DE102019213753A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils des Fortbewegungsmittels und ein solches Fortbewegungsmittel - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils des Fortbewegungsmittels und ein solches Fortbewegungsmittel Download PDF

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (30) unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80) und ein solches Fortbewegungsmittel (80). Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln des Wärmebedarfs des Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80), Ermitteln einer im Fortbewegungsmittel (80) vorhandenen Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30), Ermitteln einer im Fortbewegungsmittel (80) vorhandenen Energiereserve eines elektrischen Energiespeichers (40) des Fortbewegungsmittels (80), Ermitteln einer aktuellen Route des Fortbewegungsmittels (80), Ermitteln eines Ortes einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40), Entnehmen einer Leistung aus dem Brennstoffzellensystem (30) unter Berücksichtigung des Wärmebedarfs, der Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30), der Energiereserve des elektrischen Energiespeichers (40), der aktuellen Route des Fortbewegungsmittels (80) und des Ortes der Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40), und Verwenden einer Abwärme des Brennstoffzellensystems (30) zum Erwärmen des den Wärmebedarf aufweisenden Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils des Fortbewegungsmittels und ein solches Fortbewegungsmittel.
  • Aus dem Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Fortbewegungsmittel bekannt, welche eine Energieversorgung eines elektrischen Traktionsmotors dieser Fortbewegungsmittel beispielsweise von einem elektrischen Energiespeicher wie einer Batterie und/oder von einem Brennstoffzellensystem beziehen. Darüber hinaus sind Fortbewegungsmittel bekannt, welche u.a. aufgrund ihrer Größe und/oder ihres Einsatzzweckes einen erhöhten Temperierungsbedarf aufweisen können. Solche Fortbewegungsmittel können beispielsweise Busse oder Kleinbusse sein, welche über einen relativ großen zu erwärmenden Fahrgastraum verfügen.
  • DE102010056208A1 betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennstoffzelle, eine Klimamessvorrichtung, durch welche eine Messung eines Klimaparameters des Innenraumes des Kraftfahrzeuges erfolgt und eine Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme, welche von der Brennstoffzelle generiert wird, zum Innenraum des Kraftfahrzeuges, aufweist. Des Weiteren wird mindestens ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle auch in Abhängigkeit des Klimaparameters des Innenraumes des Kraftfahrzeuges eingestellt.
  • DE102014207597A1 betrifft eine regenerative Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Ebenso betrifft die Erfindung ein Fahrzeugtemperierungssystem für ein Kraftfahrzeug und ein Energieversorgungssystem für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
  • DE102015011274A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs, bei welchem von einer Batterie und/oder von einem Brennstoffzellensystem elektrische Energie für eine Fortbewegung des Brennstoffzellenfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Hierbei wird Abwärme eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zum Beheizen eines Innenraums des Brennstoffzellenfahrzeugs genutzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfah rzeug.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils des Fortbewegungsmittels und ein solches Fortbewegungsmittel bereitzustellen.
  • Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils des Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. Bevorzugt kann das Fortbewegungsmittel ein Bus und insbesondere bevorzugt ein Kleinbus sein. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmebedarf des Teils des Fortbewegungsmittels auf Basis einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit ermittelt. Der den Wärmebedarf aufweisende Teil des Fortbewegungsmittels kann beispielsweise eine Fahrgastzelle und/oder ein Sitz und/oder ein (elektrischer) Energiespeicher und/oder ein Elektromotor (z. B. ein Traktionsmotor) und/oder ein Steuergerät des Fortbewegungsmittels sein. Eine Erwärmung des elektrischen Energiespeichers kann beispielsweise dann sinnvoll bzw. erforderlich sein, wenn der elektrische Energiespeicher eine Temperatur außerhalb einer Soll-Betriebstemperatur für den elektrischen Energiespeichers aufweist. Eine Erwärmung eines Steuergerätes des Fortbewegungsmittels kann beispielsweise dann sinnvoll bzw. erforderlich sein, wenn ein solches Steuergerät aufgrund einer Vereisung (z. B. ein vereister Umfeldsensor) ohne eine Erwärmung nicht einsatzbereit ist. Zum Ermitteln des Wärmebedarfs des den Wärmebedarf aufweisenden Teils des Fortbewegungsmittels kann die erfindungsgemäße Auswerteeinheit über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels beispielsweise informationstechnisch mit einem Klimasteuergerät und/oder einem Temperatursensor des Fortbewegungsmittels verbunden sein, um auf diese Weise beispielsweise eine Information über eine aktuelle Ist-Temperatur und/oder eine aktuelle Soll-Temperatur zu empfangen.
  • In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Auswerteeinheit eine im Fortbewegungsmittel vorhandene Energiereserve des Brennstoffzellensystems ermittelt.
    Die Energiereserve kann grundsätzlich ein beliebiger, mit einem jeweiligen Brennstoffzellensystem einsetzbarer Brennstoff sein, wie zum Beispiel Wassersstoff, Methanol, Butan oder Erdgas, welcher in einem geeigneten Tank im Fortbewegungsmittels vorgehalten werden kann. Stellvertretend für die unterschiedlichen Brennstoffe des Brennstoffzellensystems liegt in der nachfolgenden Beschreibung der Fokus auf Wasserstoff als Brennstoff, ohne die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren Brennstoffe dadurch auf diesen einzuschränken. Das Ermitteln der im Fortbewegungsmittel vorhandenen Energiereserve des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Auswerteeinheit des Brennstoffzellensystems und/oder ein Tankfüllstandsensor des Brennstoffzellensystems informationstechnisch über das Bordnetz mit der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit verbunden ist, welche auf diesem Wege eingerichtet ist, eine Information über einen aktuellen Tankfüllstand zu empfangen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit auch eine Information über eine im Tank vorhandene Restenergiemenge empfangen.
  • In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Auswerteeinheit eine im Fortbewegungsmittel vorhandene Energiereserve eines elektrischen Energiespeichers des Fortbewegungsmittels ermittelt. Der elektrische Energiespeicher kann bevorzugt eine Batterie und insbesondere eine Traktionsbatterie und/oder einen Kondensator und insbesondere einen Superkondensator umfassen. Stellvertretend für die unterschiedlichen elektrischen Energiespeicher liegt in der nachfolgenden Beschreibung der Fokus auf einer Traktionsbatterie als elektrischer Energiespeicher, ohne die möglichen elektrischen Energiespeicher auf diese einzuschränken. Das Ermitteln der im Fortbewegungsmittel vorhandenen Energiereserve des elektrischen Energiespeichers kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Auswerteeinheit der Traktionsbatterie und/oder eine mit der Traktionsbatterie korrespondierende Sensorik informationstechnisch über das Bordnetz mit der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit verbunden ist, welche auf diesem Wege eingerichtet ist, eine Information über einen aktuellen Ladezustand der Traktionsbatterie zu empfangen.
  • In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Auswerteeinheit eine aktuelle Route des Fortbewegungsmittels ermittelt. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit informationstechnisch über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels mit einem Navigationssystem des Fortbewegungsmittels verbunden sein, welches eingerichtet ist, eine Information über die aktuelle Route des Fortbewegungsmittels an die Auswerteeinheit zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich kann die aktuelle Route des Fortbewegungsmittels auch auf Basis eines Fahrplans und/oder eines Verkehrsleitsystems und/oder einer automatischen Routenermittlung auf Basis einer Routenprädiktion ermittelt werden.
  • In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Auswerteeinheit ein Ort einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem und/oder für den elektrischen Energiespeicher ermittelt. Dies kann bevorzugt wiederum auf Basis des Navigationssystems des Fortbewegungsmittels erfolgen, welches im Stand der Technik häufig zusätzlich zu einem Kartenmaterial für die Routenführung Zusatzinformationen über interessante Orte (auch POI, points of interest genannt) umfasst, welche insbesondere Positionen und ggf. weitere Informationen über Tankstellen und/oder Ladestationen umfassen können. Auf Basis dieser durch das Navigationssystem bereitgestellten Informationen über Positionen von Tankstellen und/oder Ladestationen wird die Auswerteeinheit in die Lage versetzt, jeweilige Energieaufnahmemöglichkeiten an diesen Positionen im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich zu einem Empfang dieser Informationen vom Navigationssystem des Fortbewegungsmittels können diese Informationen auch über eine Drahtloskommunikationsschnittstelle des Fortbewegungsmittels von einem externen Server usw. empfangen werden. Darüber hinaus können diese Informationen neben reinen Positionsangaben jeweiliger Tankstellen und/oder Ladestationen auch Informationen über eine Anzahl jeweiliger verfügbarer und/oder aktuell unbenutzter Zapfsäulen und/oder Ladestationen umfassen.
  • Es sei allgemein darauf hingewiesen, dass die durch die Auswerteeinheit über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels empfangenen unterschiedlichen Informationen bevorzugt in einer intern und/oder extern an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit für eine nachfolgende Verarbeitung durch die Auswerteeinheit abgelegt werden können.
  • In einem sechsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verbindung mit der Auswerteeinheit eine Leistung (d. h. eine elektrische Leistung) aus dem Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung des Wärmebedarfs, der Energiereserve des Brennstoffzellensystems, der Energiereserve des elektrischen Energiespeichers, der aktuellen Route des Fortbewegungsmittels und des Ortes der Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem und/oder für den elektrischen Energiespeicher entnommen. Da es ein Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, eine durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems erzeugte Wärmeleistung (also eine Abwärme des Brennstoffzellensystems) zum Erwärmen des den Wärmebedarf aufweisenden Teils des Fortbewegungsmittels zu verwenden, kann es sinnvoll bzw. erforderlich sein, das Brennstoffzellensystem bewusst in einem Bereich eines schlechten Wirkungsgrads zu betreiben, um eine entsprechend höhere Wärmeleistung zu erreichen. Abweichend zum Stand der Technik wird das Brennstoffzellensystem des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausschließlich hinsichtlich einer gewünschten elektrischen Leistungsentnahme (z. B. für den Antriebstrang des Fortbewegungsmittels) geregelt, sondern insbesondere hinsichtlich der für die Erwärmung des Teils des Fortbewegungsmittels erforderlichen Wärmeleistung der Brennstoffzelle. D. h. mit anderen Worten, dass die erforderliche Wärmeleistung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren als eine Hauptführungsgröße bei der Regelung der elektrischen Leistungsentnahme aus dem Brennstoffzellensystem betrachtet werden kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Brennstoffzellensystem auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur oberhalb eines Wirkungsgradoptimums des Brennstoffzellensystems, sondern auch unterhalb des Wirkungsgradoptimums betrieben werden kann. Letzteres kann insbesondere mit einer geringeren elektrischen Leistungsentnahme aus dem Brennstoffzellensystem und damit gegebenenfalls mit einer erforderlichen erhöhten Leistungsentnahme aus der Batterie einhergehen. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn aufgrund oben genannter Einflussgrößen bezüglich einer geeigneten Höhe einer Leistungsentnahme aus dem Brennstoffzellensystem (z. B. die aktuelle Route, die Energieaufnahmemöglichkeiten, usw.), Reserven des Brennstoffes des Brennstoffzellensystems zu einem späteren Zeitpunkt für eine Stromerzeugung verwendet werden sollen.
  • In einem siebten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abwärme des Brennstoffzellensystems zum Erwärmen des zu erwärmenden Teils des Fortbewegungsmittels verwendet. Hierfür können unterschiedliche Ausprägungen von Wärmeleitvorrichtungen und/oder Wärmetauschern zum Einsatz kommen, welche eingerichtet sind, die Abwärme des Brennstoffzellensystems zum zu erwärmenden Teil des Fortbewegungsmittels zu transportieren. Für den Wärmetransport kommen beispielsweise Luftkanäle und/oder fluidbasierte Wärmetransportsysteme in Frage.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die aktuelle Route des Fortbewegungsmittels alternativ oder zusätzlich zu den Routeninformation des Navigationssystems des Fortbewegungsmittels auf Basis einer Benutzereingabe und/oder einer automatischen Routenschätzung ermittelt. Die Benutzereingabe kann neben einer reinen Routenzieleeingabe im Navigationssystem auch konkrete Angaben über jeweils zu verwendende Streckenabschnitte umfassen. Eine automatische Routenschätzung kann u. a. durch eine Auswertung einer in der Vergangenheit gespeicherten Fahrthistorie erfolgen, auf deren Basis beispielsweise an bestimmten Wochentagen und/oder zu bestimmten Uhrzeiten wiederholt genutzte Routen (z. B. eine feste Route zu einer Arbeitsstelle) durch einen Benutzer des Fortbewegungsmittels ermittelt werden können.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der den Wärmebedarf aufweisende Teil des Fortbewegungsmittels zusätzlich mittels einer elektrischen Heizvorrichtung erwärmt. Dies kann besonders dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die durch das Brennstoffzellensystem erzeugte Abwärme nicht ausreichen sollte, um den zu erwärmenden Teil des Fortbewegungsmittels innerhalb einer vordefinierten Zeitdauer auf eine vordefinierte Zieltemperatur zu erwärmen. Dies kann insbesondere auch dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das Brennstoffzellensystem aufgrund aktuell vorliegender Randbedingungen nicht in einem Arbeitspunkt betrieben werden kann, in welchem ausreichend Abwärme für den zu erwärmenden Teil des Fortbewegungsmittels erzeugt werden kann. Letzteres kann Beispielsweise dann der Fall sein, wenn nur eine geringe Wasserstoffreserve für das Brennstoffzellensystem im Fortbewegungsmittel vorhanden ist, während die Batterie über einen ausreichend hohen Ladezustand verfügt, so dass der zu erwärmende Teil des Fortbewegungsmittels in diesem Fall überwiegend mittels der elektrischen Heizvorrichtung erwärmt werden kann, welche überwiegend mit der elektrischen Energie der Batterie gespeist wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Entnehmen der Leistung aus dem Brennstoffzellensystem eine Information über eine voraussichtliche Standzeit des Fortbewegungsmittels im Ziel der Route des Fortbewegungsmittels berücksichtigt. Dies hat den Hintergrund, dass durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit insbesondere bei längeren zu erwartenden Standzeiten (z. B. mehrere Stunden) ein Ladevorgang der Batterie an einer geeigneten Ladevorrichtung eingeplant werden kann. D. h., dass die erfindungsgemäße Auswerteeinheit im Wissen über eine voraussichtlich längere Standzeit des Fortbewegungsmittels, im Ziel der Route vor Erreichen des Routenziels bevorzugt eine Leistung aus der Batterie entnehmen kann, da diese im Ziel der Route in ausreichendem Maße geladen werden kann. Auf diese Weise kann eine Wasserstoffreserve des Brennstoffzellensystems eingespart werden, insbesondere dann, wenn auf dem Weg zum Ziel der Route bzw. im Ziel der Route keine Wasserstoffaufnahmemöglichkeit bestehen sollte.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Entnehmen der Leistung aus dem Brennstoffzellensystem derart, dass das Brennstoffzellensystem außerhalb eines Bereichs eines optimal Wirkungsgrads und insbesondere außerhalb eines Bereichs einer Leistungsentnahme in Höhe von 20 % bis 30 % einer Nennleistung des Brennstoffzellensystems betrieben wird, um hinreichend Abwärme zu erzeugen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine durch das Brennstoffzellensystem erzeugte überschüssige elektrische Energie im elektrischen Energiespeicher des Fortbewegungsmittels gespeichert. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn das Brennstoffzellensystem zum Erwärmen des zu erwärmenden Teils des Fortbewegungsmittels bewusst außerhalb des Bereichs einer für den elektrischen Antrieb des Fortbewegungsmittels erforderlichen elektrischen Leistungsentnahme betrieben wird. Die dadurch erzeugte überschüssige elektrische Energie kann vorteilhafterweise im elektrischen Energiespeicher für eine spätere Nutzung im Fortbewegungsmittel gespeichert werden, sofern diese zum Erzeugungszeitpunkt nicht durch andere Verbraucher des Fortbewegungsmittels (z. B. durch die elektrische Heizvorrichtung, Steuergeräte oder davon abweichende Verbraucher) genutzt werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang, welche bevorzugt informationstechnisch mit einem Bordnetzes und/oder einem Teilbordnetz des Fortbewegungsmittels (z. B. einem Automotive-Bussystem wie CAN, LIN, MOST, Ethernet, FlexRay, usw.) verbunden sein können. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein und informationstechnisch mit einer internen und/oder externen Speichereinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann bevorzugt auf Basis eines die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte realisierenden Computerprogramms eingerichtet sein, diese Verfahrensschritte auszuführen. Die Auswerteeinheit ist in Verbindung mit dem Dateneingang eingerichtet, den Wärmebedarf des zu erwärmenden Teils des Fortbewegungsmittels zu ermitteln, eine im Fortbewegungsmittel vorhandene Energiereserve des Brennstoffzellensystems zu ermitteln, eine im Fortbewegungsmittel vorhandene Energiereserve eines elektrischen Energiespeichers des Fortbewegungsmittels zu ermitteln, eine aktuelle Route des Fortbewegungsmittels zu ermitteln und einen Ort einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem und/oder für den elektrischen Energiespeicher zu ermitteln. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Leistung aus dem Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung des Wärmebedarfs, der Energiereserve des Brennstoffzellensystems, der Energiereserve des elektrischen Energiespeichers, der aktuellen Route des Fortbewegungsmittels und der Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem und/oder für den elektrischen Energiespeicher zu entnehmen. In Verbindung mit dem Datenausgang ist die Auswerteeinheit zusätzlich eingerichtet, eine Abwärme des Brennstoffzellensystems zum Erwärmen des den Wärmebedarf aufweisenden Teils des Fortbewegungsmittels zu verwenden.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 2 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs einer Fahrgastzelle eines elektrisch angetriebenen Kleinbusses. Im Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch eine Auswerteeinheit, welche hier ein Mikrocontroller ist, ein Wärmebedarf für die Fahrgastzelle ermittelt. Hierfür empfängt die Auswerteeinheit, welche informationstechnisch mit einem CAN-Bus-basierten Teilbordnetz des Kleinbusses verbunden ist, von einem Klimasteuergerät des Fortbewegungsmittels Informationen über eine aktuelle Temperatur innerhalb der Fahrgastzelle (hier 8 °C) und eine Zieltemperaturvorgabe (hier 21 °C), welche durch einen Benutzer des Kleinbusses mittels einer Benutzereingabe festgelegt wurde. Im Schritt 200 ermittelt die Auswerteeinheit eine aktuelle Energiereserve des Brennstoffzellensystems, welche hier bei ca. 35 % einer gesamtmöglichen Energiereserve des Brennstoffzellensystems liegt. Im Schritt 300 ermittelt die Auswerteeinheit eine aktuelle Energiereserve einer Traktionsbatterie des Kleinbusses, welche hier bei einem Ladezustand von ca. 75 % liegt. Im Schritt 400 ermittelt die Auswerteeinheit eine aktuelle Route des Kleinbusses. Zu diesem Zweck fordert die Auswerteeinheit bei einem Navigationssystem des Kleinbusses entsprechende Informationen über eine aktive Routenführung an. Im Schritt 500 fordert die Auswerteeinheit beim Navigationssystem zusätzlich Informationen über Orte einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem und für die Batterie an. Die vom Navigationssystem diesbezüglich empfangenen Informationen ergeben in diesem Ausführungsbeispiel, dass sich lediglich in unmittelbarer Nähe des Routenziels eine Ladestation zum Laden der Batterie befindet. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur innerhalb der Fahrgastzelle und der Zieltemperatur, aufgrund der Tatsache, dass sich auf der aktuellen Route des Kleinbusses keine Tankmöglichkeit für Wasserstoff für das Brennstoffzellensystem befindet und aufgrund der relativ geringen vorhandenen Wasserstoffreserve im Kleinbus, ermittelt die Auswerteeinheit, dass das Brennstoffzellensystem nur geringfügig oberhalb ihres optimalen Wirkungsgradbereichs betrieben werden soll, und dementsprechend nur eine relativ geringe Abwärme des Brennstoffzellensystems für das Erwärmen der Fahrgastzelle genutzt werden kann. Aus diesem Grund wird durch die Auswerteeinheit zusätzlich eine elektrische Fahrgastzellenheizung aktiviert, welche überwiegend mit elektrischer Energie der Batterie versorgt wird, welche hier wie beschrieben über einen relativ hohen Ladezustand verfügt. Da die Batterie in der Nähe des Routenziels geladen werden kann und die vorhandene Energiereserve der Batterie ausreichend ist, um sowohl das Routenziel zu erreichen, als auch die Fahrgastzelle zu erwärmen, wird die Leistungsentnahme aus der Batterie durch die Auswerteeinheit derart gesteuert, dass deren Ladezustand im Routenziel in etwa bei ihrem vordefinierten Minimalladezustand liegt.
  • 2 zeigt eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Das Fortbewegungsmittel 80 umfasst eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10, welche hier ein Mikrocontroller ist. Mittels eines Dateneingangs 12 und eines Datenausgangs 14 ist die Auswerteinheit 10 mit einem Brennstoffzellensystem 30 und einer Batterie 40 (welche hier eine Traktionsbatterie eines elektrischen Antriebes des Fortbewegungsmittels 80 ist) informationstechnisch über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels 80 verbunden, um sowohl aktuelle Statusinformationen der beiden vorgenannten Komponenten zu empfangen, als auch einen jeweiligen Betriebszustand für diese beiden Komponenten herzustellen. Die Auswerteinheit 10 ist mit einer externen Speichereinheit 20 informationstechnisch verbunden, in welcher durch die Auswerteeinheit 10 empfangene und berechnete Daten für eine nachfolgende Verwendung durch die Auswerteeinheit 10 abgelegt werden. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 10 mittels des Dateneingangs 12 mit einem Navigationssystem 70 des Fortbewegungsmittels 80 informationstechnisch verbunden. Mittels des Datenausgangs 14 ist die Auswerteeinheit 10 zusätzlich mit einer elektrischen Heizung 60 informationstechnisch verbunden und auf diese Weise eingerichtet, die elektrische Heizung 60 derart anzusteuern, dass eine durch diese erzeugte Wärme eine Fahrgastzelle 50 des Fortbewegungsmittels 80 erwärmt. Das Brennstoffzellensystem 30 und die Batterie 40 sind elektrisch mit der elektrischen Heizung 60 und einem Elektromotor 90 (welcher hier ein elektrischer Traktionsmotor ist) des Fortbewegungsmittels 80 verbunden, um sowohl den Elektromotor 90, als auch die elektrische Heizung 60 mit elektrischer Energie zu versorgen. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 30 derart über ein wärmeleitendes Element 35 mit der Fahrgastzelle 50 verbunden, dass eine durch das Brennstoffzellensystem 30 erzeugte Abwärme für ein Erwärmen der Fahrgastzelle 50 verwendet werden kann. Auf Basis dieser Konfiguration und auf Basis eines Computerprogramms ist die Auswerteeinheit 10 eingerichtet, oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahrensschritte auszuführen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Auswerteeinheit
    12
    Dateneingang
    14
    Datenausgang
    20
    Speichereinheit
    30
    Brennstoffzellensystem
    35
    wärmeleitendes Element
    40
    Batterie
    50
    Fahrgastzelle
    60
    elektrische Heizung
    70
    Navigationssystem
    80
    Fortbewegungsmittel
    90
    Elektromotor
    100 - 700
    Verfahrensschritte
  • 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
    • DE 102010056208 A1 [0003]
    • DE 102014207597 A1 [0004]
    • DE 102015011274 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (30) unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils (50) eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend die Schritte: • Ermitteln (100) des Wärmebedarfs des Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80), • Ermitteln (200) einer im Fortbewegungsmittel (80) vorhandenen Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30), • Ermitteln (300) einer im Fortbewegungsmittel (80) vorhandenen Energiereserve eines elektrischen Energiespeichers (40) des Fortbewegungsmittels (80), • Ermitteln (400) einer aktuellen Route des Fortbewegungsmittels (80), • Ermitteln (500) eines Ortes einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40), • Entnehmen (600) einer Leistung aus dem Brennstoffzellensystem (30) unter Berücksichtigung des Wärmebedarfs, der Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30), der Energiereserve des elektrischen Energiespeichers (40), der aktuellen Route des Fortbewegungsmittels (80) und des Ortes der Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40), und • Verwenden (700) einer Abwärme des Brennstoffzellensystems (30) zum Erwärmen des den Wärmebedarf aufweisenden Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der den Wärmebedarf aufweisende Teil (50) des Fortbewegungsmittels (80) • eine Fahrgastzelle, und/oder • ein Sitz, und/oder • ein elektrischer Energiespeicher (40), und/oder • ein Elektromotor (90), und/oder • ein Steuergerät des Fortbewegungsmittels (80) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die aktuelle Route des Fortbewegungsmittels (80) auf Basis • einer Information eines Navigationssystems (70) des Fortbewegungsmittels (80), und/oder • einer Benutzereingabe, und/oder • einer automatischen Routenschätzung, ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der den Wärmebedarf aufweisende Teil (50) des Fortbewegungsmittels (80) zusätzlich mittels einer elektrischen Heizvorrichtung (60) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Entnehmen der Leistung aus dem Brennstoffzellensystem (30) eine Information über eine voraussichtliche Standzeit des Fortbewegungsmittels (80) im Ziel der Route des Fortbewegungsmittels (80) berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entnehmen der Leistung aus dem Brennstoffzellensystem (30) derart erfolgt, dass das Brennstoffzellensystem (30) außerhalb eines Bereichs eines optimalen Wirkungsgrads und insbesondere außerhalb eines Bereichs einer Leistungsentnahme in Höhe von 20 % - 30 % einer Nennleistung des Brennstoffzellensystems (30) betrieben wird, um hinreichend Abwärme zu erzeugen.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine durch das Brennstoffzellensystem (30) erzeugte überschüssige elektrische Energie im elektrischen Energiespeicher (40) des Fortbewegungsmittels (80) gespeichert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Fortbewegungsmittel (80) ein Straßenfahrzeug, insbesondere ein PKW und bevorzugt ein Kleinbus ist.
  9. Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (30) unter Berücksichtigung eines Wärmebedarfs eines Teils (50) eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend: • eine Auswerteeinheit (10), • einen Dateneingang (12), und • einen Datenausgang (14), wobei die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, • in Verbindung mit dem Dateneingang (12) ◯ den Wärmebedarf des Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80) zu ermitteln, ◯ eine im Fortbewegungsmittel (80) vorhandene Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30) zu ermitteln, ◯ eine im Fortbewegungsmittel (80) vorhandene Energiereserve eines elektrischen Energiespeichers (40) des Fortbewegungsmittels (80) zu ermitteln, ◯ eine aktuelle Route des Fortbewegungsmittels (80) zu ermitteln, und ◯ einen Ort einer Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40) zu ermitteln, • eine Leistung aus dem Brennstoffzellensystem (30) unter Berücksichtigung des Wärmebedarfs, der Energiereserve des Brennstoffzellensystems (30), der Energiereserve des elektrischen Energiespeichers (40), der aktuellen Route des Fortbewegungsmittels (80) und der Energieaufnahmemöglichkeit für das Brennstoffzellensystem (30) und/oder für den elektrischen Energiespeicher (40) zu entnehmen, und • in Verbindung mit dem Datenausgang (14) eine Abwärme des Brennstoffzellensystems (30) zum Erwärmen des den Wärmebedarf aufweisenden Teils (50) des Fortbewegungsmittels (80) zu verwenden.
  10. Fortbewegungsmittel (80) umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 9.
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