DE102019128420A1

DE102019128420A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019128420A1
Application number: DE102019128420.1A
Authority: DE
Inventors: Kai Müller; Hannah Staub; Markus RUF
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges (1) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), das ein Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und einer Hochvoltbatterie (3) nutzt, umfassend die Schritte der Wahl eines Betriebspunktes für die Brennstoffzelle durch das Antriebssteuergerät (7), bei dem ein minimaler Verbrauch eines Brennstoffes gegeben ist, und Modifizierung des Betriebspunktes derart, dass unter Inkaufnahme eines erhöhten Verbrauchs die Alterung der Brennstoffzelle reduziert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug (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 Wahl eines Betriebspunktes für die Brennstoffzelle durch das Antriebssteuergerät, bei dem ein minimaler Verbrauch eines Brennstoffes gegeben ist, und Modifizierung des Betriebspunktes derart, dass unter Inkaufnahme eines erhöhten Verbrauchs die Alterung der Brennstoffzelle reduziert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.
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 generierte 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.
Brennstoffzellenvorrichtungen 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.
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.
In Kraftfahrzeugen mit einer Brennstoffzellenvorrichtung werden auch Hochvoltbatterien verwendet, die im wesentlichen drei Funktionen erfüllen, 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 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 die Alterung ist, da hohe Zellspannungen maßgeblich für die Alterung sind. Auch die Hochvoltbatterie wird ungünstig belastet.
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.
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.
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.
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.
Das eingangs genannte Verfahren nutzt die Schritte der Wahl eines Betriebspunktes für die Brennstoffzelle durch das Antriebssteuergerät, bei dem ein minimaler Verbrauch eines Brennstoffes gegeben ist, und Modifizierung des Betriebspunktes derart, dass unter Inkaufnahme eines erhöhten Verbrauchs die Alterung der Brennstoffzelle reduziert ist. Es ist also eine Alterungsstrategie vorgeschlagen, bei der nicht nur die Randbedingung eines möglichst geringen Verbrauchs berücksichtigt ist, sondern eine Erweiterung vorliegt, bei der auch die Alterung berücksichtigt wird mit dem Ziel diese Alterung durch eine geeignet Wahl von Betriebszuständen zu verlangsamen. Dazu wird momentan auch ein erhöhter Verbrauch in Kauf genommen. Die Alterungsstrategie ist dabei so gestaltet, dass durch das Antriebssteuergerät die Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie so gewählt sind, dass die Alterung beider Komponenten reduziert ist.
Ziel ist dabei auch, dass durch das Antriebssteuergerät bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird, da es in vielen Fällen nicht sinnvoll ist, wenn zum Ende der Lebensdauer (EOL) einer Komponente die andere noch lange einsatzfähig ist, sondern besser eine gleichmäßige Abnutzung angestrebt wird. Die Alterung der Komponenten kann aber auch gezielt verschieden sein. Zum Beispiel könnte die Batterie planmäßig nach der halben Lebensdauer getauscht werden.
Um die momentan gegebenen Verbrauchsnachteile bei der Alterungsstrategie nicht als Argument gegen deren Einsatz verwenden zu können, ist die Modifizierung der Betriebspunkte so gewählt, dass die durch die reduzierte Alterung bewirkte Bewahrung und/oder verlangsamte Verschlechterung des Wirkungsgrades den erhöhten Verbrauch zumindest zu 60 %, vorzugsweise zu 80 % und insbesondere zu 90 % kompensiert. Der Verbrauchsnachteil ist damit nur anfänglich gegeben und wandelt sich zu einem Vorteil durch den verbesserten Wirkungsgrad, so dass über die Lebensdauer betrachtet allenfalls ein geringer Mehrverbrauch vorliegt, der aber mit der verlängerten Lebensdauer und der später anfallenden Notwendigkeit eines Ersatzes für den Nutzen einen deutlichen Gebrauchsvorteil bietet.
Vorgesehen ist dabei auch, dass das Nutzungsverhalten des Fahrers des Kraftfahrzeuges erfasst, ausgewertet und klassifiziert wird hinsichtlich der Häufigkeit und Intensität eines alterungsfördernden Betriebs, da so eine Vorausschau möglich ist mit einer Anpassung der Alterungsstrategie. Insbesondere besteht so auch die Möglichkeit, dass die Alterung bis zum Ende der Lebensdauer extrapoliert wird, um die Größe der Modifizierung für das Erreichen der Lebensdauer zu bestimmen. Es kann also erkannt werden, ob der gegebene und zu erwartende Betrieb das Erreichen der Lebensdauer ermöglicht, oder ob ein ungünstiger Einsatz beispielsweise im Kurzstrecken- und Stadtverkehr eine schnellere Alterung erwarten lässt, die durch eine angepasste Alterungsstrategie ausgeglichen werden muss.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen ergeben sich sinngemäß auch bei einem 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 vorstehend genannten Verfahren.
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.
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,
2 eine zeitabhängige Darstellung des Wasserstoffverbrauchs bis zum Ende der Lebensdauer, mit der strichlierten Darstellung des Wasserstoffverbrauchs mit einem durch die reduzierte Alterung bewahrten Wirkungsgrad im Vergleich zu normaler Alterung (gezeigt mit durchgezogener Linie),
3 der Strom-Spannungsverlauf für unterschiedliche Betriebsweisen,
4 Klassifizierung der Alterungsmechanismen über die Spannungs-Strom-Kennlinie und angedeutete Häufigkeit der betreffenden Betriebspunkte des Fahrers, und
5 eine zeitabhängige Darstellung der gemessenen und prognostizierten Degradation der Zellspannung.

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.
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.
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.
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.
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).
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 ein Antriebssteuergerät 7 für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung 2 und einer Hochvoltbatterie 3 nutzt, umfassend die Schritte der Wahl eines Betriebspunkte für die Brennstoffzelle durch das Antriebssteuergerät 7, bei dem ein minimaler Verbrauch eines Brennstoffes gegeben ist, und Modifizierung des Betriebspunktes derart, dass unter Inkaufnahme eines erhöhten Verbrauchs die Alterung der Brennstoffzelle reduziert ist. Insbesondere sind wobei durch das Antriebssteuergerät 7 die Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie 3 so gewählt, dass die Alterung beider Komponenten reduziert ist und bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie 3 deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird.
Zu beachten ist, dass der anfängliche Verbrauchsnachteil durch die Modifikation mit der Veränderung der Betriebspunkte weg vom Verbrauchsoptimum nicht über die gesamte Lebensdauer gilt, da die Modifizierung der Betriebspunkte so gewählt werden kann, dass die durch die reduzierte Alterung bewirkte Bewahrung und/oder verlangsamte Verschlechterung des Wirkungsgrades den erhöhten Verbrauch zumindest zu 60 %, vorzugsweise zu 80 % und insbesondere zu 90 % kompensiert. Dieser Effekt ist in der 2 veranschaulicht, die die Kompensierung des anfänglichen Mehrverbrauchs durch den späteren Minderverbrauch zeigt.
Ausweislich 4 wird das Nutzungsverhalten des Fahrers des Kraftfahrzeuges 1 erfasst, ausgewertet und klassifiziert hinsichtlich der Häufigkeit und Intensität eines alterungsfördernden Betriebs. Rein exemplarisch sind drei mögliche Alterungsfälle mit „A“ und „B“ gekennzeichnet. Fall „A“ betrifft beispielsweise die potentialabhängige Alterung, die ebenfalls lediglich beispielhaft zur Senkung von 1mV/h führen kann. Fall „B“ betrifft beispielsweise die temperaturabhängige Alterung, die ebenfalls lediglich beispielhaft zur Senkung von 0,1 mV/h führen kann. Ein weiterer Fall könnte auch der Kaltbetrieb mit hoher Feuchtigkeit sein, der ebenfalls lediglich beispielhaft zu einer Alterung von 0,7mV/h führen kann. Es besteht die Möglichkeit, die Alterungsstrategie auf die zu erwartenden Betriebsbedingungen prädiktiv anzupassen und insbesondere die Alterung bis zum Ende der Lebensdauer zu extrapolieren, um die Größe der Modifizierung für das Erreichen der Lebensdauer zu bestimmen (5).
Die 3 zeigt, dass durch die Alterungsstrategie die Leistungsaufteilung so angepasst wird, dass bei Fahrern mit einem häufigen Niederlastbetrieb die Last für die Brennstoffzelle vergrößert wird, erkennbar durch die Veränderung des Stromes von I₁ zu I₁*, um diese mit einer erhöhten Spannungsdegradation verbundenen Betriebspunkte zu vermeiden. Dadurch steigt der momentane Brennstoffverbrauch, was aber zumindest zum Teil, aber potentiell auch vollständig kompensiert wird durch den mit der verringerten Alterung verbundenen verbesserten Wirkungsgrad, ersichtlich durch die mit der verbesserten Alterungsstrategie verbundenen höheren Spannung U_t2* gegenüber der zum Zeitpunkt t₂ gegebenen Spannung U_t2 ohne die Alterungsstrategie. In 3 zeigt die Linie t₁ den Strom-Spannungsverlauf zum Beginn der Lebensdauer ohne alterungsbedingte Verschlechterung, die Linie t₂* den Strom-Spannungsverlauf mit Alterungsstrategie und die Linie t₂ ohne Alterungsstrategie.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Hochvoltbatterie
4: Traktionsmotor
5: Leistungsanforderung
6: Nutzer
7: Antriebssteuergerät
8: Aufteilung der Leistungsanforderung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016106063 A1 [0007]
CN 109256573 A [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), das ein Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung der Leistungsbereitstellung zwischen mindestens einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und einer Hochvoltbatterie (3) nutzt, umfassend die Schritte der Wahl eines Betriebspunktes für die Brennstoffzelle durch das Antriebssteuergerät (7), bei dem ein minimaler Verbrauch eines Brennstoffes gegeben ist, und Modifizierung des Betriebspunktes derart, dass unter Inkaufnahme eines erhöhten Verbrauchs die Alterung der Brennstoffzelle reduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Antriebssteuergerät (7) die Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie (3) so gewählt sind, dass die Alterung beider Komponenten reduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Antriebssteuergerät (7) bei der Wahl der Betriebspunkte für die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie (3) deren gleichmäßige Alterung angestrebt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung der Betriebspunkte so gewählt ist, dass die durch die reduzierte Alterung bewirkte Bewahrung und/oder verlangsamte Verschlechterung des Wirkungsgrades den erhöhten Verbrauch zumindest zu 60 %, vorzugsweise zu 80 % und insbesondere zu 90 % kompensiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzungsverhalten des Fahrers des Kraftfahrzeuges (1) erfasst, ausgewertet und klassifiziert wird hinsichtlich der Häufigkeit und Intensität eines alterungsfördernden Betriebs.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung bis zum Ende der Lebensdauer extrapoliert wird, um die Größe der Modifizierung für das Erreichen der Lebensdauer zu bestimmen.
Kraftfahrzeug (1) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2), einer Hochvoltbatterie (3) und einem Antriebssteuergerät (7) für die Aufteilung 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.