DE102020115375A1 - Method for parking a fuel cell vehicle and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), umfassend die Schritte:- Prädiktives Bestimmen des bei einem nachfolgenden Neustart zu erwartenden Leistungsbedarfs,- Bestimmung der Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle (2) bei dem Neustart und des Leistungsbedarfs,- Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs derart, dass eine Batterie auf ein Mindestmaß geladen wird und so die Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle (2) und des Leistungsbedarfs erbracht werden kann,- Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle (2),- Abschließen des Abstellvorgangs.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for parking a fuel cell vehicle with at least one fuel cell (2), comprising the steps: - predictive determination of the power requirement to be expected in a subsequent restart, - determination of the difference between the achievable power of the fuel cell (2) during the Restart and the power requirement, - Alignment of the fuel cell operation in such a way that a battery is charged to a minimum and thus the difference between the achievable power of the fuel cell (2) and the power requirement can be provided, - Conditioning of the at least one fuel cell (2), - Completing the parking process. The invention also relates to a fuel cell motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges mit mindestens einer Brennstoffzelle, umfassend die Schritte:

  • - Prädiktives Bestimmen des bei einem nachfolgenden Neustart zu erwartenden Leistungsbedarfs,
  • - Bestimmung der Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle bei dem Neustart und des Leistungsbedarfs,
  • - Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs derart, dass eine Batterie auf ein Mindestmaß geladen wird und so die Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle und des Leistungsbedarfs erbracht werden kann,
  • - Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle,
  • - Abschließen des Abstellvorgangs.
The invention relates to a method for parking a fuel cell vehicle with at least one fuel cell, comprising the steps:
  • - Predictive determination of the power requirement to be expected for a subsequent restart,
  • - Determination of the difference between the achievable power of the fuel cell at the restart and the power requirement,
  • - Alignment of the fuel cell operation in such a way that a battery is charged to a minimum and thus the difference between the achievable power of the fuel cell and the power requirement can be provided,
  • - Conditioning of the at least one fuel cell,
  • - Completing the parking process.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.The invention also relates to a fuel cell motor vehicle.

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 (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. 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 die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) 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 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane-electrode unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. This water must be led out of the fuel cell and the fuel cell stack until a moisture level is reached that is necessary for the operation of the fuel cell system.

Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen daher ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum Einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss.Fuel cell devices therefore require careful water management because, on the one hand, it is necessary to prevent too much water from being in the fuel cell or in the fuel cell stack, which leads to a blockage of the flow channels for the supply of the reactants. On the other hand, if there is not enough water in the fuel cell, the proton conductivity of the membrane is limited, so that sufficient moisture and water supply to the membrane must be ensured.

Problematisch ist es, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystems Frostbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen.It is problematic if, when the fuel cell system is started, there are frost conditions, that is to say conditions in which water freezes. This can result in the necessary flow channels for the reactant gases and product water being blocked by ice. In order to prevent this condition, it is known to dry the fuel cell stack when the fuel cell system is switched off.

Beim Abstellen eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem ergibt sich der Batterieladezustand aus der Betriebsstrategie, berücksichtigt aber nicht den Betriebszustand oder die Anforderungen des Fahrers. Bei einem Wiederstarten des Brennstoffzellen-Fahrzeugs kann es ja nach Ladezustand, Degradation und Temperatur zu einer veränderlichen Batterie- und Brennstoffzellenleistung und somit auch zu Leistungsunterschieden kommen. Dies wird durch den Fahrer bemerkt und führt zu einer reduzierten Kundenakzeptanz oder lässt den Fahrer an einen Defekt denken und ist somit mit einer möglichen Panikreaktion an gefährlichen Streckenabschnitten einer Passfahrt oder einer möglichen Anforderung eines Pannendienstes beziehungsweise dem Aufsuchen einer Werkstatt verbunden.When a vehicle with a fuel cell system is parked, the battery state of charge results from the operating strategy, but does not take into account the operating state or the requirements of the driver. When the fuel cell vehicle is restarted, depending on the state of charge, degradation and temperature, the battery and fuel cell performance can vary, and thus there can also be differences in performance. This is noticed by the driver and leads to reduced customer acceptance or makes the driver think of a defect and is therefore associated with a possible panic reaction on dangerous stretches of a pass drive or a possible request for a breakdown service or a visit to a workshop.

Die DE102 00 120 A1 offenbart ein Fahrzeug-Energieerzeugungssystem mit einer Brennstoffzelle als Energiequelle und einer Batterie als Lastnivelliervorrichtung. Ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenfahrzeugs unter Froststartbedingungen wird in der DE10 2018 201 253 A1 beschrieben. Dabei wird die Sauerstoffzufuhr so bemessen, dass die Brennstoffzelle die Batterie lädt, um eine für den Normalbetrieb nachteilige Entladung der Batterie zu vermeiden. Die US 2011/0246013 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Energieverteilungssystem, das für die Ladung der Batterie eingerichtet ist.the DE 102 00 120 A1 discloses a vehicle power generation system having a fuel cell as a power source and a battery as a load leveling device. A method for starting a fuel cell vehicle under freeze starting conditions is disclosed in FIG DE10 2018 201 253 A1 described. The oxygen supply is measured in such a way that the fuel cell charges the battery in order to avoid discharging the battery, which is disadvantageous for normal operation. the US 2011/0246013 A1 discloses a fuel cell device having a power distribution system adapted to charge the battery.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum verbesserten Abstellen eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges anzugeben. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to specify a method for the improved parking of a fuel cell vehicle. Another task is to provide an improved fuel cell vehicle.

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.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a fuel cell vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass bereits bei dem Abstellen der Neustart vorbereitet wird und dazu der Ladezustand der Batterie soweit verbessert wird, dass der Leistungsbedarf gedeckt werden kann, auch wenn die Brennstoffe noch nicht zur vollständigen Leistungsabgabe bereit ist.The method mentioned at the beginning offers the advantage that the restart is prepared as soon as it is switched off and the state of charge of the battery is improved to such an extent that the power requirement can be met even if the fuel is not yet ready for full power output.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Daten eines Navigationssystems genutzt werden für die Bestimmung des Erreichens eines Fahrtzieles und der davon abhängigen Initiierung der Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs. So wird beispielsweise das Brennstoffzellen-Fahrzeug in einem ersten Szenario in einer großen Tempo 30-Zone abgestellt. Daraus gibt sich, dass der maximale Leistungsbedarf nach einem Neustart für beispielsweise vier Minuten 20 kW nicht übersteigt. Das Brennstoffzellensystem hat folglich mindestens vier Minuten Zeit, um schonend auf Betriebstemperatur erwärmt zu werden. In einem zweiten Szenario wird das Brennstoffzellen-Fahrzeug bei -10 °C auf einem Autobahnrastplatz abgestellt. Um bei einem Neustart direkt die notwendige hohe Leistung erbringen zu können, muss die Brennstoffzellenvorrichtung beim Abstellen ausreichend gut konditioniert und die Batterie aufgeladen werden. Es ist daher auch vorteilhaft, dass Umgebungsparameter in die Bestimmung des Leistungsbedarfs einbezogen werden und dass die Daten eines Wetterdienstes bei der prädiktiven Bestimmung des Leistungsbedarfs einbezogen werden.It is also advantageous if the data from a navigation system are used to determine whether a destination has been reached and to initiate the alignment of the fuel cell operation as a function of this. For example, in a first scenario, the fuel cell vehicle is parked in a large 30 km / h zone. This means that the maximum power requirement after a restart does not exceed 20 kW for four minutes, for example. The fuel cell system consequently has at least four minutes to gently warm up to operating temperature. In a second scenario, the fuel cell vehicle is parked at a motorway rest area at -10 ° C. In order to be able to provide the necessary high output directly in the event of a restart, the fuel cell device must be sufficiently well conditioned when it is switched off and the battery must be charged. It is therefore also advantageous that environmental parameters are included in the determination of the power requirement and that the data from a weather service are included in the predictive determination of the power requirement.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Leistungsbedarf innerhalb eines begrenzten Zeitraums unmittelbar nach erfolgtem Startvorgang prädiktiv bestimmt wird. Dadurch wird ein schneller Neustart ermöglicht und auch die Kundenakzeptanz vergrößert, da die erforderte Leistung schneller abgerufen werden kann.Furthermore, it is advantageous that the power requirement is determined predictively within a limited period of time immediately after the start process has taken place. This enables a quick restart and also increases customer acceptance, since the required performance can be accessed more quickly.

Vorteilhaft ist es auch, dass der Mindestladezustand der Batterie modellbasiert bestimmt wird und dass die Batterie über ein Mindestmaß hinaus geladen wird, also insbesondere die Einstellung eines Ziel-SOC (Ziel-state of charge) erfolgt, der unabhängig vom aktuellen SOC gewählt werden kann. Dadurch kann die Batterie optimal genutzt werden, wodurch es zu einer Entlastung und Schonung der Brennstoffzelle kommt. Dies verlängert sowohl die Lebensdauer der Batterie als auch der Brennstoffzelle und verringert dadurch die Instandhaltungskosten.It is also advantageous that the minimum state of charge of the battery is determined based on the model and that the battery is charged beyond a minimum, i.e. in particular a target SOC (target state of charge) is set that can be selected independently of the current SOC. This means that the battery can be used optimally, thereby relieving the load on the fuel cell and protecting it. This extends the service life of both the battery and the fuel cell, thereby reducing maintenance costs.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Feuchtegehalt eines Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit der prädiktiven Betriebsbedingungen bei einem Neustart variabel eingestellt wird. Dadurch kann die Leistung im Bedarfsfall gepuffert werden, sodass dem Fahrer zu jeder Zeit ein identisches Fahrzeugverhalten gegeben ist. Dadurch wird der Fahrer nicht mehr durch Leistungsunterschiede verunsichert.It is furthermore advantageous that the moisture content of a fuel cell stack is set variably as a function of the predictive operating conditions during a restart. In this way, the performance can be buffered if necessary, so that the driver is given identical vehicle behavior at all times. As a result, the driver is no longer unsettled by differences in performance.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine Höchstgeschwindigkeit und/oder eine Maximalleistung für den Neustart berechnet und freigegeben wird.Furthermore, it is advantageous that a maximum speed and / or a maximum power is calculated and released for the restart.

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.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a fuel cell motor vehicle with a control device which is set up to carry out the above-mentioned method.

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.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown on their own in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

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 des Leistungsverlaufs des Brennstoffzellenstapels, bei feuchtem und trockenen (strichliert) Zustand,
  • 3 eine Darstellung des Leistungsverlaufs in Abhängigkeit der Temperatur der Batterie bei hohem Ladezustand (strichliert) und bei niedrigem Ladezustand, und
  • 4 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a fuel cell system of a fuel cell vehicle (shown schematically),
  • 2 a time-dependent representation of the power curve of the fuel cell stack, in wet and dry (dashed) condition,
  • 3 a representation of the performance curve as a function of the temperature of the battery with a high state of charge (dashed lines) and with a low state of charge, and
  • 4th a schematic sequence of the method according to the invention.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.In the 1 Fig. 3 is a schematic view of a fuel cell device 1 shown, these being a plurality of in a fuel cell stack 3 combined fuel cells 2 includes.

Jede der Brennstoffzellen 2 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.Each of the fuel cells 2 includes an anode, a cathode and the anode of the Cathode-separating, proton-conductive membrane. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that act as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 2 serve.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 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.The anode can take fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment 13th are fed. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

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).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Because in the fuel cell stack 3 several fuel cells 2 are summarized, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that through a compressor 18th a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its setting with regard to that in the fuel cell stack 3 desired temperature and humidity, takes place in one of the compressor 18th downstream intercooler 5 and a downstream humidifier 4th , the moisture saturation of the membranes of the fuel cells 2 to increase their efficiency, as this favors the transport of protons.

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. Wird das Brennstoffzellen-Fahrzeug aber mit einer geringen Batterieladung abgestellt, so kann es bei einem Neustart möglicherweise zu einer verringerten Leistung kommen, wodurch die verfügbare Leistung nicht mehr dem Fahrerwunsch entspricht. Um die damit verbundenen Nachteile, insbesondere für den Nutzer oder der Nutzerwahrnehmung zu vermeiden, kann ein Verfahren genutzt werden, das die nachfolgenden Schritte umfasst:

  • - Prädiktives Bestimmen des bei einem nachfolgenden Neustart zu erwartenden Leistungsbedarfs,
  • - Bestimmung der Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle 2 bei dem Neustart und des Leistungsbedarfs,
  • - Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs derart, dass eine Batterie auf ein Mindestmaß geladen wird und so die Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle 2 und des Leistungsbedarfs erbracht werden kann,
  • - Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle 2,
  • - Abschließen des Abstellvorgangs.
The fuel cell device shown 1 supplies at least one drive motor of the fuel cell vehicle with electrical power. In addition, a battery, not shown in detail, is also present for the electrical supply of the traction motor, so that a hybrid system of fuel cell and battery is present, in which the available power is obtained through the interaction of the fuel cell device 1 and the battery is determined and with high power requirements, which are not solely due to the fuel cell device 1 can be covered, in addition, the battery can be used. However, if the fuel cell vehicle is parked with a low battery charge, a restart may result in reduced performance, as a result of which the available performance no longer corresponds to the driver's request. In order to avoid the associated disadvantages, in particular for the user or user perception, a method can be used that comprises the following steps:
  • - Predictive determination of the power requirement to be expected for a subsequent restart,
  • - Determination of the difference between the achievable performance of the fuel cell 2 at the restart and the power requirement,
  • - Alignment of the fuel cell operation in such a way that a battery is charged to a minimum and thus the difference between the achievable performance of the fuel cell 2 and the performance requirement can be provided,
  • - Conditioning of the at least one fuel cell 2 ,
  • - Completing the parking process.

Zweckmäßig werden dabei die Daten eines Navigationssystems für die Bestimmung des Erreichens eines Fahrtzieles und der davon abhängigen Initiierung der Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs genutzt. Auch werden Umgebungsparameter und die Daten eines Wetterdienstes in die prädiktive Bestimmung des Leistungsbedarfs einbezogen.The data of a navigation system are expediently used to determine when a destination has been reached and to initiate the alignment of fuel cell operation as a function of this. Ambient parameters and the data from a weather service are also included in the predictive determination of the power requirement.

Die 2 zeigt eine zeitliche Darstellung des Leistungsverlauf des Brennstoffzellenstapels 3. Dabei zeigt die strichlierte Linie den Leistungsverlauf bei einer trocken abgestellten Brennstoffzellenvorrichtung 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass der Feuchtegehalt eines Brennstoffzellenstapels 3 in Abhängigkeit der prädiktiven Betriebsbedingungen bei einem Neustart variabel eingestellt wird. So führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, dass bei Froststartbedingungen der Brennstoffzellenstapel 3 trocken konditioniert und abgestellt wird. Zu erkennen ist, dass dadurch die maximale Leistung schneller abgegeben werden kann. Es ist daher auch sinnvoll, dass der Leistungsbedarf innerhalb eines begrenzten Zeitraums unmittelbar nach erfolgtem Startvorgang prädiktiv bestimmt wird.the 2 shows a representation of the power curve of the fuel cell stack over time 3 . The dashed line shows the power curve for a fuel cell device that is parked dry 1 . The method according to the invention enables the moisture content of a fuel cell stack 3 is variably set depending on the predictive operating conditions during a restart. Thus, the method according to the invention leads to the fuel cell stack in the case of frost start conditions 3 is conditioned dry and set aside. It can be seen that this means that the maximum power can be delivered more quickly. It therefore also makes sense that the power requirement is determined predictively within a limited period of time immediately after the start process has taken place.

Die 3 zeigt die Abhängigkeit der Batterieleistung von der Temperatur. Die strichlierte Linie zeigt, dass bei hohen Temperaturen und einem hohen Ladezustand eine höhere Batterieleistung abgegeben werden kann. Folglich muss bei einem Froststart der Ladezustand der Batterie erhöht werden, damit eine ausreichend große Leistung zur Verfügung steht. Der Mindestladezustand der Batterie wird modellbasiert bestimmt und wird über ein Mindestmaß hinaus geladen, woraufhin auch eine Höchstgeschwindigkeit für den Neustart berechnet und freigegeben werden kann.the 3 shows the dependency of the battery performance on the temperature. The dashed line shows that a higher battery power can be delivered at high temperatures and a high state of charge. As a result, the charge level of the battery must be increased in the event of a frost start so that a sufficiently high power is available. The minimum charge level of the battery is determined based on the model and is charged beyond a minimum, whereupon a maximum speed for the restart can be calculated and enabled.

Die 4 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. So beeinflussen Wetterdaten 21, die Navigationsdaten 20 und Historiedaten 22 die Bestimmung des prädiktiven Leistungsbedarfs für den Neustart 23. Daraufhin wird der Mindestladezustand der Batterie unter Berücksichtigung des Zustands der Brennstoffzelle 2 modellbasiert bestimmt, woraufhin der Brennstoffzellenbetrieb und der Batteriebetrieb derart angepasst wird, dass der Mindestladezustand der Batterie eingestellt wird. Bevor die Brennstoffzellenvorrichtung 1 abgestellt wird, besteht die Möglichkeit den Brennstoffzellenstapel 3 den Bedingungen entsprechend zu konditionieren, insbesondere den Trocknungsgrad bedarfsgerecht anzupassen.the 4th shows a schematic sequence of the method according to the invention. So influence weather data 21 , the navigation data 20th and history data 22nd the determination of the predictive power requirement for the restart 23 . The minimum charge level of the battery is then determined, taking into account the state of the fuel cell 2 determined based on the model, whereupon the fuel cell operation and the battery operation are adapted in such a way that the minimum state of charge of the battery is set. Before the fuel cell device 1 is turned off, there is the possibility of the fuel cell stack 3 to be conditioned according to the conditions, in particular to adapt the degree of drying as required.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzelleFuel cell
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th
BefeuchterHumidifier
55
LadeluftkühlerIntercooler
66th
BypassleitungBypass line
77th
Befeuchter-BypassventilHumidifier bypass valve
88th
FrischluftdosierventilFresh air metering valve
99
FrischluftleitungFresh air duct
1010
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1111th
KathodenabgasventilCathode exhaust valve
1212th
BrennstoffleitungFuel line
1313th
BrennstofftankFuel tank
1414th
RezirkulationsleitungRecirculation line
1515th
RezirkulationsgebläseRecirculation fan
1616
WärmetauscherHeat exchanger
1818th
Verdichtercompressor
1919th
BrennstoffdosierventilFuel metering valve
2020th
NavigationsdatenNavigation data
2121
WetterdatenWeather data
2222nd
HistoriedatenHistory data
2323
Bestimmung des prädikativen Leistungsbedarfs für den NeustartDetermination of the predictive power requirement for the restart
2424
Einstellung des Mindestladezustands der BatterieSetting the minimum charge level of the battery
2525th
BrennstoffzellenzustandFuel cell condition
2626th
BatteriezustandBattery condition
2727
Anpassung Brennstoffzellenbetrieb und BatteriebetriebAdaptation of fuel cell operation and battery operation
2828
Konditionierung des BrennstoffzellenstapelsConditioning of the fuel cell stack

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10200120 A1 [0007]DE 10200120 A1 [0007]
  • DE 102018201253 A1 [0007]DE 102018201253 A1 [0007]
  • US 2011/0246013 A1 [0007]US 2011/0246013 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), umfassend die Schritte: - Prädiktives Bestimmen des bei einem nachfolgenden Neustart zu erwartenden Leistungsbedarfs, - Bestimmung der Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle (2) bei dem Neustart und des Leistungsbedarfs, - Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs derart, dass eine Batterie auf ein Mindestmaß geladen wird und so die Differenz zwischen der erbringbaren Leistung der Brennstoffzelle (2) und des Leistungsbedarfs erbracht werden kann, - Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle (2), - Abschließen des Abstellvorgangs.A method for parking a fuel cell vehicle with at least one fuel cell (2), comprising the steps: - Predictive determination of the power requirement to be expected for a subsequent restart, - Determination of the difference between the achievable power of the fuel cell (2) at the restart and the power requirement, - Alignment of the fuel cell operation in such a way that a battery is charged to a minimum and thus the difference between the achievable power of the fuel cell (2) and the power requirement can be provided, - Conditioning of the at least one fuel cell (2), - Completing the parking process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eines Navigationssystems genutzt werden für die Bestimmung des Erreichens eines Fahrtzieles und der davon abhängigen Initiierung der Angleichung des Brennstoffzellenbetriebs.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the data of a navigation system are used to determine the achievement of a destination and the dependent initiation of the alignment of the fuel cell operation. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsparameter in die Bestimmung des Leistungsbedarfs einbezogen werden.Procedure according to Claim 2 , characterized in that environmental parameters are included in the determination of the power requirement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eines Wetterdienstes bei der prädiktiven Bestimmung des Leistungsbedarfs einbezogen werden.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the data from a weather service are included in the predictive determination of the power requirement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbedarf innerhalb eines begrenzten Zeitraums unmittelbar nach erfolgtem Startvorgang prädiktiv bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the power requirement is determined predictively within a limited period of time immediately after the start process has taken place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestladezustand der Batterie modellbasiert bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the minimum state of charge of the battery is determined based on the model. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie über ein Mindestmaß hinaus geladen wird.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the battery is charged beyond a minimum. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtegehalt eines Brennstoffzellenstapels (3) in Abhängigkeit der prädiktiven Betriebsbedingungen bei einem Neustart variabel eingestellt wird.Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the moisture content of a fuel cell stack (3) is set variably as a function of the predictive operating conditions during a restart. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höchstgeschwindigkeit und/oder eine Maximalleistung für den Neustart berechnet und freigegeben wird.Method according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that a maximum speed and / or a maximum power is calculated and released for the restart. Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Fuel cell vehicle with a control device which is set up to carry out a method according to one of the Claims 1 until 9 .
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