less than I G is or I G corresponds to, choice of operating points without taking aging into account.

In 2 ist IG dargestellt, wobei der schraffierte Bereich links davon den zweiten Fall darstellt, dass die Spannung bereits durch Alterung erniedrigt und insbesondere unterhalb der erlaubten Maximalspannung UPL ist und damit auch sehr niedrige Stromstärken für die Betriebspunkte berücksichtigt werden können. Der Wert IG ist dabei eine fahrzeugabhängige Größe, die auch dynamisch festgelegt werden kann. Beispielsweise kann IG einer Leistung von 5 kW entsprechen, so dass ein Betrieb im Kraftfahrzeug 1 ohne Einschränkungen möglich ist.In 2 is I G shown, the hatched area to the left of it represents the second case in which the voltage has already decreased due to aging and, in particular, below the permitted maximum voltage UPL and therefore very low currents can also be taken into account for the operating points. The value I G is a vehicle-dependent variable that is also dynamic can be set. For example, can I G correspond to a power of 5 kW, so that an operation in the motor vehicle 1 is possible without restrictions.

Der Bereich rechts von IG , oder wenn IUPL noch rechts von IG liegt, könnte zu ungünstig hohen Spannungswerten führen, so dass ein alterungsminimierender Betrieb mit der entsprechenden Wahl der Betriebspunkte erfolgt, insbesondere indem zur Reduzierung der Alterung der Brennstoffzelle deren Betriebspunkt in Richtung eines höheren Stromes verschoben und/oder die Grenze zur Durchführung eines Purges in Richtung einer niedrigeren Brennstoffkonzentration verschoben ist.The area to the right of I G , or when I UPL still to the right of I G is, could lead to unfavorably high voltage values, so that an aging-minimizing operation takes place with the appropriate selection of the operating points, in particular by shifting the operating point of the fuel cell in the direction of a higher current and / or the limit for carrying out a purge in the direction of a lower fuel concentration is shifted.

Die Alterung lässt sich bestimmen, indem ein Brennstoffzellensteuergerät 9 durch eine Reduktion der Stromstärke erfasst, wann die erlaubte Maximalspannung UPL erreicht wird zur Bestimmung von IUPL , wobei die Bestimmung von IUPL auch mehrfach während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 2 durchgeführt werden kann.The aging can be determined by using a fuel cell control unit 9 by reducing the amperage it detects when the maximum voltage allowed UPL is achieved for the determination of I UPL , where the determination of I UPL also several times during the operation of the fuel cell device 2 can be carried out.

Für höheren Leistungsbedarf kann das Kraftfahrzeug 1 auch über eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln verfügen, die jeweils eine Mehrzahl der Brennstoffzelle aufweisen. Dann wird für jeden Brennstoffzellenstapel getrennt die Stromstärke IUPL bestimmt und der daraus abgeleitete Alterungszustand bei der Entscheidung über die Nutzung der einzelnen Brennstoffzellenstapel und der Wahl von deren Betriebspunkten berücksichtigt.For higher power requirements, the motor vehicle 1 also have a plurality of fuel cell stacks, each having a plurality of the fuel cell. The amperage is then separated for each fuel cell stack I UPL determined and the aging condition derived therefrom taken into account when deciding on the use of the individual fuel cell stacks and the choice of their operating points.

Außerdem kann durch das Verfahren darauf geachtet werden, dass durch das Antriebssteuergerät 7 bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie 3 deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird.In addition, the method can be used to ensure that the drive control unit 7th when choosing the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery 3 whose uniform aging is sought.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
KraftfahrzeugMotor vehicle
22
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
33
HochvoltbatterieHigh voltage battery
44th
TraktionsmotorTraction motor
55
LeistungsanforderungPerformance requirement
66th
NutzerUsers
77th
AntriebssteuergerätDrive control unit
88th
Aufteilung der LeistungsanforderungDistribution of the performance requirement
IGIG
Stromstärke bei der Grenz-SystemleistungAmperage at the limit system performance
IUPLIUPL
Stromstärke bei erlaubter MaximalspannungAmperage at the permitted maximum voltage
UPLUPL
MaximalspannungMaximum voltage
99
BrennstoffzellensteuergerätFuel cell control unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016106063 A1 [0007]DE 102016106063 A1 [0007]
  • DE 102015118424 A1 [0008]DE 102015118424 A1 [0008]
  • CN 109256573 A [0009]CN 109256573 A [0009]

Claims (7)

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges (1) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), das ein Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung (8) der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und einer Hochvoltbatterie (3) nutzt, umfassend die Schritte der Festlegung einer Grenz-Systemleistung mit der zugeordneten Stromstärke IG der Brennstoffzelle, der Bestimmung der Stromstärke IUPL der Brennstoffzelle bei Erreichen einer erlaubten Maximalspannung (UPL), Vergleich der Stromstärke IUPL mit der Stromstärke IG, - und für den Fall, dass IUPL größer ist als IG, Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie (3) derart, dass die Alterung der Brennstoffzelle reduziert wird, - und für den Fall das IUPL kleiner als IG ist oder IG entspricht, Wahl der Betriebspunkte ohne eine Berücksichtigung der Alterung.A method for operating a motor vehicle (1) with a fuel cell device (2) which uses a drive control device (7) for the division (8) of the power supply between at least one fuel cell of the fuel cell device (2) and a high-voltage battery (3), comprising the steps of Definition of a limit system output with the assigned current I G of the fuel cell, the determination of the current I UPL of the fuel cell when a permitted maximum voltage (UPL) is reached, comparison of the current I UPL with the current I G , - and in the event that I UPL is greater than I G , select the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery (3) in such a way that the aging of the fuel cell is reduced, - and if I UPL is less than I G or corresponds to I G , select the operating points without taking aging into account. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffzellensteuergerät (9) durch eine Reduktion der Stromstärke erfasst, wann die erlaubte Maximalspannung (UPL) erreicht wird zur Bestimmung von IUPL.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a fuel cell control device (9) detects by reducing the current intensity when the permitted maximum voltage (UPL) is reached in order to determine I UPL . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung von IUPL mehrfach während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung (2) durchgeführt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the determination of I UPL is carried out several times during the operation of the fuel cell device (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Alterung der Brennstoffzelle deren Betriebspunkt in Richtung eines höheren Stromes verschoben und/oder die Grenze zur Durchführung eines Purges in Richtung einer niedrigeren Brennstoffkonzentration verschoben ist.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that, in order to reduce the aging of the fuel cell, its operating point is shifted in the direction of a higher current and / or the limit for carrying out a purge is shifted in the direction of a lower fuel concentration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln, die jeweils eine Mehrzahl an Brennstoffzellen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Brennstoffzellenstapel getrennt die Stromstärke IUPL bestimmt wird und der daraus abgeleitete Alterungszustand bei der Entscheidung über die Nutzung der einzelnen Brennstoffzellenstapel und der Wahl von deren Betriebspunkten berücksichtigt wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , with a plurality of fuel cell stacks, each having a plurality of fuel cells, characterized in that the current I UPL is determined separately for each fuel cell stack and the aging condition derived therefrom is taken into account when deciding on the use of the individual fuel cell stacks and the selection of their operating points becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Antriebssteuergerät (7) bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie (3) deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the drive control unit (7) strives for their uniform aging when selecting the operating points for the fuel cell and the high-voltage battery (3). Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), einer Hochvoltbatterie (3) und einem Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung (8) der Leistungsanforderung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und der Hochvoltbatterie (3), das eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Motor vehicle with a fuel cell device (2), a high-voltage battery (3) and a drive control unit (7) for dividing (8) the power requirement between at least one fuel cell of the fuel cell device (2) and the high-voltage battery (3), which is set up to carry out the method after one of the Claims 1 to 6th .
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DE102022200744A1 (en) 2022-01-24 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Multifactorially optimized system for operating an electrically powered vehicle

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DE102018216232A1 (en) * 2018-09-24 2020-03-26 Robert Bosch Gmbh Online optimization procedure for setting the mode of operation of a fuel cell system

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