DE102019132088A1 - Fuel cell system, method for operating a fuel cell system, vehicle, air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1000, 1000', 1000") zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe (PO), aufweisend:- eine Brennstoffzelle (100) zum Erzeugen einer Energiemenge (E, EE, EM, ET) für die Leistungsabgabe (PO) und- einen Energiespeicher (300) zum Speichern der Energiemenge (E, EE, ET),- eine Steuereinrichtung (400, 400', 400"), die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle (100), wobei eine Leistungsvorgabe (LV) für die Brennstoffzelle (100) zum Steuern der Leistungsabgabe (PO) vorgegeben wird, wobei- der Brennstoffzelle (100) ein Wirkungsgrad (WG) in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung (PB) zugeordnet ist.Erfindungsgemäß ist bei dem Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass- für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe (LV) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) erfolgt.The invention relates to a fuel cell system (1000, 1000 ', 1000 ") for providing a power output (PO), comprising: a fuel cell (100) for generating an amount of energy (E, EE, EM, ET) for the power output (PO) and - an energy store (300) for storing the amount of energy (E, EE, ET), - a control device (400, 400 ', 400 ") which is designed in an operation to control the fuel cell (100), with a power specification (LV ) is specified for the fuel cell (100) for controlling the power output (PO), the fuel cell (100) being assigned an efficiency (WG) as a function of a fuel cell power (PB). According to the invention, it is provided in the fuel cell system that- for an efficiency-improved operation, the power specification (LV) is dependent on the state of charge (LZ) of the energy store (300).
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell system according to the preamble of
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 17 sowie ein Fahrzeug und ein Klimasystem.The invention also relates to a method according to claim 17 and to a vehicle and an air conditioning system.
Brennstoffzellen sind allgemein bekannt. Mittels einer Brennstoffzelle - oder insbesondere mehrerer Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels - kann aus der chemischen Reaktionsenergie eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels elektrische Energie und/oder Wärme erzeugt werden. Brennstoffzellen finden zahlreiche Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugantrieben oder in Heizungen.Fuel cells are well known. By means of a fuel cell - or in particular a plurality of fuel cells in the form of a fuel cell stack - electrical energy and / or heat can be generated from the chemical reaction energy of a fuel and an oxidizing agent. Fuel cells are used in numerous applications, particularly in vehicle drives or in heating systems.
Problematisch bei einem derartigen Ansatz ist jedoch, dass zwar ein für die Batterie optimaler Zustand erreicht wird, jedoch der Zustand und die Effizienz der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels nicht berücksichtigt wird.The problem with such an approach, however, is that, although an optimal state for the battery is achieved, the state and the efficiency of the fuel cell or the fuel cell stack are not taken into account.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, die Effizienz eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen und den Zustand der Brennstoffzelle zu schonen, insbesondere deren Verschleiß zu vermindern.This is where the invention comes in, the task of which is to increase the efficiency of a fuel cell system and to protect the condition of the fuel cell, in particular to reduce its wear and tear.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Brennstoffzellensystem des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffzellensystem, zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe, aufweisend:
- - eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Energiemenge für die Leistungsabgabe und
- - einen Energiespeicher zum Speichern der Energiemenge,
- - eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle, wobei eine Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle zum Steuern der Leistungsabgabe vorgegeben wird, wobei
- - der Brennstoffzelle ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet ist.
- - A fuel cell for generating an amount of energy for the power output and
- - an energy store for storing the amount of energy,
- - A control device which is designed in an operation to control the fuel cell, wherein a power specification for the fuel cell for controlling the power output is specified, wherein
- - The fuel cell is assigned an efficiency as a function of a fuel cell output.
Erfindungsgemäß ist bei dem Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass
- - für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers erfolgt.
- - For an efficiency-improved operation, the power specification is made depending on the state of charge of the energy store.
Der Brennstoffzelle ist ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet, insbesondere in Form einer relativen Nominalleistung der Brennstoffzelle, insbesondere als eine in der Steuereinrichtung hinterlegte Wirkungsgradkennlinie.The fuel cell is assigned an efficiency as a function of a fuel cell output, in particular in the form of a relative nominal output of the fuel cell, in particular as an efficiency characteristic stored in the control device.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es grundsätzlich vorteilhaft ist, in einem Brennstoffzellensystem einen Energiespeicher zum Speichern einer von der Brennstoffzelle erzeugten Energiemenge vorzusehen. Insbesondere kann dieser Energiespeicher ausgebildet sein, die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie zu speichern und einem Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer, insbesondere einem elektrischen Verbraucher, selektiv zur Verfügung zu stellen. Das heißt, dass von der Brennstoffzelle erzeugte Energie in dem Energiespeicher zwischengespeichert werden kann, und bei Bedarf an einen Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer abgegeben werden kann. Bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem als System in Kombination mit dem Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer betrieben. Der Energiespeicher ist insofern energieabgabeseitig der Brennstoffzelle zur Aufnahme von von der Brennstoffzelle abzugebender bzw. abgegebener Energie, insbesondere elektrischer Energie und/oder Abwärme, angeordnet.The invention is based on the consideration that it is fundamentally advantageous to provide an energy store in a fuel cell system for storing an amount of energy generated by the fuel cell. In particular, this energy store can be designed to store the energy generated by the fuel cell and to make it selectively available to a consumer and / or thermal consumer, in particular an electrical consumer. This means that energy generated by the fuel cell can be temporarily stored in the energy store and, if required, can be delivered to a consumer and / or thermal consumer. The fuel cell system is preferably operated as a system in combination with the consumer and / or thermal consumer. In this respect, the energy store is arranged on the energy output side of the fuel cell for receiving energy to be output or output by the fuel cell, in particular electrical energy and / or waste heat.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass - sofern ein solcher Energiespeicher vorhanden ist - eine zeitliche Entkopplung der Erzeugung von Energie von dem Verbrauch von Energie ermöglicht wird. Durch diese zeitliche Flexibilität kann vorteilhaft der Zustand und die Effizienz der Brennstoffzelle bei der Gesamtsteuerung des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden.The invention includes the knowledge that - if such an energy store is available - a temporal decoupling of the generation of energy from the consumption of energy is made possible. Due to this flexibility in time, the state and the efficiency of the fuel cell can advantageously be taken into account in the overall control of the fuel cell system.
Die Erfindung hat erkannt, dass es hinsichtlich der Effizienz der Brennstoffzelle vorteilhaft ist, beim Bestimmen einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu berücksichtigen, der von einer Brennstoffzellen-Leistung abhängt. Diese Berücksichtigung ist in der Form, dass in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung vorgibt. Durch eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung wird die Brennstoffzelle vorteilhaft in einem erhöhten Wirkungsgrad betrieben.The invention has recognized that, with regard to the efficiency of the fuel cell, it is advantageous to take into account the efficiency of the fuel cell, which depends on a fuel cell output, when determining a power specification for the fuel cell. This consideration is in the form that in an efficiency-improved operation, the output specification specifies a reduced fuel cell output. As a result of a reduced fuel cell output, the fuel cell is advantageously operated with an increased degree of efficiency.
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle --und insbesondere eines Brennstoffzellenstapels-weist nämlich einen Verlauf über ihre Brennstoffzellen-Leistung auf, der bei einer geringen Brennstoffzellen-Leistung - insbesondere einem Betrag von einem Zehntel der Brennstoffzellen-Leistung - sein Maximum aufweist. Das heißt, dass eine Brennstoffzelle bei einer derartigen, relativ geringen Brennstoffzellen-Leistung am effektivsten arbeitet, also mit einem relativ geringen Brennstoffeinsatz eine relativ hohe Leistung erzeugt. Für höhere Werte der Brennstoffzellen-Leistung fällt der Wirkungsgrad in der Regel ab, weshalb es hinsichtlich des Wirkungsgrades generell vorteilhaft ist, durch Vorgabe einer entsprechenden Brennstoffzellen-Leistung einen Betriebspunkt zu wählen, welcher möglichst nah an dem wirkungsgradoptimierten Betriebspunkt liegt, das heißt an der Brennstoffzellen-Leistung, an der ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird.The efficiency of a fuel cell - and in particular a fuel cell stack - has a course over its Fuel cell power, which at a low fuel cell power - in particular an amount of a tenth of the fuel cell power - has its maximum. This means that a fuel cell works most effectively with such a relatively low fuel cell output, that is to say generates a relatively high output with a relatively low fuel consumption. For higher values of the fuel cell power, the efficiency usually drops, which is why it is generally advantageous with regard to the efficiency to select an operating point by specifying a corresponding fuel cell power which is as close as possible to the efficiency-optimized operating point, i.e. the fuel cell -Power at which maximum efficiency is achieved.
Die Erfindung hat in diesem Zusammenhang erkannt, dass es in einem Brennstoffzellensystems mit einem Energiespeicher vorteilhaft möglich ist, die Brennstoffzelle im wirkungsgrad-verbesserten Betrieb zu betreiben, wenn man die Leistungsvorgabe entsprechend bestimmt und zwar dies unter Berücksichtigung des Ladezustands des Energiespeichers, weil auf diese Weise eine gegebenenfalls geringere Brennstoffzellen-Leistung beim Bereitstellen der Leistungsabgabe durch eine im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge kompensiert werden kann.In this context, the invention has recognized that it is advantageously possible in a fuel cell system with an energy store to operate the fuel cell in efficiency-improved operation if the output specification is determined accordingly, taking into account the state of charge of the energy store, because in this way a possibly lower fuel cell power when providing the power output can be compensated for by an amount of energy stored in the energy store.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem nutzt den durch einen Energiespeicher geschaffenen Spielraum, um die Brennstoffzelle bei einer geringeren Brennstoffzellen-Leistung, jedoch einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben; also in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb.Such a fuel cell system uses the leeway created by an energy store to operate the fuel cell with a lower fuel cell output, but with a higher degree of efficiency; in other words, in an efficiency-improved operation.
Ein wirkungsgradoptimaler Betrieb mit maximalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle entspricht einem Sonderfall des wirkungsgrad-verbesserten Betriebs. Ein wirkungsgrad-verbesserter Betrieb ist ein Betrieb der Brennstoffzelle, der - vor dem Hintergrund des benötigten Energiebedarfs und des aktuellen Ladezustands des Energiespeichers - dem wirkungsgradoptimalen Betrieb am nächsten kommt, also den unter diesen Umständen höchstmöglichen Wirkungsgrad darstellt. Durch den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb mit einer herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung kann also vorteilhaft der jeweils für einen konkreten Anwendungsfall bestmögliche Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erreicht werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft in dem Fall, in dem der Ladezustand nicht mehr für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb zum Erreichen eines Zielzustands ausreicht, weil die Brennstoffzellen-Leistung im wirkungsgradoptimalen Betrieb in diesem Fall zu gering wäre.Efficiency-optimized operation with maximum efficiency of the fuel cell corresponds to a special case of efficiency-improved operation. An efficiency-improved operation is an operation of the fuel cell that - against the background of the required energy requirement and the current state of charge of the energy storage device - comes closest to the efficiency-optimized operation, i.e. represents the highest possible efficiency under these circumstances. As a result of the efficiency-improved operation with a reduced fuel cell output, the best possible efficiency of the fuel cell for a specific application can advantageously be achieved in each case. This is particularly advantageous in the case in which the state of charge is no longer sufficient for optimum efficiency to achieve a target state because the fuel cell output in optimum efficiency would be too low in this case.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren des Anspruchs 17. Das Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, weist auf:
- - eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Energiemenge für die Leistungsabgabe und
- einen Energiespeicher zum Speichern der Energiemenge,
- - eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle, wobei
- - der Brennstoffzelle ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet ist, und das Verfahren den Schritt aufweist:
- - Vorgeben einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle zum Steuern der Leistungsabgabe.
- - A fuel cell for generating an amount of energy for the power output and
- an energy store for storing the amount of energy,
- - A control device which is designed in an operation for controlling the fuel cell, wherein
- - The fuel cell is assigned an efficiency as a function of a fuel cell output, and the method has the step:
- - Specifying a power specification for the fuel cell for controlling the power output.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass
- - für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers erfolgt.
- - For an efficiency-improved operation, the power specification is made depending on the state of charge of the energy store.
Beim Durchführen des Verfahrens werden die zuvor beschriebenen Vorteile des Brennstoffzellensystems entsprechend genutzt.When carrying out the method, the advantages of the fuel cell system described above are used accordingly.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Konzept der Erfindung.The invention also leads to the solution of the object in a vehicle with a fuel cell system according to the concept of the invention.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Klimasystem mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Konzept der Erfindung und einem thermischen Abnehmer. Bei dem Klimasystem stellt das Brennstoffzellensystem insbesondere eine thermische Leistungsabgabe für den thermischen Abnehmer bereit zur Nutzung in einer Heiz- und/oder Kühl anwendung.In order to achieve the object, the invention also leads to an air conditioning system with a fuel cell system according to the concept of the invention and a thermal consumer. In the air conditioning system, the fuel cell system provides in particular a thermal power output for the thermal consumer for use in a heating and / or cooling application.
Bei dem Fahrzeug und bei dem Klimasystem werden die Vorteile des Brennstoffzellensystems entsprechend genutzt.In the vehicle and in the air conditioning system, the advantages of the fuel cell system are used accordingly.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims and indicate in detail advantageous possibilities for realizing the concept explained above within the scope of the task and with regard to further advantages.
Unter dem Begriff Wirkungsgrad ist insbesondere die Effizienz zu verstehen, mit der die Eingangsprodukte einer Brennstoffzelle, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, in Energie umgewandelt werden. Bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen Verbraucher bezieht sich der Wirkungsgrad also auf die erzeugte elektrische Energie. Insbesondere sind im Rahmen einer Weiterbildung für die Steuereinrichtung Wertangaben zum Wirkungsgrad, insbesondere als eine Kennlinie, in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung bereitgestellt.The term efficiency is to be understood in particular as the efficiency with which the input products of a fuel cell, in particular oxygen and hydrogen, are converted into energy. When the fuel cell system is used with an electrical consumer, the efficiency therefore relates to the electrical energy generated. In particular, in the context of a further development for the control device, values relating to the degree of efficiency, in particular as a characteristic curve, are shown in Dependence of the fuel cell power provided.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe gemäß der Wertangaben, insbesondere die Leistungsvorgabe eine gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung (
Das Herabsetzen der Brennstoffzellen-Leistung bezieht sich insbesondere auf eine Ausgangs-Brennstoffzellen-Leistung, insbesondere auf eine gemäß dem Stand der Technik im Betrieb normale Brennstoffzellen-Leistung, nämlich derjenigen, die sich lediglich ergibt, um zusammen mit der vom Energiespeicher bereitgestellten Leistung - ohne Berücksichtigung eines Wirkungsgrads - eine Leistungsabgabe bereitzustellen.The reduction in the fuel cell output relates in particular to an output fuel cell output, in particular to a fuel cell output that is normal in operation according to the prior art, namely that which only results in order to - together with the output provided by the energy store - without Consideration of an efficiency - to provide a power output.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Anpassbetrag der herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers ist. Zur Berücksichtigung der Kompensation der ausbleibenden Brennstoffzellen-Leistung durch den Energiespeicher wird vorteilhaft ein Anpassbetrag eingeführt als Maß für das Herabsetzen der Brennstoffzellen-Leistung um einen Betrag, der vom Ladezustand des Energiespeichers gedeckt ist. Wenn der Energiespeicher relativ vollständig geladen ist und somit einen hohen Ladezustand aufweist, kann ein relativ großer Anteil zum Bereitstellen der Leistungsabgabe aus dem Energiespeicher entnommen werden und der durch die Brennstoffzellen-Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellte Anteil kann entsprechend geringer ausfallen, wodurch ein größerer Spielraum entsteht, die Brennstoffzellen-Leistung zugunsten eines höheren Wirkungsgrades herabzusetzen; insbesondere anhand eines Verlaufs des Wirkungsgrades zur Brennstoffzellen-Leistung. Dieser Spielraum wird durch den Anpassbetrag definiert - ein anschauliches nicht einschränkendes Beispiel dazu ist anhand einer bevorzugten Ausführungsform der
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers oberhalb eines unteren Ladezustands und/oder unterhalb eines oberen Ladezustands liegt. In einer derartigen Weiterbildung wird vorteilhaft sichergestellt, dass das Brennstoffzellen-System nur dann in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb betrieben wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers dies in technisch sinnvoller Weise zulässt. Falls der Ladezustand dies nicht zulässt, wird vorteilhaft entsprechend reagiert.In the context of a further development, it is provided that the output specification for the efficiency-improved operation is determined when the charge state of the energy store is above a lower state of charge and / or below an upper state of charge. In a development of this type, it is advantageously ensured that the fuel cell system is only operated in an efficiency-improved mode if the state of charge of the energy store allows this in a technically meaningful manner. If the state of charge does not allow this, it is advantageous to react accordingly.
Ein Reagieren kann darin liegen, dass falls der Ladezustand des Energiespeichers einen unteren Ladezustand unterschreiten sollte, die Steuereinrichtung entsprechend reagiert und beispielsweise die Leistungsvorgabe derart einstellt, dass die Brennstoffzellen-Leistung die gesamte Leistungsabgabe bereitstellt, ohne auf den Energiespeicher zurückzugreifen. In einen solchen Fall erfolgt insbesondere kein Herabsetzen der nicht der Brennstoffzellen-Leistung zum Erreichen eines verbesserten Wirkungsgrads.One reaction can be that, if the charge state of the energy store falls below a lower charge state, the control device reacts accordingly and, for example, sets the power specification in such a way that the fuel cell output provides the entire power output without resorting to the energy store. In such a case, there is in particular no reduction in the non-fuel cell output in order to achieve an improved degree of efficiency.
Ein Reagieren kann weiter darin liegen, dass wenn der Ladezustand oberhalb eines oberen Ladezustands ist, die Brennstoffzelle mittels der Leistungsvorgabe, insbesondere unabhängig von der Leistungsanforderung, in einem reduzierten Betriebspunkt betrieben wird, insbesondere teilweise oder vollständig gedrosselt wird. Dies kann konkret beinhalten, dass wenn durch die Steuereinrichtung festgestellt wird, dass der Energiespeicher einen oberen Ladezustand erreicht hat, die Steuereinrichtung die Leistung der Brennstoffzelle reduziert, insbesondere die Brennstoffzelle vollständig abstellt. Somit wird erreicht, dass in dem Fall, wenn sich der Ladezustand oberhalb des oberen Ladezustands, aber noch unterhalb eines - möglicherweise für den Energiespeicher schädlichen - maximalen Ladezustands befindet, der Betrieb der Brennstoffzelle reduziert oder vollständig gedrosselt wird. „Vollständig gedrosselt“ bedeutet in dem Fall, das heißt die Brennstoffzelle abgestellt oder die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle praktisch auf ein Nullniveau reduziert wird. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, durch Überladung bzw. Überhitzung, vorteilhaft verhindert.A reaction can also be that, if the state of charge is above an upper state of charge, the fuel cell is operated at a reduced operating point, in particular partially or completely, by means of the power specification, in particular independently of the power requirement. Specifically, this can include that when it is determined by the control device that the energy store has reached an upper state of charge, the control device reduces the power of the fuel cell, in particular shuts off the fuel cell completely. It is thus achieved that in the event that the state of charge is above the upper state of charge but still below a maximum state of charge - possibly harmful to the energy store - the operation of the fuel cell is reduced or completely throttled. “Completely throttled” in this case means that the fuel cell is switched off or the output power of the fuel cell is reduced to practically zero. In this way, damage to the energy store, in particular a battery, due to overcharging or overheating is advantageously prevented.
Auch kann die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle insbesondere in einem dritten Betriebsmodus in einen Regenerations-Betrieb schalten, in dem die momentane Leistungsanforderung erfüllt wird und darüber hinaus der Energiespeicher wieder aufgeladen wird.The control device can also switch the fuel cell to a regeneration mode, in particular in a third operating mode, in which the current power requirement is met and, moreover, the energy store is recharged.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in dem Betrieb ausgebildet ist, eine Leistungsanforderung anzunehmen. In einer solchen Weiterbildung kann mittels einer Leistungsanforderung ein Sollwert für eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems vorgegeben werden. In einer derartigen Weiterbildung kann das Konzept der Erfindung vorteilhaft genutzt werden: Sollte aufgrund einer hohen Leistungsanforderung, beispielsweise weil der Fahrer eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem dieser Weiterbildung gerade beschleunigen möchte, ein kurzfristiger Bedarf an einer hohen Leistungsabgabe bestehen, kann dieser im Regelfall in dem Brennstoffzellensystem durch eine im Energiespeicher gespeicherten Energiemenge abgedeckt werden, insbesondere ohne dass die Brennstoffzelle den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb verlassen muss.As part of a further development, it is provided that the control device is designed in the company to accept a performance request. In such a development, a target value for a power output of the fuel cell system can be specified by means of a power request. In such a further development, the concept of the invention can be used advantageously: If there is a short-term need for a high power output due to a high power requirement, for example because the driver of a vehicle with a fuel cell system of this further development is about to accelerate, this can generally be covered in the fuel cell system by an amount of energy stored in the energy store, in particular without the fuel cell having to leave the efficiency-improved operation.
Ebenso ermöglicht eine derartige Weiterbildung in Zeiträumen, in denen seitens des Verbrauchers kein Bedarf an Energie besteht, ein Aufladen des Energiespeichers, insbesondere in einem zweiten Betriebsmodus. Dieses Aufladen kann besonders vorteilhaft erfolgen, indem die Brennstoffzelle in dem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb betrieben wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil bei vielen von Brennstoffzellen versorgten Systemen, insbesondere Fahrzeugen, mitunter lange Stillstands- oder Pausenzeiträume auftreten, in denen ein Aufladen des Energiespeichers durch eine - im wirkungsgrad-verbesserten Betrieb unter herabgesetzter Brennstoffzellen-Leistung betriebene - Brennstoffzelle aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeit problemlos möglich ist.Such a development also enables the energy store to be charged, in particular in a second operating mode, in periods in which there is no need for energy on the part of the consumer. This charging can take place particularly advantageously in that the fuel cell is operated in the efficiency-improved mode. This is particularly advantageous because in many systems supplied by fuel cells, in particular vehicles, there are sometimes long periods of standstill or pause in which the energy storage device is charged by a fuel cell operated in efficiency-improved operation with reduced fuel cell power due to the availability of the fuel cell standing time is easily possible.
Auch kann in einer derartigen Weiterbildung mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle kontinuierlich, d. h. unabhängig von kurzfristig auftretenden und/oder kurzzeitig andauernden Leistungsanforderungen betrieben und somit ein häufiges Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle zu vermieden werden. Weil der Startvorgang einer Brennstoffzelle durch Prozesse wie den Spülvorgang und das Hochlaufen des zur Druckluftversorgung der Brennstoffzelle benötigten Turboladers relativ aufwendig ist, hat ein häufiges Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle einen erhöhten Verschleiß und somit ein vorzeitiges Altern der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems zur Folge.In such a development with a fuel cell system according to the invention, the fuel cell can also be continuously, i.e. H. operated independently of briefly occurring and / or briefly lasting power requirements and thus frequent switching on and off of the fuel cell can be avoided. Because the starting process of a fuel cell is relatively complex due to processes such as the flushing process and the startup of the turbocharger required to supply compressed air to the fuel cell, frequent switching on and off of the fuel cell results in increased wear and thus premature aging of the fuel cell and the fuel cell system.
Durch das - insbesondere kontinuierliche - Betreiben der Brenstoffzelle in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb wird ein solches - vorwiegend durch kurzfristig auftretende und/oder kurzzeitig andauernde Leistungsanforderungen verursachtes - häufiges Ein- und Ausschalten vorteilhaft vermieden. Das System kann stattdessen länger in einem Betriebspunkt betrieben werden, in dem ein verbesserter, insbesondere maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft der Verschleiß der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems verringert und gleichzeitig die Effizienz der Brennstoffzelle erhöht werden.By operating the fuel cell - in particular continuously - in an efficiency-improved mode, frequent switching on and off, which is mainly caused by short-term and / or short-term power requirements, is advantageously avoided. Instead, the system can be operated for longer at an operating point at which an improved, in particular maximum, efficiency is achieved. In this way, the wear on the fuel cell and the fuel cell system can advantageously be reduced and, at the same time, the efficiency of the fuel cell can be increased.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeichers derart erfolgt, dass die Leistungsabgabe der Leistungsanforderung entspricht. In einer derartigen Weiterbildung ist insbesondere die Steuereinrichtung vorteilhaft ausgebildet, eine dem Brennstoffzellensystem als Sollwert vorgegebene Leistungsanforderung im Sinne eines Regelkreises als Leistungsabgabe bereitzustellen.In the context of a further development, it is provided that the output specification for the efficiency-improved operation takes place as a function of a charge state of the energy store in such a way that the power output corresponds to the power requirement. In a development of this type, the control device in particular is advantageously designed to provide a power requirement specified for the fuel cell system as a setpoint value in the sense of a control loop as a power output.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb derart erfolgt, dass sich die Leistungsanforderung aus der Leistungsvorgabe und dem Ladezustand des Energiespeichers ergibt.In the context of a further development, it is provided that the determination of the efficiency-improved operation takes place in such a way that the power requirement results from the power specification and the state of charge of the energy store.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb derart erfolgt, dass sich eine zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Ziel-Energiemenge für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum aus der Leistungsvorgabe und dem Ladezustand des Energiespeichers ergibt. Insbesondere ist die Ziel-Energiemenge eine kumulierte Leistungsanforderung (KLA), die die Gesamtheit eines in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum kumulativ berücksichtigt und stellt somit das Integral der im Prognosezeitraum prognostizierten Leistungsanforderungen dar, d.h. das Integral der Sollwerte für die Leistungsabgabe.As part of a further development, it is provided that the determination of the output specification for the efficiency-improved operation takes place in such a way that a target amount of energy required to achieve a target state results for a forecast period in the future from the output specification and the state of charge of the energy store. In particular, the target amount of energy is a cumulative power requirement (KLA) that cumulatively takes into account the entirety of a forecast period in the future and thus represents the integral of the performance requirements forecast in the forecast period, i.e. the integral of the target values for the power output.
Dies kann konkret beinhalten, dass die Steuereinrichtung einen vorausschauenden Beobachter aufweist, der ausgebildet ist, auf Basis von vorhandenen Daten ausreichend genau eine Ziel-Energiemenge zu prognostizieren, die zum Erreichen des Zielzustands benötigt wird. Die Ziel-Energiemenge stellt somit einen Energiehorizont dar, der insbesondere bei sich ändernden Betriebs-, Umgebungs- oder dergleichen Randbedingungen durch Aktualisierung der Prognose angepasst werden kann.Specifically, this can include that the control device has a predictive observer who is designed to predict, on the basis of existing data, with sufficient accuracy a target amount of energy that is required to reach the target state. The target amount of energy thus represents an energy horizon which can be adapted by updating the prognosis, in particular in the case of changing operating, ambient or similar boundary conditions.
Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen vorausschauenden Beobachter auf zum Ermitteln der bis zu einem Zielzustand, insbesondere einer Zielposition, benötigten Energiemenge.In particular, the control device has a predictive observer for determining the amount of energy required up to a target state, in particular a target position.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe derart erfolgt, dass die Ziel-Energiemenge in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils, insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils, zu bestimmen. Ein prognostiziertes Leistungsprofil ist dabei eine für einen zukünftigen Zeitraum verlaufende Abschätzung der vom Verbraucher benötigten Leistungsabgabe, insbesondere der benötigten elektrischen oder thermischen Leistung. Je genauer die zeitliche Auflösung dieser Abschätzung und je mehr Daten zum Verbrauch berücksichtigt werden, insbesondere Ist-Daten, wie z.B. Positionsdaten, Zustandsdaten und Daten zu Umgebungseinflüssen, desto besser ist die Qualität der Prognose und somit die Abschätzung des zu erwartenden Energieverbrauchs in Form der Ziel-Energiemenge.In the context of a further development, it is provided that the specification of the power output is determined in such a way that the target amount of energy is determined as a function of a predicted power profile, in particular a predicted driving profile. A predicted power profile is an estimate of the power output required by the consumer, in particular the required electrical or thermal power, for a future period of time. The more precisely the temporal resolution of this estimate and the more data on consumption are taken into account, in particular actual data such as position data, status data and data on environmental influences, the better the quality of the prognosis and thus the estimate of the expected energy consumption in the form of the target -Energy amount.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe derart erfolgt, dass das prognostizierte Leistungsprofil auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten, insbesondere einer Ist-Position, und einem oder mehreren Soll-Daten, insbesondere einer oder mehrerer Soll-Positionen oder Segment-Soll-Positionen, berechnet wird.As part of a further development, it is provided that the determination of the performance specification takes place in such a way that the predicted performance profile is calculated on the basis of one or more actual data, in particular an actual position, and one or more target data, in particular one or more target positions or segment target positions.
Bei einem Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug eingesetzt wird, welches einen Antrieb aufweist, kann ein Ist-Datum beispielsweise eine von einem GPS-Sensor oder Navigationsgerät ermittelte Ist-Position sein. Soll-Daten können Soll-Positionsdaten, welche aus einer Soll-Route hervorgehen, sein. Der Zielzustand wird hierbei zum Beispiel durch eine Soll-Position als Ziel am Ende der Soll-Route gebildet. Aus diesen Ist-Daten und Soll-Daten kann eine Strecke berechnet werden, aus der die benötigte Energie zum Erreichen des Zielzustands abgeschätzt werden kann. Auch ist es vorteilhaft möglich, das prognostizierte Leistungsprofil in mehrere Profilsegmente aufzuteilen, und eine Prognose für jedes Segment durchzuführen. Bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug kann die Soll-Route in mehrere Soll-Routen-Segmente mit jeweils einem Segment-Zielzustand aufgeteilt werden, und für jedes Soll-Routen-Segment ein Segment-Zielzustand in Form einer Segment-Soll-Position bestimmt werden.In a fuel cell system that is used in a vehicle that has a drive, an actual date can be, for example, an actual position determined by a GPS sensor or navigation device. Target data can be target position data which arise from a target route. The target state is formed here, for example, by a target position as the target at the end of the target route. From these actual data and target data, a route can be calculated from which the energy required to reach the target state can be estimated. It is also advantageously possible to divide the forecasted performance profile into several profile segments and to carry out a forecast for each segment. When the fuel cell system is used in a vehicle, the target route can be divided into several target route segments, each with a segment target state, and a segment target state in the form of a segment target position can be determined for each target route segment become.
Je mehr Einflüsse auf den Energieverbrauch bei der Berechnung berücksichtigt werden, beispielsweise Höhenunterschiede, Wetterverhältnisse, Streckenbedingungen etc., desto besser kann die Ziel-Energiemenge abgeschätzt werden. Vorteilhaft ist es, um eventuelle Ungenauigkeiten bei den Abschätzungen der Bedingungen kompensieren zu können, eine bestimmte zusätzliche Energiemenge als Puffer einzuplanen. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Brennstoffzellensystem aufgrund einer ungenauen Abschätzung vor Erreichen des Zielzustands beispielsweise den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb verlassen muss, da der Ladezustand des Energiespeichers zu niedrig ist.The more influences on the energy consumption are taken into account in the calculation, for example height differences, weather conditions, route conditions, etc., the better the target amount of energy can be estimated. In order to be able to compensate for possible inaccuracies in the estimations of the conditions, it is advantageous to plan in a certain additional amount of energy as a buffer. In this way, it is prevented that the fuel cell system has to leave the efficiency-improved operation due to an imprecise estimate before reaching the target state, for example, since the state of charge of the energy store is too low.
Weiterhin können Profildaten berücksichtigt werden, welche beispielsweise Unterschiede zwischen verschiedenen Benutzern, beispielsweise Fahrern eines Fahrzeugs, oder verschiedenen Maschinentypen, beispielsweise verschiedenen Fahrzeugtypen, im Verbrauch berücksichtigen. Furthermore, profile data can be taken into account which, for example, take into account differences between different users, for example drivers of a vehicle, or different machine types, for example different vehicle types, in consumption.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verbraucher ein elektrischer Antrieb und der Energiespeicher eine Batterie ist. Dies kann konkret beinhalten, dass das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt wird, und dort die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle gemäß dem Konzept der Erfindung in einem wirkungsgradoptimierten Betriebspunkt betreiben kann. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle vorteilhaft in einem verbesserten Wirkungsgrad elektrische Antriebsenergie erzeugen, welche in einem als Batterie ausgebildeten Energiespeicher zwischengespeichert und bedarfsgerecht einem Abgabeanschluss zur Leistungsabgabe zugeführt und einem oder mehreren elektrischen Antrieben des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. Auch können in einer derartigen Weiterbildung andere elektrische Verbraucher über das Brennstoffzellensystem versorgt werden.As part of a further development, it is provided that the consumer is an electric drive and the energy storage device is a battery. This can specifically include that the fuel cell system is used in a vehicle, and there the control device can operate the fuel cell according to the concept of the invention at an operating point that is optimized for efficiency. In this way, the fuel cell can advantageously generate electrical drive energy with improved efficiency, which can be temporarily stored in an energy store designed as a battery and fed to an output connection for power output as required and provided to one or more electrical drives of the vehicle. In such a development, other electrical loads can also be supplied via the fuel cell system.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ausgebildet ist zum Bereitstellen einer thermischen Leistungsabgabe. Dies kann konkret beinhalten, dass die Brennstoffzelle thermische Energie in Form von Wärme erzeugt, insbesondere in Form von Abwärme bei der Erzeugung von elektrischer Energie.In the context of a further development it is provided that the fuel cell system is designed to provide a thermal power output. Specifically, this can mean that the fuel cell generates thermal energy in the form of heat, in particular in the form of waste heat when generating electrical energy.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine weitere Leistungsanforderung in Form einer thermischen Leistungsanforderung anzunehmen und die Leistungsvorgabe in Abhängigkeit der thermischen Leistungsanforderung zu bestimmen. Dies beinhaltet konkret, dass durch einen weiteren Sollwertgeber, beispielsweise in Form eines Thermostats, ein Sollwert für eine Temperatur vorgegeben wird, die in einem thermischen Abnehmer erreicht werden soll. Die Steuereinrichtung ist in dieser Weiterbildung ausgebildet, eine Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle vorzugeben, mittels welcher eine thermische Leistungsabgabe bereitgestellt wird, welche der thermischen Leistungsanforderung entspricht. Die Steuereinrichtung in dieser Weiterbildung kann ausgebildet sein, von beiden angenommenen Leistungsanforderungen, nämlich der ersten Leistungsanforderung und der zweiten thermischen Leistungsanforderung, eine vorrangig zu behandeln, je nachdem welche Energieform - elektrische oder thermische - vorrangig benötigt wird.Within the scope of a further development, it is provided that the control device is designed to accept a further power requirement in the form of a thermal power requirement and to determine the specified performance as a function of the thermal performance requirement. Specifically, this means that a further setpoint generator, for example in the form of a thermostat, specifies a setpoint for a temperature that is to be achieved in a thermal consumer. In this development, the control device is designed to specify a power specification for the fuel cell, by means of which a thermal power output is provided which corresponds to the thermal power requirement. The control device in this development can be designed to treat one of the two assumed performance requirements, namely the first performance requirement and the second thermal performance requirement, depending on which form of energy - electrical or thermal - is primarily required.
Die Erfindung wird durch einen als Wärmespeicher ausgebildeten Energiespeicher weitergebildet. In derartigen Weiterbildungen kann die Wärme in einem als Wärmespeicher, insbesondere als Warmwasserspeicher ausgebildeten Energiespeicher zwischengespeichert werden, und bedarfsgerecht einem Verbraucher, insbesondere einer Heizung, bereitgestellt werden.The invention is developed by an energy store designed as a heat store. In such developments, the heat can be temporarily stored in an energy store designed as a heat store, in particular as a hot water store, and can be provided to a consumer, in particular a heater, as required.
In Weiterbildungen mit einem als Wärmespeicher ausgebildeten Energiespeicher kann vorteilhaft das Konzept der Erfindung für thermische Energie umgesetzt werden derart, dass die Brennstoffzelle in einem maximalen thermischen Wirkungsgrad betrieben werden kann, und gegebenfalls auf eine im Wärmespeicher gespeicherte thermische Energiemenge zur Bereitstellung der thermischen Leistungsabgabe zurückgegriffen werden kann, damit die Brennstoffzelle seinen Betriebspunkt am maximalen thermischen Wirkungsgrad nicht verlassen muss.In further developments with an energy store designed as a heat store, the concept of the invention for thermal energy can advantageously be implemented in such a way that the fuel cell can be operated with maximum thermal efficiency and, if necessary, an amount of thermal energy stored in the heat store can be used to provide the thermal power output , so that Fuel cell does not have to leave its operating point at maximum thermal efficiency.
In Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems, die in Systemen eingesetzt werden, die sowohl einen Verbraucher - insbesondere einen elektrischen Antrieb -und eine Batterie, als auch einen thermischen Abnehmer - insbesondere eine Heizung - und einen Wärmespeicher aufweisen, kann vorteilhaft in synergetischer Weise die Tatsache genutzt werden, dass eine Brennstoffzelle im Betrieb sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie in Form von Wärme produziert. Somit kann, indem beide Energieformen genutzt werden, der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems erhöht werden.In further developments of the fuel cell system that are used in systems that have both a consumer - in particular an electric drive - and a battery, as well as a thermal consumer - in particular a heater - and a heat store, the fact can advantageously be used in a synergetic manner that a fuel cell produces both electrical energy and thermal energy in the form of heat when in operation. Thus, by using both forms of energy, the efficiency of the entire fuel cell system can be increased.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Leistungsvorgabe bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 % und 15 %, besonders bevorzugt bei 10 %, der Brennstoffzellen-Leistung vorzugeben. Der Wert von ca. 10 % der Brennstoffzellen-Leistung stellt eine Annäherung an das Wirkungsgradoptimum einer typischen Brennstoffzelle dar - das heißt die Brennstoffzellen-Leistung, bei der ein maximaler Wirkungsgrad vorliegt - und kann gegebenenfalls für verschiedene Brennstoffzellentypen abweichen.Within the scope of a further development, it is provided that the control device is designed to specify the output specification preferably in a range between 5% and 15%, particularly preferably at 10%, of the fuel cell output. The value of approx. 10% of the fuel cell output represents an approximation of the optimum efficiency of a typical fuel cell - i.e. the fuel cell output at which there is maximum efficiency - and may differ for different fuel cell types.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe in Abhängigkeit der Leistungsanforderung bestimmt wird.In a further development of the method it is provided that the performance specification is determined as a function of the performance requirement.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Ziel-Energiemenge, insbesondere eine kumulierte Leistungsanforderung für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum erfüllt wird.In a further development of the method, it is provided that a target amount of energy required to achieve a target state, in particular an accumulated power requirement, is met for a forecast period in the future.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ziel-Energiemenge in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils, insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils, bestimmt wird.In a further development of the method it is provided that the target amount of energy is determined as a function of a predicted performance profile, in particular a predicted driving profile.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das prognostizierte Leistungsprofil auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten, insbesondere einer Ist-Position, und einem oder mehreren Soll-Daten, insbesondere einer oder mehrerer Soll-Positionen oder Segment-Soll-Positionen, berechnet wird.A further development of the method provides that the forecast performance profile is calculated on the basis of one or more actual data, in particular an actual position, and one or more target data, in particular one or more target positions or segment target positions becomes.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Konzept der Erfindung, -
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem thermischen Abnehmer, -
3 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit Details eines thermischen Abnehmers, -
4 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Konzept der Erfindung, -
5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Bestimmung einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle, -
6 eine detaillierte Ansicht einer Steuereinrichtung für eine bevorzugte Au sführungsform, -
7 eine bevorzugte Ausführungsform einer Wirkungsgrad-Kennlinie als ein schematischer Verlauf des Wirkungsgrads einer Brennstoffzelle aufgetragen über deren relativer Nominalleistung, -
8 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Ladezustands eines Energiespeichers in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, -
9 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a preferred embodiment of a fuel cell system according to the concept of the invention, -
2 a preferred embodiment of a fuel cell system with a thermal consumer, -
3rd another embodiment of a fuel cell system with details of a thermal consumer, -
4th a preferred embodiment of a method sequence for operating a fuel cell system according to the concept of the invention, -
5 a further preferred embodiment of a method sequence for operating a fuel cell system for determining a power specification for the fuel cell, -
6th a detailed view of a control device for a preferred embodiment, -
7th a preferred embodiment of an efficiency characteristic curve as a schematic profile of the efficiency of a fuel cell plotted against its relative nominal power, -
8th a schematic diagram of the time course of the state of charge of a Energy storage in a fuel cell system according to a preferred embodiment, -
9 a schematic view of a vehicle with a fuel cell system according to a preferred embodiment.
Die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen betreffen generell ein Brennstoffzellensystem
Vorliegend ist in der in
Die Brennstoffzelle
Weiterhin ist der Abgabeanschluss
Das Brennstoffzellensystem
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Über einen Abnehmer-Steueranschluss
Analog zur ersten gezeigten Ausführungsform bestimmt die Steuereinrichtung 400" auf Basis einer zweiten, thermischen Leistungsanforderung LAT, welche im Falle der Heizung beispielsweise durch ein Thermostat
Die hier gezeigte Weiterbildung kann vorteilhaft im Sinne einer Kraft-Wärme-Kopplung eine (elektrische) Leistungsabgabe
In
Vorliegend ist ein Abnehmer-Steueranschluss
Der thermische Abnehmer
Das Kühlmedium
Ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Ermittlung einer Leistungsvorgabe
Nach einem Startpunkt S0 erfolgt in einem ersten Schritt S1 die Abfrage des Ladezustands
Durch die erste Verzweigung
Im Sinne eines Regelkreises erfolgt nach sämtlichen Schritten S2, S3, und S4 eine Rückführung zu einem Rückführungspunkt SR1, ab dem der erste Schritt S1 und daran anschließend der oben beschriebene Verfahrensablauf erneut ausgeführt wird. In der Steuereinrichtung
In
Für die Berechnung der benötigten Energiemenge
In anderen Ausführungsformen, beispielsweise in solchen, in denen das Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung und/oder zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, kann das prognostizierte Leistungsprofil auch einen Plan enthalten mit einem in einem Prognosezeitraum liegenden Energiebedarf. Dieser Energiebedarf kann beispielsweise auf Basis von Erfahrungswerten geschätzt, oder anhand von Modellen berechnet sein und bildet in diesem Fall die benötigte Energiemenge
In einer anschließenden Verzweigung
Sollte die Prüfung in der Verzweigung
In anderen Weiterbildungen ist es auch möglich, dass anstatt eines Energievergleichs in Verzweigung
In
Das prognostizierte Leistungsprofil
Es kann die Bereitstellung von bestimmten Soll-Daten und bestimmten Ist-Daten auch aus einem einzigen Gerät, beispielsweise dem Navigationsgerät, erfolgen.Specific target data and specific actual data can also be provided from a single device, for example the navigation device.
Auf Basis des prognostizierten Leistungsprofils
Auf Basis der Energiemenge
Weiterhin weist die vorliegende Ausführungsform der Steuereinrichtung
Zu einer größeren relativen Nominalleistung
Vorliegend ist für eine Leistungsvorgabe
Sollte der Ladezustand
In einem ersten Zeitintervall TI1 befindet sich das Fahrzeug zunächst in einem Ruhezustand
Im Anschluss daran fährt das Fahrzeug in einem zweiten Zeitintervall TI2 eine erste Fahrt
In einem anschließenden dritten Zeitintervall TI3 befindet sich das Fahrzeug nach der ersten Fahrt
Nach Erreichen des oberen Ladezustands
In einem fünften Zeitintervall TI5 beginnt eine zweite Fahrt
Aufgrund der höheren erforderlichen Antriebsleistung während der zweiten Fahrt
In einem siebten Zeitintervall TI7 werden drei verschiedene mögliche Betriebsmodi
Auch im ersten Betriebsmodus BM1, in dem die Brennstoffzelle
Ein verbesserter Ansatz, wie er auch in
Durch die Kenntnis über die für die Vergleichsfahrt
Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- BrennstoffzelleFuel cell
- 102102
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 104104
- Versorgungsleitungsupply line
- 106106
- SpeicherleitungStorage line
- 108108
- PufferleitungBuffer line
- 110110
- SteuereingangControl input
- 124, 124'124, 124 '
- thermische Versorgungsleitungthermal supply line
- 124A124A
- weitere thermische Versorgungsleitungfurther thermal supply line
- 126126
- thermische Speicherleitungthermal storage line
- 128128
- thermische Pufferleitungthermal buffer line
- 130130
- Fahrzeugkühl erVehicle cooler
- 132132
- KühlleitungCooling pipe
- 134134
- KühlmediumCooling medium
- 136136
- WeicheSoft
- 138138
- KühlrückleitungCooling return line
- 138.1, 138.2,138.1, 138.2,
- erste bis dritte Kühlrückleitungfirst to third cooling return line
- 138.3 140138.3 140
- AbgabeanschlussDelivery connection
- 150150
- thermischer Abgabeanschlussthermal discharge connection
- 200200
- Verbraucherconsumer
- 201201
- elektrischer Verbraucherelectrical consumer
- 202202
- elektrischer Antriebelectric drive
- 208208
- RegelungsanschlussControl connection
- 240240
- thermischer Abnehmerthermal consumer
- 242242
- KlimagerätAir conditioner
- 244244
- Heizungheater
- 246246
- KältemaschineChiller
- 248248
- Abnehmer-SteueranschlussConsumer control connection
- 250250
- HauptwärmetauscherMain heat exchanger
- 252252
- GerätwärmetauscherUnit heat exchanger
- 254254
- Klimaanlageair conditioning
- 260260
- HauptkreislaufMain circuit
- 262262
- GerätkreislaufDevice circuit
- 264264
- KaltluftleitungCold air duct
- 300300
- EnergiespeicherEnergy storage
- 302302
- Batteriebattery
- 304304
- WärmespeicherHeat storage
- 306306
- MessanschlussMeasuring connection
- 326326
- Speicher-MessanschlussStorage measurement connection
- 400, 400',400, 400 ',
- SteuereinrichtungControl device
- 400'' 402400 '' 402
- SteuereingangControl input
- 404404
- MesseingangFair input
- 406406
- SteuerausgangControl output
- 408408
- RegelungsausgangControl output
- 410410
- zweiter Steuereingangsecond control input
- 420420
- Vorausschauender Beobachter, PrognoseeinheitForward-looking observer, forecasting unit
- 422422
- ProfilgeneratorProfile generator
- 424424
- EnergiebestimmungseinheitEnergy determination unit
- 426426
- VorgabeeinheitDefault unit
- 428428
- Regelungs-SignalgeneratorControl signal generator
- 440440
- MesseinheitMeasuring unit
- 450450
- Navigationsgerätnavigation device
- 460460
- ProfilspeicherProfile memory
- 500500
- SollwertgeberSetpoint generator
- 501501
- Gaspedalaccelerator
- 502502
- Automatisierter FahrreglerAutomated speed controller
- 521521
- Thermostatthermostat
- 522522
- Klimaanlagen-RegelgerätAir conditioning control device
- 1000, 1000',1000, 1000 ',
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 1000" 10101000 "1010
- Radwheel
- 20002000
- Fahrzeugvehicle
- 3000,3000'3000.3000 '
- KlimasystemClimate system
- AIRAIR
- Luftair
- AIRRESAIRRES
- RestluftResidual air
- ASAS
- AntriebssignalDrive signal
- BMBM
- Betriebsmodusoperation mode
- BM0BM0
- Ruhe-BetriebsmodusIdle operating mode
- BM1-4BM1-4
- erster bis vierter Betriebsmodusfirst to fourth operating mode
- BPBP
- Betrieb der BrennstroffzelleOperation of the fuel cell
- BPABPA
- wirkungsgrad-verbesserter Betriebefficiency-improved operation
- BPNBPN
- Ruhe-BetriebIdle mode
- BPOBPO
- wirkungsgradoptimaler Betriebefficiency-optimized operation
- BPKBPK
- leistungsnominaler Betriebperformance nominal operation
- BPRBPR
- Regenerations-BetriebRegeneration operation
- DD.
- Antriebdrive
- EE.
- Energie, von der Brennstoffzelle erzeugte EnergiemengeEnergy, amount of energy generated by the fuel cell
- EEEE
- elektrische Energie, elektrische Energiemengeelectrical energy, amount of electrical energy
- EMEM
- im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge, SpeicherenergiemengeAmount of energy stored in the energy store, amount of stored energy
- EMTEMT
- thermische Speicherenergiemengethermal amount of storage energy
- ETET
- thermische Energiemengethermal amount of energy
- ESIT
- EnergiespeicherEnergy storage
- EZZEZZ
- Zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Energiemenge, EnergiehorizontAmount of energy required to achieve a target state, energy horizon
- FF.
- Fahrtjourney
- F1, F2F1, F2
- erste, zweite Fahrtfirst, second trip
- F2'F2 '
- VergleichsfahrtComparison trip
- H2H2
- Wasserstoffhydrogen
- H20H20
- Wasserwater
- HZHZ
- Heizungheater
- IDID
- Ist-Datum, Ist-DatenActual date, actual dates
- IPIP
- Ist-PositionActual position
- KLKL
- WirkungsgradkennlinieEfficiency curve
- KMKM
- KältemaschineChiller
- LALA
- LeistungsanforderungPerformance requirement
- LVLV
- LeistungsvorgabePerformance specification
- LZLZ
- LadezustandState of charge
- LZTLZT
- thermischer Ladezustandthermal state of charge
- LZHLZH
- oberer Ladezustandupper state of charge
- LZLLZL
- unterer Ladezustandlower charge level
- LZMAXLZMAX
- Maximaler LadezustandMaximum charge level
- LZMINLZMIN
- Minimaler LadezustandMinimum charge level
- 0202
- Sauerstoffoxygen
- PP
- RuhezustandHibernation
- P1, P2, P3P1, P2, P3
- erste bis dritte Weichenstellungfirst to third course setting
- PAPA
- herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistungreduced fuel cell performance
- PANPAN
- AnpassbetragAdjustment amount
- PBPB
- Brennstoffzellen-LeistungFuel cell performance
- PBOPBO
- wirkungsgradoptimale Brennstoffzellen-LeistungEfficiency-optimized fuel cell performance
- PBRPBR
- Regenerations-Brennstoffzellen-LeistungRegeneration fuel cell performance
- PBTPBT
- thermische Brennstoffzellen-Leistungthermal fuel cell performance
- PDPD
- Profildatum, ProfildatenProfile date, profile data
- PFPF
- FahrzeugprofilVehicle profile
- PFPPFP
- Prognostiziertes FahrprofilPredicted driving profile
- PLPPLP
- Prognostiziertes LeistungsprofilPredicted performance profile
- PKPK
- Ausgangs-Brennstoffzellen-LeistungOutput fuel cell power
- PBKPBK
- leistungsnominale Brennstoffzellen-Leistung power-nominal fuel cell power
- PMPM
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- Nutzerprofil User profile
- POPO
- LeistungsabgabePower output
- PSPS
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- PSTPST
- thermische Speicher-Leistungthermal storage capacity
- PTPT
- thermische Leistungsabgabe thermal power output
- PRELPREL
- Relative NominalleistungRelative nominal power
- RF1RF1
- RückführungspunktReturn point
- RSRS
- Regelungs-SignalControl signal
- S1 - S4S1 - S4
- erster bis vierter Schritt des ersten Verfahrensablaufsfirst to fourth step of the first process sequence
- S11 - S14S11 - S14
- erster bis vierter Schritt des zweiten Verfahrensablaufsfirst to fourth step of the second process sequence
- SDSD
- Soll-Datum, Soll-DatenTarget date, target data
- SPSP
- Soll-PositionTarget position
- SP1, SP2, SP2'SP1, SP2, SP2 '
- erste, zweite Soll-Positionfirst, second target position
- SRSR
- Soll-RouteTarget route
- SRSSRS
- Soll-Routen-SegmentTarget route segment
- SSPSSP
- Segment-Soll-PositionTarget segment position
- TT
- Zeitpunkttime
- TITI
- ZeitintervallTime interval
- TI1 - TI7TI1 - TI7
- erstes bis siebtes Zeitintervallfirst to seventh time interval
- TVTV
- zu erwartende, verbleibende Fahrtzeitexpected remaining driving time
- UDUD
- UmgebungsdatenEnvironmental data
- V1, V2V1, V2
- erste, zweite Verzweigung des ersten Verfahrensablaufsfirst, second branch of the first process sequence
- V11V11
- Verzweigung des zweiten VerfahrensablaufsBranch of the second process sequence
- WDWD
- Wetterdatum, WetterdatenWeather date, weather data
- WGFlat share
- WirkungsgradEfficiency
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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