DE102019128424A1

DE102019128424A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019128424A1
Application number: DE102019128424.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bollgönn
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 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die über einen DC/DC-Wandler (3) an ein Hochspannungsnetz (7) angeschlossen ist, mit einer Hochvoltbatterie (2) und mit einem Hochspannungsnetzverteiler (4) zur Versorgung von für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten (5) sowie eines Traktionsmotores (6), bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung (1) im Teillastbereich mit einer hinsichtlich ihres Wirkungsgrades angepassten Ausgangspannung betrieben wird, und bei dem die Spannung des Hochspannungsnetzes (7) an diese Ausgangsspannung angepasst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die über einen DC/DC-Wandler an ein Hochspannungsnetz angeschlossen ist, mit einer Hochvoltbatterie und mit einem Hochspannungsnetzverteiler zur Versorgung von für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten sowie eines Traktionsmotores, bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung im Teillastbereich mit einer hinsichtlich ihres Wirkungsgrades angepassten Ausgangspannung betrieben wird, und bei dem die Spannung des Hochspannungsnetzes an diese Ausgangsspannung angepasst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.
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. Liegt der Leistungsbedarf unter dem maximal möglichen Leistungsbereitstellung, so wird häufig die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel von Brennstoffzellen im Teillastbereich betrieben, bei dem die Spannung des Brennstoffzellenstapels vermindert ist. Da die Bordnetze der Kraftfahrzeuge eine von der Hochvoltbatterie vorgegebene Spannung haben, die über kurze Zeiträume betrachtet konstant ist, wird über den DC/DC-Wandler die variable Spannung des Brennstoffzellenstapels auf die konstante Spannung des Hochspannungsnetzes angehoben. Dies bedeutet aber, dass abhängig von dem gegebenen Betriebspunkt des Gesamtsystems dieses nicht im Maximum des Wirkungsgrades betrieben wird.
In der US 2005/0048335 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines hybriden Brennstoffzellensystems beschrieben, das neben dem Brennstoffzellenstapel eine Hochvoltbatterie besitzt. Dabei wird über einen Sensor die Spannung des Brennstoffzellenstapels erfasst und an einen Regelkreis übergeben, der ein Ausgangsignal für den DC/DC-Wandler bereit stellt, wobei der DC/DC-Wandler so geregelt wird, dass vom Brennstoffzellenstapel die maximale Leistung geliefert wird, die dieser generieren kann, so dass im Allgemeinen die maximale Leistung für die Last beziehungsweise den Verbraucher verfügbar ist.
In der DE 10 2016 212 683 A1 und DE 10 2016 210 489 A1 werden Verfahren beschrieben für die Inbetriebnahme respektive das Stoppen eines Brennstoffzellenfahrzeuges, wobei für die Inbetriebnahme die Brennstoffzellenspannung auf einen vorgegebenen Wert und die Bus-Stufenspannung eines Stromrichters eingestellt wird. Im Stopp-Modus wird ein Wandler, der zwischen der Hochvoltbatterie und dem Busanschluss angeschlossen ist, so betrieben, um die Spannung des Busanschlusses derart einzustellen, dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu mildern oder zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Da durch das eingangs genannte Verfahren die Spannung des Hochspannungsnetzes variabel ist und auf die im Teillastbereich des Brennstoffzellenstapels Wirkungsgrades vorliegende Ausgangsspannung abgestimmt wird, liegt ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Regelung des Gesamtsystems vor, der die Möglichkeit einer Erhöhung des Wirkungsgrades bietet und damit die Effizienz und die erzielbare Reichweite des Kraftfahrzeuges steigert.
Dabei ist vorgesehen, dass die Anpassung der Spannung des Hochspannungsnetzes erfolgt, indem die Hochvoltbatterie über einen DC/DC-Wandler mit dem Hochspannungsnetz verbunden ist und dabei vorzugsweise die Hochvoltbatterie bedarfsweise mit den Hochspannungsnetz verbunden oder von diesem getrennt wird. Der DC/DC-Wandler kann dabei durch den bereits für den Brennstoffzellenstapel genutzten DC/DC-Wandler gebildet sein, wobei aber auch die zusätzliche Bereitstellung eines weiteren DC/DC-Wandlers möglich ist.
Die Hochvoltbatterie wird für den Fall von dem Hochspannungsnetz getrennt, dass deren Batteriespannung oberhalb der für den Teillastbereich erforderlichen Spannung des Hochspannungsnetzes liegt. Im Teillastbereich steht stets ausreichend Leistung durch den Brennstoffzellenstapel zur Verfügung, so dass die Bereitstellung von Reserveleistung durch die Hochvoltbatterie entbehrlich ist und der Verbesserung des Wirkungsgrades höhere Priorität gegeben werden kann.
Dies kann erfolgen, indem ein Kennfeld erstellt wird aus der Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes, den Betriebspunkten des Traktionsmotores und der Nebenaggregate und dem Wirkungsgrad, wobei das Kraftfahrzeug im Teillastbereich mittels einer Mehrgrößenoptimierung des Kennfeldes im optimalen Teillastwirkungsgrad betrieben wird.
Die vorstehend geschilderten Vorteile und Wirkungen liegen sinngemäß auch bei einem Kraftfahrzeug vor mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die über einen DC/DC-Wandler an ein Hochspannungsnetz angeschlossen ist, mit einer Hochvoltbatterie und mit einem Hochspannungsnetzverteiler zur Versorgung von für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten sowie eines Traktionsmotores, wenn ein Steuergerät vorgesehen ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Hochvoltbatterie über den DC/DC-Wandler an das Hochspannungsnetz elektrisch angekoppelt ist, insbesondere lösbar angekoppelt ist, um so die Hochvoltbatterie elektrisch von dem Hochspannungsnetz trennen und dieses auf einem bedarfsbestimmten Spannungsniveau ohne Einfluss der Hochvoltbatterie betreiben zu können.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Hochvoltbatterie über eine Leistungselektronik zur Anpassung des Spannungsniveaus an das Hochspannungsnetz elektrisch angekoppelt ist, da so unverändert die Hochvoltbatterie zur Aufnahme der Rekuperationsleistung beim Bremsen sowie zur Speisung des Traktionsmotores ergänzend zur Verfügung steht, wobei das Spannungsniveau im Hochspannungsnetz für den Teillastbereich beibehalten werden kann.
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 der Topologie des Hochspannungsnetzes, und
2 eine der 1 entsprechende Darstellung der Topologie des Hochspannungsnetzes nach dem Stand der Technik.

1 zeigt schematisch die Topologie des Hochspannungsnetzes 7 eines Kraftfahrzeuges, das über eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt, die über einen DC/DC-Wandler 3 an das Hochspannungsnetz 7 angeschlossen ist. In dieses Hochspannungsnetz 7 eingebunden ist auch eine Hochvoltbatterie 2. Ein Hochspannungsnetzverteiler 4 dient der Verteilung der durch den Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung 1 sowie der Hochvoltbatterie 2 zur Verfügung gestellten Leistung an die für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten 5 sowie an den Traktionsmotor 6 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. Zu beachten ist dabei, dass die Hochvoltbatterie 2 über den DC/DC-Wandler 3 an das Hochspannungsnetz 7 elektrisch angekoppelt ist, und zwar lösbar an das Hochspannungsnetz 7 elektrisch angekoppelt ist, so dass die Hochvoltbatterie 2 bedarfsweise elektrisch von dem DC/DC-Wandler 3 über die lösbare Verbindung 8 getrennt werden kann. Alternativ besteht die nicht in der Zeichnung gezeigte Möglichkeit, dass die Hochvoltbatterie 2 über eine Leistungselektronik zur Anpassung des Spannungsniveaus an das Hochspannungsnetz 7 elektrisch angekoppelt ist.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Gesamtsystem mit einem gegenüber dem in 2 gezeigten Stand der Technik mit einem weiteren Freiheitsgrad zu betreiben, indem ein Verfahren ausgeführt wird, bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung 1 im Teillastbereich mit einer hinsichtlich ihres Wirkungsgrades angepassten Ausgangspannung betrieben wird, und bei dem die Spannung des Hochspannungsnetzes 7 an diese Ausgangsspannung angepasst wird, weil die Hochvoltbatterie 2 über den DC/DC-Wandler 3 mit dem Hochspannungsnetz 7 verbunden ist oder bedarfsweise mit den Hochspannungsnetz verbunden oder von diesem getrennt wird, insbesondere eine Trennung erfolgt, wenn die Batteriespannung oberhalb der für den Teillastbereich erforderlichen Spannung des Hochspannungsnetzes 7 liegt.
Die Optimierung des Gesamtwirkungsgrades erfolgt, indem ein Kennfeld erstellt wird aus der Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 7, den Betriebspunkten des Traktionsmotores 6 und der Nebenaggregate 5 und deren Wirkungsgrade, und dass das Kraftfahrzeug im Teillastbereich mittels eines Mehrgrößenoptimierung des Kennfeldes im optimalen Teillastwirkungsgrad betrieben wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel/Brennstoffzellenvorrichtung
2: Hochvoltbatterie
3: DC/DC-Wandler
4: Hochspannungsnetzverteiler
5: Nebenaggregate
6: Traktionsmotor
7: Hochspannungsnetz
8: Lösbare Verbindung

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

US 2005/0048335 A1 [0004]
DE 102016212683 A1 [0005]
DE 102016210489 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die über einen DC/DC-Wandler (3) an ein Hochspannungsnetz (7) angeschlossen ist, mit einer Hochvoltbatterie (2) und mit einem Hochspannungsnetzverteiler (4) zur Versorgung von für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten (5) sowie eines Traktionsmotores (6), bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung (1) im Teillastbereich mit einer hinsichtlich ihres Wirkungsgrades angepassten Ausgangspannung betrieben wird, und bei dem die Spannung des Hochspannungsnetzes (7) an diese Ausgangsspannung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Spannung des Hochspannungsnetzes (7) erfolgt, indem die Hochvoltbatterie (2) über den DC/DC-Wandler (3) mit dem Hochspannungsnetz (7) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) bedarfsweise mit den Hochspannungsnetz (7) verbunden oder von diesem getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) für den Fall von dem Hochspannungsnetz (7) getrennt wird, dass deren Batteriespannung oberhalb der für den Teillastbereich erforderlichen Spannung des Hochspannungsnetzes (7) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennfeld erstellt wird aus der Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes (7), den Betriebspunkten des Traktionsmotores (6) und der Nebenaggregate (5) und deren Wirkungsgrade, und dass das Kraftfahrzeug im Teillastbereich mittels eines Mehrgrößenoptimierung des Kennfeldes im optimalen Teillastwirkungsgrad betrieben wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die über einen DC/DC-Wandler (3) an ein Hochspannungsnetz (7) angeschlossen ist, mit einer Hochvoltbatterie (2) und mit einem Hochspannungsnetzverteiler (4) zur Versorgung von für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und/oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregaten (5) sowie eines Traktionsmotores (6), wobei ein Steuergerät vorgesehen ist zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) über den DC/DC-Wandler (3) an das Hochspannungsnetz (7) elektrisch angekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) über den DC/DC-Wandler (3) lösbar an das Hochspannungsnetz (7) elektrisch angekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) über eine Leistungselektronik zur Anpassung des Spannungsniveaus an das Hochspannungsnetz (7) elektrisch angekoppelt ist.