DE102020126577A1

DE102020126577A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102020126577A1
Application number: DE102020126577.8A
Authority: DE
Inventors: Juergen Binder; Markus Koban
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (101, 300) zur Steuerung einer Brennstoffzelle (111) eines Fahrzeugs (100). Das Fahrzeug (100) umfasst zumindest eine elektrische Maschine (105) zum Antrieb des Fahrzeugs (100) sowie einen elektrischen Energiespeicher (112) zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Vorrichtung (101, 300) ist eingerichtet, eine elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) zu ermitteln, die die elektrische Maschine (105) benötigt, um einen Fahrwiderstand des Fahrzeugs (100) zu kompensieren. Die Vorrichtung (101, 300) ist ferner eingerichtet, auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304) eine Brennstoffzellen-Sollleistung (216) der Brennstoffzelle (111) zu ermitteln, und die Brennstoffzelle (111) zu veranlassen, die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) bereitzustellen.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb der Brennstoffzelle eines Fahrzeugs.
Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Des Weiteren weist das Fahrzeug typischerweise einen elektrischen Energiespeicher, z.B. eine Lithium-Ionenbasierte Batterie, auf, die eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb der Antriebsmaschine zu speichern. Dabei weist der elektrische Energiespeicher typischerweise eine begrenzte Speicherkapazität und/oder eine begrenzte Lade- bzw. Entladeleistung auf.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine möglichst energieeffiziente Betriebsstrategie für den Betrieb einer Brennstoffzelle bereitzustellen, die in ressourceneffizienter Weise in einem Fahrzeug implementierbar ist.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Steuerung bzw. zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines (Kraft-) Fahrzeugs beschrieben. Das Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Des Weiteren umfasst das Fahrzeug einen elektrischen Energiespeicher (insbesondere einen Hochvolt-Speicher, etwa mit einer Nennspannung von 300V oder mehr) zur Speicherung von elektrischer Energie. Der elektrische Energiespeicher kann eingerichtet sein, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine bereitzustellen. Des Weiteren kann der elektrische Energiespeicher eingerichtet sein, von der elektrischen Maschine rekuperierte elektrische Energie zu speichern. Die Brennstoffzelle kann eingerichtet sein, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere H₂, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine zu generieren.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, die elektrische Fahrwiderstandsleistung zu ermitteln, die die elektrische Maschine benötigt, um den Fahrwiderstand des Fahrzeugs (genau) zu kompensieren. Die elektrische Fahrwiderstandsleistung kann dabei auf Basis der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder auf Basis der Fahrzeugmasse des Fahrzeugs ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Fahrwiderstandsleistung auf Basis von Sensordaten eines Inertialsensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, des Fahrzeugs ermittelt werden. Dabei kann ggf. ein (im Vorfeld ermitteltes) Fahrwiderstandsmodell des Fahrzeugs verwendet werden, um die elektrische Fahrwiderstandsleistung zu ermitteln.
Die elektrische Fahrwiderstandsleistung kann die elektrische Leistung sein, die von der elektrischen Maschine benötigt wird, um die kinetische Energie des Fahrzeugs (z.B. auf einer ebenen Fahrbahn oder auf der von dem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn) konstant zu halten. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die elektrische Fahrwiderstandsleistung derart zu ermitteln, dass das Fahrzeug, z.B. auf einer ebenen Fahrbahn oder auf der aktuell befahrenen Fahrbahn, mit konstanter Fahrgeschwindigkeit fährt.
Die elektrische Fahrwiderstandsleistung kann eine stationäre elektrische Fahrwiderstandsleistung umfassen, die die elektrische Maschine benötigt, um den Luft- und Rollwiderstand des Fahrzeugs (genau) zu kompensieren (und um somit die kinetische Energie des Fahrzeugs auf einer ebenen Fahrbahn konstant zu halten). Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Fahrwiderstandsleistung eine elektrische Steigungswiderstandsleistung umfassen, die die elektrische Maschine benötigt, um den Steigungswiderstand des Fahrzeugs bei einer Bergauffahrt (genau) zu kompensieren (und um somit die Potentialenergie des Fahrzeugs zu erhöhen, ohne dabei die kinetische Energie des Fahrzeugs zu erhöhen).
Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung eine Brennstoffzellen-Sollleistung der Brennstoffzelle bzw. eine Brennstoffzellen-Sollleistung als Vorgabe für die Brennstoffzelle zu ermitteln. Es kann somit eine Brennstoffzellen-Sollleistung ermittelt werden, durch die (zumindest bzw. genau) die elektrische Fahrwiderstandsleistung abgedeckt wird. Die Brennstoffzelle kann dann veranlasst werden, (genau) die Brennstoffzellen-Sollleistung bereitzustellen. Insbesondere kann eine Regelung der bereitgestellten Istleistung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Sollleistung erfolgen.
Es wird somit ein Betrieb der Brennstoffzelle beschrieben, bei dem (im Wesentlichen nur und/oder genau) die elektrische Fahrwiderstandsleistung des Fahrzeugs durch die Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Die elektrische Fahrwiderstandsleistung kann dabei in effizienter und präziser Weise auf Basis eines Fahrwiderstandsmodells ermittelt werden. So kann in ressourceneffizienter Weise ein relativ gleichmäßiger und energieeffizienter Betrieb der Brennstoffzelle bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine elektrische Nebenverbraucherleistung zu ermitteln, die für den Betrieb von ein oder mehreren (insbesondere von allen) elektrischen Nebenverbrauchern (neben den ein oder mehreren elektrischen Maschinen) des Fahrzeugs benötigt wird. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann dann auch auf Basis der elektrischen Nebenverbraucherleistung ermittelt werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellen-Sollleistung derart ermittelt werden, dass sie (im Wesentlichen, genau und/oder nur) die elektrische Fahrwiderstandsleistung und die elektrische Nebenverbraucherleistung abdeckt. So kann ein besonders gleichmäßiger und energieeffizienter Betrieb der Brennstoffzelle bewirkt werden.
Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann insbesondere derart ermittelt werden, dass die Brennstoffzellen-Sollleistung im Wesentlichen keine elektrischen Leistungsanteile aufweist (abgesehen von dem Ausgleich von Energieverlusten bei der Rekuperation von kinetischer Energie und/oder bei der Rekuperation der Potentialenergie des Fahrzeugs), die darauf ausgelegt sind, die kinetische Energie und/oder (ggf.) die Potentialenergie des Fahrzeugs zu verändern (insbesondere zu erhöhen). Diese elektrischen Leistungsanteile werden somit (im Wesentlichen) nicht von der Brennstoffzelle erzeugt. Andererseits können diese elektrischen Leistungsanteile in besonders effizienter Weise (im Wesentlichen vollständig) aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen (und bei der Rekuperation zurückgespeist) werden. So kann in ressourceneffizienter Weise ein besonders energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs bewirkt werden.
Der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs kann zu diesem Zweck eine Speicherkapazität aufweisen, die an den maximal möglichen Wert der kinetischen Energie des Fahrzeugs angepasst ist. Die Speicherkapazität des Energiespeichers kann z.B. zwischen 1 und 2 Mal dem maximal möglichen Wert der kinetischen Energie des Fahrzeugs liegen. Dabei hängt der maximal mögliche Wert der kinetischen Energie von der (ggf. maximal möglichen) Fahrzeugmasse und von der maximal möglichen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ab. Der elektrische Energiespeicher kann dann in effizienter Weise dazu verwendet werden, (genau und/oder nur) die kinetische Energie des Fahrzeugs aufzubauen, und die bei der Rekuperation der kinetischen Energie gewonnene elektrische Energie wieder aufzunehmen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine elektrische Sollleistung der elektrischen Maschine zu ermitteln. Die elektrische Sollleistung kann auf Basis einer Leistungsanforderung des Fahrers des Fahrzeugs (z.B. auf Basis des Fahrpedalwinkels des Fahrpedals des Fahrzeugs) ermittelt werden.
Die Brennstoffzelle kann derart betrieben werden, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, der elektrischen Sollleistung, der über die Brennstoffzellen-Sollleistung hinausgeht, aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen wird. Insbesondere kann der für die Erhöhung der kinetischen Energie (und ggf. der Potentialenergie) des Fahrzeugs benötigte Teil der elektrischen Solleistung (ggf. allein) aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen werden. So kann ein besonders energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die maximal mögliche Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann dann derart ermittelt werden, dass die Differenz aus der elektrischen Sollleistung der elektrischen Maschine (plus der elektrischen Nebenverbraucherleistung von ein oder mehreren Nebenverbrauchern des Fahrzeugs) und der Brennstoffzellen-Sollleistung die maximal mögliche Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers nicht übersteigt. Die Summe der elektrischen Solleistung der elektrischen Maschine und der Nebenverbraucherleistung wird in diesem Dokument auch als elektrische Verbraucherleistung bezeichnet. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann somit derart ermittelt werden, dass der von dem elektrischen Energiespeicher zu erbringende Anteil der elektrischen Verbraucherleistung nicht die maximal mögliche Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers übersteigt. So kann eine besonders zuverlässige elektrische Energieversorgung des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Brennstoffzelle derart zu betreiben und/oder die Brennstoffzellen-Solleistung derart zu ermitteln, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, der elektrischen Beschleunigungsleistung, die von der elektrischen Maschine benötigt wird, um die kinetische Energie des Fahrzeugs zu erhöhen, aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen wird. Dabei kann die aus dem elektrischen Energiespeicher entnommene elektrische Leistung ggf. genau der elektrischen Beschleunigungsleistung entsprechen.
Alternativ oder ergänzend kann die Brennstoffzelle derart betrieben und/oder die Brennstoffzellen-Solleistung derart ermittelt werden, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, der elektrischen Potentialleistung, die von der elektrischen Maschine benötigt wird, um die Potentialenergie des Fahrzeugs zu erhöhen, aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen wird. Dabei kann die aus dem elektrischen Energiespeicher entnommene elektrische Leistung ggf. genau der elektrischen Beschleunigungsleistung plus der elektrischen Potentialleistung entsprechen. So kann ein besonders energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, auf Basis der Fahrzeugmasse des Fahrzeugs und/oder auf Basis der Steigung der von dem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn einen Soll-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Der Soll-Ladezustand kann insbesondere derart ermittelt werden, dass der Soll-Ladezustand mit steigender kinetischer Energie und/oder mit steigender Potentialenergie des Fahrzeugs reduziert wird (und somit frei Speicherkapazität für die elektrische Rekuperation der kinetischen Energie und/oder der Potentialenergie geschaffen wird). Der Soll-Ladezustand kann proportional mit dem Anstieg der kinetischen Energie und/oder der Potentialenergie des Fahrzeugs reduziert werden.
Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann dann auch auf Basis des Soll-Ladezustands des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden, insbesondere um zu bewirken, dass der elektrische Energiespeicher den Soll-Ladezustand aufweist. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann somit im Rahmen der Ladzustandsregelung des elektrischen Energiespeichers genutzt werden. So kann eine besonders zuverlässige und effiziente elektrische Energieversorgung des Fahrzeugs bewirkt werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die stationäre elektrische Fahrwiderstandsleistung zu ermitteln, die die elektrische Maschine benötigt, um den Luft- und Rollwiderstand des Fahrzeugs zu kompensieren. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die elektrische Steigungswiderstandsleistung zu ermitteln, die die elektrische Maschine benötigt, um den Steigungswiderstand des Fahrzeugs bei einer Bergauffahrt zu kompensieren.
Die Brennstoffzellen-Sollleistung der Brennstoffzelle kann dann in besonders präziser Weise auf Basis der stationären elektrischen Fahrwiderstandsleistung und/oder auf Basis der elektrischen Steigungswiderstandsleistung ermittelt werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellen-Solleistung (genau) der Summe aus der stationären elektrischen Fahrwiderstandsleistung, der elektrischen Steigungswiderstandsleistung und der Nebenverbraucherleistung entsprechen (abgesehen von einem Offset für den Ausgleich von Lade- und Entladeverlusten des elektrischen Energiespeichers bei der Bereitstellung und/oder bei der Rekuperation von elektrischer Leistung für den Aufbau und/oder den Abbau der kinetischen Energie des Fahrzeugs).
Wie bereits oben dargelegt, kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Soll-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Auf Basis des Soll-Ladezustands kann eine elektrische Regel-Leistung zur Einstellung des Soll-Ladezustands des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden. Die Regel-Leistung kann insbesondere die elektrische Leistung sein, die dem elektrischen Energiespeicher zugeführt oder entnommen werden muss, um den Ist-Ladezustand des Energiespeichers auf den Soll-Ladezustand zu regeln (z.B. mittels einer P, I und/oder D-Reglers).
Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann dann auch auf Basis der elektrischen Regel-Leistung, insbesondere auf Basis der Summe der elektrischen Fahrwiderstandsleistung, der elektrischen Nebenverbraucherleistung und der elektrischen Regel-Leistung, ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung der Regel-Leistung zur Einstellung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers kann in besonders präziser und dauerhafter Weise ein energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die elektrische Sollleistung der elektrischen Maschine zu ermitteln. Auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung, der elektrischen Nebenverbraucherleistung und/oder der elektrischen Regel-Leistung kann eine elektrische Summenleistung ermittelt werden, insbesondere als die Summe der elektrischen Fahrwiderstandsleistung, der elektrischen Nebenverbraucherleistung und der elektrischen Regel-Leistung. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann dann für einen besonders energieeffizienten Betrieb des Fahrzeugs auf Basis der Differenz aus der elektrischen Sollleistung der elektrischen Maschine und der elektrischen Summenleistung ermittelt werden. Die Brennstoffzellen-Sollleistung kann insbesondere auf Basis der Differenz aus der elektrischen Verbraucherleistung und der elektrischen Summenleistung ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die elektrische Verbraucherleistung auf Basis der elektrischen Sollleistung der elektrischen Maschine und der Nebenverbraucherleistung, insbesondere als Summe der elektrischen Sollleistung der elektrischen Maschine und der elektrischen Nebenverbraucherleistung zu ermitteln.
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, die elektrische Summenleistung von der elektrischen Verbraucherleistung abzuziehen, um eine geschätzte elektrische Leistung des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Die geschätzte elektrische Leistung des elektrischen Energiespeichers kann dann in Abhängigkeit von ein oder mehreren Eigenschaften des elektrischen Energiespeichers, insbesondere in Abhängigkeit von der maximalen Entladeleistung, der maximalen Ladeleistung, dem (aktuellen) Ladezustand, und/oder der Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers, begrenzt werden, um eine begrenzte elektrische Leistung des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Brennstoffzellen-Sollleistung auf Basis der Differenz (insbesondere als die Differenz) aus der elektrischen Verbraucherleistung und der begrenzten elektrischen Leistung des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. So kann in besonders zuverlässiger Weise ein energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die in diesem Dokument bewirkten Schritte wiederholt, an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, auszuführen (z.B. periodisch, etwa mit einer Frequenz von 1Hz oder mehr). Insbesondere kann jeweils eine aktuelle elektrische Fahrwiderstandsleistung ermittelt werden. Des Weiteren kann auf Basis der jeweils aktuellen elektrischen Fahrwiderstandsleistung eine aktuelle Brennstoffzellen-Sollleistung ermittelt werden. Ferner kann die Brennstoffzelle veranlasst werden, die jeweils aktuelle Brennstoffzellen-Sollleistung bereitzustellen. So kann ein dauerhaft energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs bewirkt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung bzw. zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs beschrieben. Das Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Des Weiteren umfasst das Fahrzeug einen elektrischen Energiespeicher (insbesondere einen elektrochemischen Energiespeicher, etwa eine Lithium-Ionen Batterie) zur Speicherung von elektrischer Energie.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln der elektrischen Fahrwiderstandsleistung, die die elektrische Maschine benötigt, um den (stationären) Fahrwiderstand, insbesondere den Luft- und Rollwiderstand, des Fahrzeugs zu kompensieren. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung, der Brennstoffzellen-Sollleistung der Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst ferner das Veranlassen der Brennstoffzelle, die Brennstoffzellen-Sollleistung bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle;
2 beispielhafte Signale in Zusammenhang mit dem Antrieb eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs;
3 eine beispielhafte Vorrichtung zur Ermittlung der Sollleitung der Brennstoffzelle; und
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit dem energieeffizienten Betrieb einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einer Brennstoffzelle 111, die eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs (insbesondere auf Basis von Wasserstroff, H₂) elektrische Energie für den Betrieb zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine 105 des Fahrzeugs 100 zu erzeugen. Insbesondere kann die Brennstoffzelle 111 ein elektrochemischer Energiewandler sein, der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z.B. Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle 111 kann eingerichtet sein, die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 111 bereitgestellt wird, zu variieren. Der Brennstoff kann in einem Brennstoffspeicher, insbesondere in einem Druckbehälter, des Fahrzeugs 100 (nicht dargestellt) gespeichert sein.
Des Weiteren weist das Fahrzeug 100 einen elektrischen Energiespeicher 112 auf, der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine 105 zu speichern. Der elektrische Energiespeicher 112 ist eingerichtet, elektrische Energie, die von der elektrischen Maschine 105 rekuperiert wird und/oder die von der Brennstoffzelle 111 erzeugt wird, zu speichern. Der elektrische Energiespeicher 112 weist dabei typischerweise eine bestimmte maximale elektrische Speicherkapazität und/oder eine bestimmte maximale elektrische Entladeleistung bzw. Ladeleistung auf.
Das Fahrzeug 100 umfasst ferner eine (Steuer-) Vorrichtung 101, die eingerichtet ist, die Brennstoffzelle 111 zu steuern, um während des Betriebs des Fahrzeugs 100 die von der Brennstoffzelle 111 erzeugte elektrische Leistung anzupassen. Die Anpassung der von der Brennstoffzelle 111 erzeugten elektrischen Leistung erfolgt dabei bevorzugt, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb des Fahrzeugs 100 zu ermöglichen. Ferner soll eine Steuerung der Brennstoffzelle 111 bereitgestellt werden, die in ressourceneffizienter Weise auf einem Steuergerät des Fahrzeugs 100 implementiert werden kann.
Die Steuerung der Brennstoffzelle 111 kann abhängig von dem Wunsch des Fahrers in Bezug auf die Beschleunigung bzw. in Bezug auf die Verzögerung des Fahrzeugs 100 erfolgen. Aufgrund des typischerweise deutlich geringeren Energieinhalts des elektrischen Energiespeichers 112 gegenüber dem Brennstoffspeicher des Fahrzeugs 100 erfolgt die Abdeckung des für die Fahrzeugbewegung erforderlichen elektrischen Leistungsbedarfs zumindest langfristig über die Brennstoffzelle 111.
Die Brennstoffzelle 111 und der elektrische Energiespeicher 112 sind bezüglich ihrer Leistungsabgabe, je nach Ausführung, Auslegung und Betriebspunkt, mehr oder weniger stark begrenzt. Der Leistungsbetriebspunkt der Brennstoffzelle 111 kann in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf der ein oder mehreren elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs 100 gewählt werden, wobei der Hauptleistungsabnehmer typischerweise die ein oder mehreren elektrischen Antriebsmaschinen 105 des Fahrzeugs 100 sind.
Beispielsweise kann bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit eine Absenkung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 112 bewirkt werden, um den elektrischen Energiespeicher 112 auf eine anschließende Aufnahme von elektrischer Energie durch Rekuperation von Bewegungsenergie des Fahrzeugs 100 vorzubereiten. Der für Beschleunigungen oder kurzzeitige Steigungen benötigte, erhöhte Leistungsbedarf kann dabei direkt über die Brennstoffzelle 112 gestellt werden. Darüber hinaus kann der elektrische Energiespeicher 112 durch eine Leistungsabgabe bei einem relativ starken Beschleunigungsvorgang (insbesondere zum sogenannten Boosten) unterstützen, wenn die Brennstoffzelle 111 eine Leistungsgrenze erreicht hat.
Eine Brennstoffzelle 111 weist typischerweise einen schlechteren Wirkungsgrad auf als ein elektrischer Energiespeicher 112 (z.B. ein Lithium-Ionen Akku). Ferner fällt die Verschlechterung des Wirkungsgrades bei einer Zunahme der Leistungsabgabe bei einer Brennstoffzelle 111 typischerweise größer aus als bei einem elektrischen Energiespeicher 112. Der absolute Verlustleistungsverlauf einer Brennstoffzelle 111 (d.h. der Verlauf der Verlustleistung als Funktion der abgegebenen Leistung) ist typischerweise durchweg schlechter als der Verlustleistungsverlauf eines elektrischen Energiespeichers 112. Insbesondere können die bezüglich Verlustleistung besten Bereiche der Brennstoffzelle 111 größere Verluste aufweisen als die bezüglich Verlustleistung schlechtesten Bereiche des elektrischen Energiespeichers 112. Als Folge daraus ergibt sich ein relativ schlechterer Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems des Fahrzeugs 100, wenn ein relativ kurzzeitiger Leistungsbedarf von der Brennstoffzelle 111 abgedeckt wird.
In diesem Dokument wird eine Betriebsstrategie für eine Brennstoffzelle 111 beschrieben, die einen relativ hohen Wirkungsgrad des Antriebssystems des Fahrzeugs 100 ermöglicht und die eine relativ geringe Funktionskomplexität aufweist. Dabei werden Umgebungsbedingungen, wie sich ändernde Fahrwiderstände, des Fahrzeugs 100 berücksichtigt. Der Lastpunkt der Brennstoffzelle 111 wird bevorzugt unabhängig von dem (kurzfristigen) Leistungsbedarf der ein oder mehreren elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs 100 gesteuert, um einen Betrieb der Brennstoffzelle 111 mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Ausgehend von dem in allen Betriebspunkten besseren Wirkungsgrad und der geringeren Wirkungsgradverschlechterung bei einer Zunahme der Lade- bzw. Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers 112, wäre der elektrische Energiespeicher 112 als Leistungsquelle stets vorzuziehen. Aufgrund des relativ geringen Energieinhalts von z.B. 2 kWh (im Vergleich zu dem verfügbaren Energieinhalt des Wasserstoffs, 4-7kg Wasserstoff, wobei 1kg H₂ ca. 33 kWh chemischer Energie aufweist), kann eine solche Betriebsstrategie bei einem Fahrzeug 100 mit Brennstoffzelle 111 (mit Vorteilen wie eine relativ kurze Tankdauer, eine relativ hohe Reichweite, etc.) jedoch nicht umgesetzt werden.
Die kinetische Energie eines Fahrzeugs 100 bei maximaler Fahrgeschwindigkeit (d.h. E_kin= ½*m_Fzg* (v_Fzg)²) entspricht in etwa dem Energieinhalt des elektrischen Energiespeichers 112. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass vorteilhafterweise die Leistung für den kinetische Energieaufbau des Fahrzeugs 100 (ggf. ausschließlich oder zumindest zu mehr als 50% oder zu mehr als 80%) aus dem elektrischen Energiespeicher 112 gespeist wird. Im Verzögerungsfall kann diese Energie dann, unter Berücksichtigung der Verluste, zumindest teilweise wieder in den elektrischen Energiespeicher 112 zurückgewonnen werden (durch Rekuperation) und die Energiebilanz des Fahrzeugs 100 ist damit ausgeglichen.
Wenn der Energieinhalt des elektrischen Energiespeichers 112 größer als die maximal mögliche kinetische Energie des Fahrzeugs 100 ist, so kann ggf. auch der Aufbau an Potentialenergie des Fahrzeugs 100 bei einer Bergauffahrt aus dem elektrischen Energiespeicher 112 entnommen werden. In Analogie zum Geschwindigkeitsaufbau und -abbau wird die aufgebaute Potentialenergie des Fahrzeugs 100 bei Bergabfahrt wieder (teilweise) zurückgewonnen.
Auf Basis der oben beschriebenen Betrachtungen kann eine Betriebsstrategie für den Betrieb einer Brennstoffzelle 111 formuliert werden. Mit Hilfe eines Fahrwiderstandsmodells ggf. unter Zuhilfenahme eines Störgrößenbeobachters kann eine Schätzung des Fahrwiderstands des Fahrzeugs 100 erfolgen. Dabei können ggf. ein oder mehrere sensorbasierte Messungen (anhand von ein oder mehreren Fahrzeugsensoren 102) und/oder eine Algorithmus-basierte Schätzung der Fahrzeugmasse berücksichtigt werden. Ferner kann Inertialsensorik (z.B. ein Längsbeschleunigungssensor 102) verwendet werden, z.B. um eine Aufteilung des Gesamt-Fahrwiderstands in Luft- und/oder Rollwiderstand einerseits und in Steigungswiderstand andererseits zu ermitteln.
In Rahmen der Betriebsstrategie kann der stationäre Fahrwiderstand (insbesondere der Luft- und Rollwiderstand) ermittelt werden, und in eine elektrische Leistung umgerechnet werden (die in diesem Dokument auch als stationäre Fahrwiderstandsleistung bezeichnet wird). Des Weiteren kann die elektrische Leistung der ein oder mehreren Nebenverbraucher (die in diesem Dokument auch als Nebenverbraucherleistung bezeichnet wird) ermittelt und zu der elektrischen Leistung für den stationären Fahrwiderstand addiert werden. Der sich daraus ergebende Leistungsbetrag kann als Brennstoffzellen-Sollleistung für die Brennstoffzelle 111 verwendet werden.
Der Fahrer des Fahrzeugs 100 steuert über seinen Fahrerwunsch (insbesondere über das Fahrpedal des Fahrzeugs 100) das Soll-Drehmoment der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105. Liegt die daraus resultierende elektrische Leistung der elektrischen Maschine 105 unterhalb der zur Überwindung des Luft- und Rollwiderstands notwendigen Leistung, so verzögert das Fahrzeug 100 und der elektrische Energiespeicher 112 wird geladen. Andernfalls beschleunigt das Fahrzeug 100 und es erfolgt eine Entladung des elektrischen Energiespeichers 112.
Wenn die aus dem Fahrerwunsch resultierende elektrische Leistung der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 zu einer Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers 112 führt, die größer als ein festgelegter Entladeleistungs-Schwellenwert ist, so kann die darüber hinausgehende Leistung der Sollleistung der Brennstoffzelle 111 hinzugerechnet werden. Die Brennstoffzellenleistung kann dann über den stationären Fahrwiderstandsleistungsbedarf (und den Nebenverbraucherleistungsbedarf) hinaus erhöht werden.
Eine derartige Betriebsstrategie führt dazu, dass die für die Beschleunigung des Fahrzeugs 100 benötigte Energie (primär, z.B. zu 80% oder mehr oder zu 90% oder mehr) aus dem elektrischen Energiespeicher 112 entnommen wird. Bei der Verzögerung des Fahrzeugs 100 anfallende (rekuperierte) Energie wird dann dem elektrischen Energiespeicher 112 zugeführt.
Bei Bergfahrt kann eine verstärkte Entladung des elektrischen Energiespeichers 112 erfolgen. Dieser verstärkten Entladung kann entgegengewirkt werden, indem auch die Steigungswiderstandsleistung (zumindest teilweise oder vollständig) als elektrische Leistung der Brennstoffzelle 111 vorgesteuert wird (und somit als zusätzlicher Anteil der Sollleistung der Brennstoffzelle 111 berücksichtigt wird). Erfolgt die zusätzliche Berücksichtigung der Steigungswiderstandsleistung, z.B. bei Vorliegen eines relativ großen Nennenergieinhalts des elektrischen Energiespeichers 112, zeitlich verzögert, so kann in dem elektrischen Energiespeicher 112 ein Ladevorhalt für die Rekuperation bei der anschließenden Bergabfahrt geschaffen werden (durch Absenken des Soll-Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 112).
Bei Betrieb des Fahrzeuges 100 mit der in diesem Dokument beschriebenen Strategie entspricht der Energieabbau in dem elektrischen Energiespeicher 112 idealisiert (ohne Leistungsbegrenzungen und Leistungsverluste) dem Energieaufbau der Bewegungsenergie des Fahrzeuges 100 und umgekehrt. Aufgrund des realen Systemverhaltens (Leistungsbegrenzungen, Leistungsverluste, und/oder Modell- und Sensorungenauigkeiten) erfolgt bevorzugt ein Abgleich des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 112, um ein reproduzierbares Systemverhalten zu generieren. Zu diesem Zweck kann z.B. ein Proportionalregler verwendet werden, um den Ladezustand auf einen (veränderbaren) Sollwert einzustellen. Die Führungsgröße, insbesondere der Sollwert für den Ladezustand, kann dabei auf Basis der Nennkapazität des elektrischen Energiespeichers 111, auf Basis der kinetischen Energie des Fahrzeugs 100 (insbesondere vermindert um die kinetische Energie des Fahrzeuges 100) und ggf. korrigiert um einen festgelegten Offset ermittelt werden.
Erfolgt die Steigungswiderstandskompensation nicht, wie oben beschrieben, in der Vorsteuerung, so kann ein Ladeenergievorhalt des elektrischen Energiespeichers 112 bei Bergfahrt alternativ oder ergänzend über ein Totband im Regler für den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 112 realisiert werden.
2 zeigt beispielhafte Signale, die im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle 111 berücksichtigt werden können. Der Fahrer des Fahrzeugs 100 kann über das Bremspedal 201 des Fahrzeugs 100, insbesondere über die Pedalkraft und/oder über den Pedalweg 203, einen Verzögerungswunsch vorgeben, der im Rahmen der Bremsregelung 208 des Fahrzeugs 100 berücksichtigt werden kann. Die Bremsregelung 208 kann eine Anforderung 209 zur Bremsrekuperation durch die ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 des Fahrzeugs 100 stellen. Die Anforderung 209 zur Bremsrekuperation kann im Rahmen einer Momentenkoordination 212 zur Ermittlung des Sollmoments 213 für die ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 berücksichtigt werden. Des Weiteren kann ein Bremsdruck 201 an den ein oder mehreren Rad- und/oder Reibbremsen 211 des Fahrzeugs 100 bewirkt werden (wenn der Verzögerungswunsch über eine maximal mögliche Anforderung zur Bremsrekuperation hinausgeht).
Der Fahrer kann ferner über das Fahrpedal 202 des Fahrzeugs 100, insbesondere über den eingestellten Pedalwinkel 204, eine Vorgabe für das von der elektrischen Maschine 105 zu stellende Moment ermitteln. Das Sollmoment 213 für die ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 kann dann in Abhängigkeit von dem Pedalwinkel 204 und/oder in Abhängigkeit von der Anforderung 209 zur Bremsrekuperation ermittelt werden (ggf. in Abhängigkeit von ein oder mehreren Limits bzw. Grenzwerten 215 in Bezug auf die elektrische Leistung, die von dem elektrischen Energiespeicher 112 und/oder von der Brennstoffzelle 111 bereitgestellt werden kann).
Es kann eine Leistungskoordination 214 der elektrischen Leistung in dem Fahrzeug 100 erfolgen. Im Rahmen der Leistungskoordination 214 kann dabei die in diesem Dokument beschriebene Betriebsstrategie berücksichtigt werden. Es können die Fahrgeschwindigkeit 205 des Fahrzeugs 100, die Fahrbahnsteigung 206 und/oder die Fahrzeugmasse 207 berücksichtigt werden (die z.B. auf Basis der Sensordaten von ein oder mehreren Fahrzeugsensoren 102 ermittelt werden). Des Weiteren kann die elektrische Leistung 219 der ein oder mehreren Nebenverbraucher 218 (d.h. die Nebenverbraucherleistung 219) berücksichtigt werden. Basierend darauf, insbesondere basierend auf den (stationären) Fahrwiderständen und basierend auf der elektrischen Leistung 219 der ein oder mehreren Nebenverbraucher 218, kann die Sollleistung 216 der Brennstoffzelle 111 (d.h. die Brennstoffzellen-Sollleistung 216) ermittelt werden.
In der Leistungskoordination 214 kann ferner die von der Brennstoffzelle 111 tatsächlich bereitgestellte Istleistung 217 berücksichtigt werden. Ferner können der Ladezustand 220 und ggf. ein oder mehrere Grenzwerte (wie z.B. die maximale Entlade- und/oder Ladeleistung) des elektrischen Energiespeichers 112 berücksichtigt werden.
Die Ist (Lade- bzw. Entlade-) Leistung des elektrischen Energiespeichers 112 ergibt sich als Bilanz aus der (aufgenommenen oder abgegebenen) Istleistung 221 der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105, der (aufgenommenen) Leistung 219 der ein oder mehreren Nebenverbraucher 218 und der (abgegebenen) Istleistung 217 der Brennstoffzelle 111.
3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 101, 300 zur Steuerung der Brennstoffzelle 111. Die Vorrichtung 300 umfasst eine Einheit 301 zur Ermittlung der (mechanischen) Fahrwiderstandsleistung 302, die durch eine Umrechnungseinheit 303 in eine entsprechende elektrische Fahrwiderstandsleistung 304 umgerechnet werden kann. Die mechanische Fahrwiderstandsleistung 302 kann auf Basis der Fahrgeschwindigkeit 205, der Fahrbahnsteigung 206 und/oder des Fahrzeuggewichts 207 ermittelt werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung 300 eingerichtet sein, auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung 304 und auf Basis der Nebenverbraucherleistung 219 der ein oder mehreren Nebenverbraucher 218 eine elektrische Leistung 307 zu ermitteln, die als Basis für die Festlegung der Sollleistung 216 für die Brennstoffzelle 111 dient.
Ferner kann mittels einer Einheit 308 der Soll-Ladezustand 309 des elektrischen Energiespeichers 112 ermittelt werden (z.B. in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit 205 des Fahrzeugs 100). Es kann basierend auf dem Soll-Ladezustand 309 eine Regelung 310 des Ladezustands 220 erfolgen, und basierend darauf (aus der Ladezustandsregelung 310) eine abzugebende bzw. aufzunehmende Sollleistung 311 des elektrischen Energiespeichers 112 ermittelt werden. Die Sollleistung 311 des elektrischen Energiespeichers 112 kann dann zu der elektrischen Leistung 307 addiert werden, um eine vorläufige Sollleistung 312 für die Brennstoffzelle 111 zu ermitteln. Die vorläufige Sollleistung 312 berücksichtigt dabei noch nicht etwaige Begrenzungen der elektrischen Leistung, die von dem Energiespeicher 112 zum Betrieb des Fahrzeugs 100 erbracht werden kann.
Auf Basis des Sollmoments 213 der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 kann durch eine Umrechnungseinheit 305 die elektrische Sollleistung 306 der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 ermittelt werden. Durch Summieren dieser Sollleistung 306 der ein oder mehreren elektrischen Maschinen 105 mit der Nebenverbraucherleistung 307 kann eine elektrische Verbraucherleistung 316 ermittelt werden. Die vorläufige Sollleistung 312 für die Brennstoffzelle 111 kann von der elektrischen Verbraucherleistung 316 abgezogen werden, um einen Schätzwert der (unlimitierten) Leistung 314 des Energiespeichers 112 zu ermitteln.
In der Einheit 313 kann überprüft werden, ob die geschätzte elektrische Leistung 314 tatsächlich durch den elektrischen Energiespeicher 112 erbracht werden kann oder nicht. Ggf. kann die elektrische Leistung des elektrischen Energiespeichers 112 aufgrund einer Begrenzung der Entladeleistung bzw. der Ladeleistung des elektrischen Energiespeicher 112 begrenzt sein. Es kann basierend darauf eine tatsächliche (stellbare) elektrische Leistung 315 des elektrischen Energiespeichers 112 ermittelt werden, die von der elektrischen Verbraucherleistung 316 abgezogen werden kann, um die elektrische Sollleistung 216 für die Brennstoffzelle 111 zu ermitteln.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 400 zur Steuerung einer Brennstoffzelle 111 eines (Kraft-) Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 umfasst zumindest eine elektrische Maschine 105 zum Antrieb des Fahrzeugs 100 sowie einen elektrischen Energiespeicher 112 (insbesondere einen elektrochemischen Energiespeicher) zur Speicherung von elektrischer Energie. Der elektrische Energiespeicher kann eine Nennspannung von 300V oder mehr aufweisen.
Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401 der elektrischen Fahrwiderstandsleistung 304, die die elektrische Maschine 105 benötigt, um den Fahrwiderstand des Fahrzeugs 100 zu kompensieren. Die elektrische Fahrwiderstandsleistung 304 kann dabei darauf abgestimmt sein, den stationären Fahrwiderstand und/oder den Steigungswiderstand des Fahrzeugs 100 zu kompensieren.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 402, auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung 304, einer Brennstoffzellen-Sollleistung 216 der Brennstoffzelle 111. Die Brennstoffzellen-Sollleistung 216 kann (genau) der elektrischen Fahrwiderstandsleistung 304 entsprechen (ggf. erhöht um die Nebenverbraucherleistung 219 für die ein oder mehreren Nebenverbraucher 218 des Fahrzeugs 100, und ggf. erhöht um einen Offset zur Einstellung des Soll-Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 112). Insbesondere kann die Brennstoffzellen-Sollleistung 216 der elektrischen Leistung des Fahrzeugs 100 entsprechen, die für den Betrieb des Fahrzeugs 100 (abgesehen von der Änderung, d.h. der Erhöhung oder der Reduzierung, der kinetischen Energie und/oder der Potentialenergie des Fahrzeugs 100; und/oder abgesehen von Energieverlusten bei der Bereitstellung und der Rekuperation von elektrischer Energie über den elektrischen Energiespeicher 112) benötigt wird.
Das Verfahren 400 umfasst ferner das Veranlassen 403 der Brennstoffzelle 111, die Brennstoffzellen-Sollleistung 216 bereitzustellen. Die Brennstoffzelle 111 kann somit dazu genutzt werden, die elektrische Grundleistung des Fahrzeugs 100 bereitzustellen (z.B. um das Fahrzeug 100 mit konstanter Fahrgeschwindigkeit, ggf. auf einer ebenen Fahrbahn, zu fahren). Andererseits kann die Änderung der kinetischen Energie (und ggf. der Potentialenergie) des Fahrzeugs 100 (ggf. allein) durch elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 112 bewirkt werden. So kann in ressourceneffizienter Weise ein energieeffizienter Betrieb des Fahrzeugs 100 bewirkt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
101: (Steuer-) Vorrichtung
102: Fahrzeugsensor
105: elektrische Maschine
111: Brennstoffzelle
112: elektrischer Energiespeicher
201: Bremspedal
202: Fahrpedal
203: Pedalkraft und/oder Pedalweg
204: Pedalwinkel
205: Fahrgeschwindigkeit
206: Fahrbahnanstieg bzw. Fahrbahngefälle
207: Fahrzeuggewicht
208: Bremsregelung
209: Anforderung zur Bremsrekuperation
210: Bremsdruck
211: Rad- und/oder Reibbremse
212: Momentenkoordination
213: Sollmoment der elektrischen Maschine
214: Leistungskoordination
215: Limit (des elektrischen Energiespeichers und/oder der Brennstoffzelle)
216: Sollleistung der Brennstoffzelle
217: Istleistung der Brennstoffzelle
218: Nebenverbraucher (ggf. im Hochvolt-Netz)
219: Leistung (Nebenverbraucher)
220: Ladezustand / Limit (elektrischer Energiespeicher)
221: Istleistung der elektrischen Maschine
222: Istleistung des elektrischen Energiespeichers
300: Vorrichtung zur Steuerung der Brennstoffzelle
301: Einheit zur Ermittlung des Fahrwiderstands
302: (mechanischer) Fahrwiderstand
303: Umrechnungseinheit
304: (elektrischer) Fahrwiderstand / Fahrwiderstandsleistung
305: Umrechnungseinheit
306: (elektrische) Soll-Leistung der elektrischen Maschine
307: elektrische Summenleistung (inkl. Nebenverbraucherleistung)
308: Einheit zur Berechnung des Soll-Ladezustands des elektrischen Energiespeichers (ggf. abhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs)
309: Soll-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers
310: Regelung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers
311: Regel-Leistung (aus Ladezustands-Regler)
312: elektrische Summenleistung (inkl. der Regel-Leistung zur Regelung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers)
313: Einheit zur Berücksichtigung von Grenzen des elektrischen Energiespeichers
314: geschätzte elektrische Leistung des Energiespeichers
315: begrenzte elektrische Leistung des Energiespeichers
316: elektrische Verbraucherleistung
400: Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle
401-403: Verfahrensschritte

Claims

Vorrichtung (101, 300) zur Steuerung einer Brennstoffzelle (111) eines Fahrzeugs (100); wobei das Fahrzeug (100) zumindest eine elektrische Maschine (105) zum Antrieb des Fahrzeugs (100) umfasst; wobei das Fahrzeug (100) einen elektrischen Energiespeicher (112) zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst; und wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) zu ermitteln, die die elektrische Maschine (105) benötigt, um einen Fahrwiderstand des Fahrzeugs (100) zu kompensieren; - auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304) eine Brennstoffzellen-Sollleistung (216) der Brennstoffzelle (111) zu ermitteln, und - die Brennstoffzelle (111) zu veranlassen, die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) bereitzustellen.
Vorrichtung (101, 300) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine elektrische Nebenverbraucherleistung (219) zu ermitteln, die für einen Betrieb von ein oder mehreren elektrischen Nebenverbrauchern (218) des Fahrzeugs (100) benötigt wird; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) auch auf Basis der elektrischen Nebenverbraucherleistung (219), insbesondere auf Basis der Summe der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304) und der elektrischen Nebenverbraucherleistung (219), zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß Anspruch 2, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - einen Soll-Ladezustand (309) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln; - auf Basis des Soll-Ladezustands (309) eine elektrische Regel-Leistung (311) zur Einstellung des Soll-Ladezustands (309) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) auch auf Basis der elektrischen Regel-Leistung (311), insbesondere auf Basis der Summe der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304), der elektrischen Nebenverbraucherleistung (219) und der elektrischen Regel-Leistung (311), zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine elektrische Sollleistung (306) der elektrischen Maschine (105) zu ermitteln, - auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304), der elektrischen Nebenverbraucherleistung (219) und/oder der elektrischen Regel-Leistung (311), eine elektrische Summenleistung (312) zu ermitteln, insbesondere als die Summe der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304), der elektrischen Nebenverbraucherleistung (219) und der elektrischen Regel-Leistung (311); - eine elektrische Verbraucherleistung (316) auf Basis der elektrischen Sollleistung (306) der elektrischen Maschine (105) und der elektrischen Nebenverbraucherleistung zu ermitteln; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) auf Basis einer Differenz aus der elektrischen Verbraucherleistung (316) und der elektrischen Summenleistung (312) zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - die elektrische Summenleistung (312) von der elektrischen Verbraucherleistung (316) abzuziehen, um eine geschätzte elektrische Leistung (314) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln; - die geschätzte elektrische Leistung (314) des elektrischen Energiespeichers (112) in Abhängigkeit von ein oder mehreren Eigenschaften des elektrischen Energiespeichers (112), insbesondere in Abhängigkeit von einer maximalen Entladeleistung, einer maximalen Ladeleistung, einem Ladezustand, und/oder einer Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers (112), zu begrenzen, um eine begrenzte elektrische Leistung (315) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) auf Basis einer Differenz aus der elektrischen Verbraucherleistung (316) und der begrenzten elektrischen Leistung (315) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine elektrische Sollleistung (306) der elektrischen Maschine (105) zu ermitteln, insbesondere auf Basis einer Leistungsanforderung eines Fahrers des Fahrzeugs (100); und - die Brennstoffzelle (111) derart zu betreiben, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, der elektrischen Sollleistung (306), der über die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) hinausgeht, aus dem elektrischen Energiespeicher (112) entnommen wird.
Vorrichtung (101, 300) gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine maximal mögliche Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln; - eine elektrische Verbraucherleistung (316) auf Basis der elektrischen Sollleistung (306) der elektrischen Maschine (105) und einer elektrischen Nebenverbraucherleistung von ein oder mehreren elektrischen Nebenverbrauchern (218) des Fahrzeugs (100) zu ermitteln, und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) derart zu ermitteln, dass eine Differenz aus der elektrischen Verbraucherleistung (316) und der Brennstoffzellen-Sollleistung (216) die maximal mögliche Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers (112) nicht übersteigt.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - die Brennstoffzelle (111) derart zu betreiben, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, einer elektrischen Beschleunigungsleistung, die von der elektrischen Maschine (105) benötigt wird, um eine kinetische Energie des Fahrzeugs (100) zu erhöhen, aus dem elektrischen Energiespeicher (112) entnommen wird; und/oder - die Brennstoffzelle (111) derart zu betreiben, dass zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Teil, einer elektrischen Potentialleistung, die von der elektrischen Maschine (105) benötigt wird, um eine Potentialenergie des Fahrzeugs (100) zu erhöhen, aus dem elektrischen Energiespeicher (112) entnommen wird.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - auf Basis einer Fahrgeschwindigkeit (205) des Fahrzeugs (100), auf Basis einer Fahrzeugmasse (207) des Fahrzeugs (100) und/oder auf Basis einer Steigung (206) einer von einem Fahrzeug (100) befahrenen Fahrbahn einen Soll-Ladezustand (309) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln, insbesondere derart, dass der Soll-Ladezustand (309) mit steigender kinetischer Energie und/oder Potentialenergie des Fahrzeugs (100) reduziert wird; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) auf Basis des Soll-Ladezustands (309) des elektrischen Energiespeichers (112) zu ermitteln, insbesondere um zu bewirken, dass der elektrische Energiespeicher (112) den Soll-Ladezustand (309) aufweist.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - die elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) auf Basis einer Fahrgeschwindigkeit (205) des Fahrzeugs (100) und/oder auf Basis einer Fahrzeugmasse (207) des Fahrzeugs (100) zu ermitteln, und/oder - die elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) mittels eines Fahrwiderstandsmodells des Fahrzeugs (100) zu ermitteln; und/oder - die elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) auf Basis von Sensordaten eines Inertialsensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, des Fahrzeugs (100) zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine stationäre elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) zu ermitteln, die die elektrische Maschine (105) benötigt, um einen Luft- und Rollwiderstand des Fahrzeugs (100) zu kompensieren; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) der Brennstoffzelle (111) auf Basis der stationären elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304) zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, - eine elektrische Steigungswiderstandsleistung (304) zu ermitteln, die die elektrische Maschine (105) benötigt, um einen Steigungswiderstand des Fahrzeugs (100) bei einer Bergauffahrt zu kompensieren; und - die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) der Brennstoffzelle (111) auf Basis der elektrischen Steigungswiderstandsleistung (304) zu ermitteln.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, die elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) derart zu ermitteln, dass das Fahrzeug (100), insbesondere auf einer ebenen Fahrbahn, mit konstanter Fahrgeschwindigkeit (205) fährt.
Vorrichtung (101, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101, 300) eingerichtet ist, wiederholt, an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, - jeweils eine aktuelle elektrische Fahrwiderstandsleistung (304) zu ermitteln, - auf Basis der jeweils aktuellen elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304) eine aktuelle Brennstoffzellen-Sollleistung (216) zu ermitteln, und - die Brennstoffzelle (111) zu veranlassen, die jeweils aktuelle Brennstoffzellen-Sollleistung (216) bereitzustellen.
Verfahren (400) zur Steuerung einer Brennstoffzelle (111) eines Fahrzeugs (100); wobei das Fahrzeug (100) zumindest eine elektrische Maschine (105) zum Antrieb des Fahrzeugs (100) umfasst; wobei das Fahrzeug (100) einen elektrischen Energiespeicher (112) zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst; und das Verfahren (400) umfasst, - Ermitteln (401) einer elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304), die die elektrische Maschine (105) benötigt, um einen Fahrwiderstand des Fahrzeugs (100) zu kompensieren; - Ermitteln (402), auf Basis der elektrischen Fahrwiderstandsleistung (304), einer Brennstoffzellen-Sollleistung (216) der Brennstoffzelle (111); und - Veranlassen (403) der Brennstoffzelle (111), die Brennstoffzellen-Sollleistung (216) bereitzustellen.