DE102020114269A1

DE102020114269A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020114269A1
Application number: DE102020114269.2A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-12-02
Also published as: EP4069547A1; US20230339365A1; WO2021239499A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges, umfassend die Schritte:a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke,b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) und einer Batterie bestimmen,c) Bestimmung einer Geschwindigkeit Vsoll, die gleichmäßig über die voraus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen erreicht werden kann,d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit Vsollerforderlich ist.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges, umfassend die Schritte:

a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke,
b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer Batterie bestimmen,
c) Bestimmung einer Geschwindigkeit V_soll, die gleichmäßig über die voraus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen erreicht werden kann,
d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit V_soll erforderlich ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist.
Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Wird eine derartige Brennstoffzellenvorrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug verwendet für die Versorgung eines elektrischen Traktionsmotores, oder auch in Hybrid-Fahrzeugen als Range-Extender, so liegen häufig und schnell wechselnde Anforderungen an die Brennstoffzellenvorrichtung vor. In einem Normalbetrieb steht dabei stets die volle Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung, wobei aber aufgrund der Rahmenbedingungen ein Derating, also eine Leistungsreduktion erforderlich werden kann, um Schäden an der Brennstoffzellenvorrichtung oder auch einer Batterie vorzubeugen.
In der JP 2011232241 A wird ein Verfahren beschrieben, wie bei einem batterie-elektrischen Fahrzeug in Abhängigkeit des Ladezustandes durch ein Navigationssystem eine Routenauswahl erfolgt. In der JP 2005218178 A wird beschrieben, wie neben der Ladezustandskontrolle für die eigene Batterie für die Verbrauchskontrolle auch Verbrauchsinformationen von anderen Fahrzeugen ausgewertet werden, die bereits Abschnitte der gewünschten Strecke zurück gelegt haben. Für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist in DE 601 24 090 T2 offenbart, wie die Brennstoffzellenvorrichtung auf einem vorbestimmten Soll-Ausgangswert betrieben und ein Unterschied im Energiebedarf durch eine Batterie ausgeglichen wird, wobei die Änderungsrate des Energiebedarfs erfasst und der Soll-Ausgangswert für den Energiebedarf modifiziert wird, wenn die Änderungsrate einen Schwellwert überschreitet.
Bei großen Steigungen oder großer Hitze kann es sich bei Fahrzeugen mit einer Brennstoffzellenvorrichtung ergeben, dass die anfänglich bereit gestellte Leistung mit der daraus resultierenden Geschwindigkeit nicht für den gesamten Streckenabschnitt bereit gestellt werden kann, da die von der Brennstoffzellenvorrichtung und der Batterie unter Berücksichtigung einer Schonung der Komponenten bereit gestellte Leistung nicht ausreicht. Der Nutzer des Fahrzeugs spürt dann einen starken Geschwindigkeitseinbruch, was die Kundenakzeptanz reduziert oder den Kunden an einen Defekt denken lässt, mit einer möglichen Panikreaktion an gefährlichen Streckenabschnitten einer Passfahrt oder einer möglichen Anforderung eines Pannendienstes beziehungsweise dem Aufsuchen einer Werkstatt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges anzugeben, mit dem diese Nachteile beseitigt oder zumindest gemildert werden. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass in Kenntnis der zurück zu legenden Strecke und in Abhängigkeit der verfügbaren Leistung und des Ladezustandes der Batterie ein Geschwindigkeitsverlauf entlang der Strecke bestimmt werden kann, bei dem nur eine reduzierte Geschwindigkeit freigegeben ist, so dass ein zu keinem starken Einbruch der Leistungsverfügbarkeit und der damit erzielbaren Geschwindigkeit kommt. Bei geeigneter Wahl von V_soll lässt sich ein Geschwindigkeitseinbruch vollständig vermeiden. Der häufigste Anwendungsfall sind dabei große Steigungen, aber der Nutzen ist nicht darauf beschränkt, da auch beispielsweise die Fahrbahnbeschaffenheit die Fahrwiderstände beeinflussen kann.
Besonders bevorzugt ist es, wenn Umgebungsparameter in die Bestimmung der Leistungsfähigkeit nach Schritt b) einbezogen werden, da auch eine große Hitze mit einem erhöhten Kühlungsbedarf die verfügbare Leistung beeinflussen kann
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Daten eines Navigationsgerätes und/oder von Verkehrsmeldungen und/oder eines Wetterdienstes bei dem prädiktiven Bestimmen der Fahrwiderstände einbezogen werden. Die an Bord eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges verfügbaren Informationen werden also möglichst umfassend ausgewertet, so dass der Wert V_soll präziser bestimmt werden kann. Neben den Daten des Navigationsgerätes sind Verkehrsmeldungen zur Verkehrslage mit Stau oder Stop-and-Go-Verkehr bedeutsam, während der Wetterdienst Aufschluss über Gegen- oder Seitenwind oder die Fahrbahnbeschaffenheit gibt.
Es ist günstig, wenn ein lokales Steuergerät des Brennstoffzellen-Fahrzeugs zur Bestimmung der Geschwindigkeit V_soll und der Leistung verwendet wird, da so diesbezüglich Autarkie gegeben ist, obwohl es grundsätzlich auch denkbar ist, die Daten extern z.B. in einer Cloud zu sammeln und/oder auszuwerten, wobei dann aber ein entsprechender Datenverkehr ermöglicht sein muss.
Vorteilhaft ist dabei, wenn eine Höchstgeschwindigkeit Vmax berechnet und freigegeben wird, da so für den Nutzer die Einschränkungen weniger merklich sind und beispielsweise für Überholvorgänge eine ausreichende Sicherheitsreserve verbleibt. Bei dieser Berechnung kann der Degradationszustand der Brennstoffzellen mit einbezogen werden, so dass gegebenenfalls eine niedrigere Zielgeschwindigkeit Vmax vorgegeben werden muß. Vmax kann dabei aber auch mit V_soll identisch sein, das heißt, für die gesamte Strecke steht die entsprechende Geschwindigkeit zur Verfügung. Es können dabei durch den Nutzer bedarfsweise auch Zwischeneinstellungen getroffen werden, bei denen Geschwindigkeitsreduktionen beispielsweise in Kurven und engen Kehren oder an besonders steilen Streckenabschnitten zugelassen werden.
Der Gebrauchswert und die Nutzerfreundlichkeit werden gesteigert, wenn iterativ bei dem Abfahren der ausgewerteten Strecke eine Neubestimmung von V_soll erfolgt für den Rest der voraus liegenden Strecke erfolgt, und wenn bei dem Abfahren der Strecke das aktuelle Verkehrsgeschehen mit den tatsächlichen Fahrwiderständen einbezogen wird.
Auch ist es günstig, wenn eine Verkehrszeichenerkennung genutzt wird für die Bestimmung der Fahrwiderstände, um so in dem Navigationssysteme nicht bekannte Fakten wie Baustellen berücksichtigen zu können.
Besonders bevorzugt ist auch, wenn bei der Bestimmung Geschwindigkeit V_soll eine Belastung der Batterie einbezogen wird, also die Leistungsentnahme zum dauerhaften von V_soll so bestimmt wird, dass eine Degradation der Batterie vermieden ist oder eine bereits erfolgte Degradation bei der Bestimmung der verfügbaren Leistung einfließt.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs (schematisch gezeigt),
2 eine zeitabhängige Darstellung der erreichbaren Geschwindigkeit, für den Fall eines Deratings (strichlierte Linie) und für den Fall der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (durchgezogene Linie), und
3 eine zeitabhängige Darstellung des Ladezustandes (state of charge SOC) der Batterie für den Fall eines Deratings (strichlierte Linie) und für den Fall der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (durchgezogene Linie).

In 1 ist eine über eine Kommunikationsverbindung 8 mit einem Navigationssystem 2 verbundene Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, welche einen Brennstoffzellenstapel 5 umfasst, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 und das Navigationssystem 2 sind Teile eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs.
Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^-→ 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 1 versorgt mindestens einen Fahrmotor des Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit elektrischer Leistung. Ergänzend ist vorliegend auch eine nicht näher dargestellte Batterie für die elektrische Versorgung des Fahrmotors vorhanden, so dass ein hybrides System aus Brennstoffzelle und Batterie vorliegt, bei dem die verfügbare Leistung durch das Zusammenwirken von der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und der Batterie bestimmt ist und bei hohen Leistungsanforderungen, die nicht allein durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 gedeckt werden können, ergänzend auch die Batterie genutzt werden kann. Zu beachten ist, dass bei hohen Leistungsanforderungen, z.B. bei Passfahren, die Leistungsabgabe der Brennstoffzellenvorrichtung 1 aus thermischen Gründen begrenzt werden muss und somit die im Tal gewählte Geschwindigkeit nicht gehalten werden kann. Um die damit verbundenen Nachteile, insbesondere für den Nutzer oder in der Nutzerwahrnehmung zu vermeiden, kann ein Verfahren genutzt werden, das die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke,
b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 und einer Batterie und ggfs die Abwärme bestimmen,
c) Bestimmung einer Geschwindigkeit V_soll, die gleichmäßig über die voraus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen erreicht werden kann,
d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit V_soll erforderlich ist.

Zweckmäßigerweise werden dabei auch Umgebungsparameter in die Bestimmung der Leistungsfähigkeit nach Schritt b) einbezogen, wie die Temperatur, die Höhenlage.
Die Genauigkeit bei der Bestimmung von V_soll wird verbessert, indem die Daten eines Navigationssystems 2 und/oder von Verkehrsmeldungen 7 und/oder eines Wetterdienstes 11 bei dem prädiktiven Bestimmen der Fahrwiderstände einbezogen werden.
Die Auswertung der erfassten Daten erfolgt durch ein lokales Steuergerät 10 des Brennstoffzellen-Fahrzeugs zur Bestimmung der Geschwindigkeit V_soll und der Leistung.
Ergänzend kann auch eine Höchstgeschwindigkeit Vmax berechnet und freigegeben werden, wobei iterativ bei dem Abfahren der ausgewerteten Strecke auch eine Neubestimmung von V_soll erfolgen kann für den Rest der voraus liegenden Strecke und bei dem Abfahren der Strecke das aktuelle Verkehrsgeschehen mit den tatsächlichen Fahrwiderständen einbezogen wird und eine Verkehrszeichenerkennung genutzt wird für die Bestimmung der Fahrwiderstände. Zusätzlich kann auch bei der Bestimmung der Geschwindigkeit V_soll eine Belastung der Batterie einbezogen werden.
In 2 ist der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich. Die strichlierte Linie zeigt den starken Geschwindigkeitseinbruch, der durch ein Derating bei leerer Batterie erfolgen muss, der aber entsprechend der durchgezogenen Linie vermieden wird, wenn die Geschwindigkeit bereits früher begrenzt wird, so dass die verfügbare Leistung gleichmäßig über den gesamten Zeitraum abgegeben wird. Die 3 zeigt den Effekt des Verfahrens auf den Ladezustand der Batterie, die weniger ergänzend für die Leistungsbereitstellung der Brennstoffzellenvorrichtung benötigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Navigationssystem
3: Routenbestimmungseinrichtung
4: Datenempfangseinrichtung
5: Brennstoffzellenstapel
6: GPS-Sensor
7: Verkehrsmeldungen
8: Kommunikationsverbindung
9: Sensor
10: Steuergerät
11: Wetterdienst für Wetterdaten
12: Positionsdaten
13: Verdichter
14: Ladeluftkühler
15: Befeuchter
16: Kathodenzufuhrleitung
17: Kathodenabgasleitung
19: Abgasleitung
22: Anodenzufuhrleitung
26: Brennstoffspeicher

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

JP 2011232241 A [0006]
JP 2005218178 A [0006]
DE 60124090 T2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges, umfassend die Schritte: a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke, b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) und einer Batterie bestimmen, c) Bestimmung einer Geschwindigkeit V_soll, die gleichmäßig über die voraus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen erreicht werden kann, d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit V_soll erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsparameter in die Bestimmung der Leistungsfähigkeit nach Schritt b) einbezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eines Navigationssystems (2) und/oder von Verkehrsmeldungen (7) und/oder eines Wetterdienstes (11) bei dem prädiktiven Bestimmen der Fahrwiderstände einbezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Steuergerät (10) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs zur Bestimmung der Geschwindigkeit V_soll und der Leistung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höchstgeschwindigkeit Vmax berechnet und freigegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass iterativ bei dem Abfahren der ausgewerteten Strecke eine Neubestimmung von V_soll erfolgt für den Rest der voraus liegenden Strecke erfolgt.
Verfahren nach einem der Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Abfahren der Strecke das aktuelle Verkehrsgeschehen mit den tatsächlichen Fahrwiderständen einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkehrszeichenerkennung genutzt wird für die Bestimmung der Fahrwiderstände.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung Geschwindigkeit V_soll eine Belastung der Batterie einbezogen wird.
Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem Steuergerät (10), das eingerichtet ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.