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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von in einem Stapelverbund angeordneten Brennstoffzellenstapeln und mit einer Batterie, umfassend die Schritte:
- a) Feststellen der Änderung einer Leistungsanforderung, wobei die Änderung größer ist als ein vorgegebener oder vorgebbarer Grenzwert,
- b) Änderung des Aktivitätsstatus mindestens eines der Brennstoffzellenstapel in dem Stapelverbund,
- c) Beibehaltung des Leistungsabgabe der komplementären Brennstoffzellenstapel in dem Stapelverbund und Bereitstellung von anteiliger Leistung aus der Batterie zur Erfüllung der Leistungsanforderung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei für den Fall einer sinkenden Leistungsanforderung das Ausschalten als Änderung des Aktivitätsstatus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels nur, wenn dessen Mindestlaufzeit erreicht ist
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Kraftfahrzeuge für die E-Mobilität können auch Brennstoffzellenvorrichtungen nutzen, bei denen Brennstoffzellen für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt werden, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen die Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden. Da beim Einsatz der Brennstoffzellentechnik in Kraftfahrzeugen die durch eine einzelne Brennstoffzelle generierte Leistung nicht ausreicht, wird ein Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen bereitgestellt, der gemeinsam mit dem zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe die Brennstoffzellenvorrichtung bildet.
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In Kraftfahrzeugen können die Leistungsanforderungen aber über einen weiten Bereich variieren. Beispielsweise kann dazu auf den Lkw-Bereich verwiesen werden mit einem Leistungsbedarf, der deutlich über dem von Personenkraftwagen und insbesondere auch oberhalb von 300 kW liegen kann. Zur Erhöhung der verfügbaren Leistung besteht dabei die Möglichkeit, in einer Brennstoffzellenvorrichtung mehrere Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, deren Betrieb aufeinander abgestimmt werden muss.
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In Kraftfahrzeugen mit einer Brennstoffzellenvorrichtung werden auch Hochvoltbatterien verwendet, wobei entsprechend der Lehre der
DE 10 2017 214 972 A1 eine Abstimmung der Brennstoffzellenvorrichtung und der Batterie derart erfolgt, dass ihre Spannungs-Strom-Kennlinien beziehungsweise Strom-Spannungs-Kennlinien korrespondieren. Die Hochvoltbatterie erfüllt im Wesentlichen drei Funktionen, nämlich die Aufnahme von Rekuperationsleistung bei einem Bremsvorgang, die Bereitstellung der erforderlichen Energie für den Startvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung sowie die Erhöhung der Systemleistung des Kraftfahrzeuges, wenn die Hochvoltbatterie parallel zur Brennstoffzellenvorrichtung zur Versorgung des Traktionsmotores eingesetzt wird, wie dies beispielsweise in der
US 2012/0035796 A1 und der
DE 10 2018 209 380 A1 beschrieben ist. Aus der
CN 1 08 215 894 A ist ein Brennstoffzellenfahrzeug bekannt, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel parallelgeschaltet vorgesehen sind. Vorgesehen sind auch ein Energiespeichermodul, insbesondere eine Batterie, und ein Leistungscontroller, der für Entscheidungen für den Start und das Abschalten der Brennstoffzellenstapel auch in Abhängigkeit der angeforderten Leistung genutzt wird. Im Bremsmodus, also bei sinkender Leistung, wird nur unterschieden, ob die Batterie noch weiter geladen werden kann durch Rekuperieren oder ob ein mechanisches Bremsen erforderlich ist.
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In dem Kraftfahrzeug gibt der Fahrer oder die Fahrerin den Leistungswunsch bzw. -bedarf vor und die Leistungsanforderung variiert häufig. Wird ein Stapelverbund mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel genutzt und sinkt dabei die Leistungsanforderung unter einen vorgegebenen Grenzwert, wird ein Brennstoffzellenstapel aus dem Stapelverbund abgeschaltet, so dass dessen Leistung insgesamt wegfällt und deshalb durch die anderen Brennstoffzellenstapel im Stapelverbund kurzzeitig eine erhöhte Leistung bereit gestellt werden muss. Durch diese dynamischen Leistungserhöhung während des Ausschaltens des einen Brennstoffzellenstapels, oder allgemeiner durch dynamische Änderungen der Lastanforderungen zu niedrigeren und auch zu höheren Werten, treten zusätzliche Inhomogenitäten in den anderen Brennstoffzellenstapeln und Spannungsspitzen auf, was zu einer verstärkten Degradation, einer verminderten Effizienz und einer verminderten Haltbarkeit führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Effizienz und die Haltbarkeit bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Stapelverbund verbessert werden kann. Aufgabe ist es weiterhin, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Stapelverbund zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Batterie nicht nur zur Bereitstellung einer insgesamt erhöhten Leistung mit einbezogen wird, sondern eine Nutzung auch erfolgt, um die Brennstoffzellenstapel bei Betriebspunkten betreiben zu können, in denen eine hohe Effizienz und/oder ein geringer Verschleiß beziehungsweise Degradation gegeben ist. Auch wird dadurch die Leistungsverfügbarkeit verbessert, da die Batterie weniger träge reagiert. Der Aktivitätsstatus gibt dabei an, ob der betreffende Brennstoffzellenstapel aktiv, also eingeschaltet, oder inaktiv, also ausgeschaltet ist. Insbesondere werden bei den dynamischen Änderungen der Lastanforderungen bei dem Schalten der Brennstoffzellenstapel Spannungsspitzen vermieden, was verbrauchseffizienter ist, weil parasitäre Leistung eingespart wird, zum Beispiel durch ein Unterbleiben des Hochdrehen des Verdichters. Im Sinne der Vermeidung schädlicher Betriebszustände und -bedingungen erfolgt für den Fall einer sinkenden Leistungsanforderung das Ausschalten als Änderung des Aktivitätsstatus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels nur, wenn dessen Mindestlaufzeit erreicht ist.
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Auch wird nach dem Feststellen einer Änderung der Leistungsanforderung mit einer den Grenzwert übersteigenden Änderung eine Wartezeit abgewartet, bis der mindestens eine Brennstoffzellenstapel seinen Aktivitätsstatus angepasst. Dadurch wird ein zu häufiges Ändern des Aktivitätsstatus verhindert und ein „Glätten“ des Aktivitätsstatus erreicht.
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Vorteilhaft ist weiterhin, wenn zusätzlich zu der Größe der Änderung der Leistungsanforderung im Schritt a) gefordert wird, dass die Leistungsanforderung stärker als mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Gradienten sinkt, also nicht nur die absolute Höhe der Änderung der Leistungsanforderung berücksichtigt wird, sondern auch deren zeitlicher Verlauf, da so bei einem kleineren Gradienten länger Zeit verbleibt, um die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen, die für günstige Betriebspunkte nötig sind.
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Das Verfahren eignet sich nicht nur für sinkende Leistungsanforderungen, sondern kann auch für den Fall einer steigenden Leistungsanforderung insbesondere beim Einschalten genutzt werden, wobei zunächst nur ein Brennstoffzellenstapel in seinem Aktivitätsstatus geändert und eine Leistungsbereitstellung durch die Batterie zur Erfüllung der Leistungsanforderung erfolgt, bis sich aufgrund der Höhe der Leistungsanforderung ergibt, ob weitere Brennstoffzellenstapel dazugeschaltet werden oder die Leistung des aktiven Brennstoffzellenstapels angepasst wird.
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Da im Grundsatz die Leistungsbereitstellung durch die Brennstoffzellen erfolgen soll, ist die Leistungsabgabe durch die Batterie zeitlich begrenzt auf eine Zeitdauer. Es wird also vermieden, dass der Ladezustand der Batterie zu sehr beeinträchtigt wird.
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Vorgesehen ist weiterhin, dass nach dem Zuschalten weiterer Brennstoffzellenstapel diese die Leistungsanforderung zu gleichen Teilen erfüllen, wenn die Batterie keine weitere Leistungsabgabe bereitstellt. So wird eine gleichmäßige Nutzung und ein gleichmäßiger Verschleiß gefördert.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl in einem Stapelverbund angeordneter Brennstoffzellenstapel, mit einer Batterie und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren, und für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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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.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung zusammenwirkenden Baugruppen,
- 2 ein Schaltbild zu den elektrischen Verbindungen des Elektromotors mit der Hochvoltbatterie und dem Stapelverbund der Brennstoffzellenvorrichtung,
- 3 ein Flussdiagramm zum Ablauf bei einer einen Grenzwert übersteigenden Änderung der Leistungsanforderung,
- 4 eine schematische Darstellung der Leistungsbereitstellung bei einem Neustart des Kraftfahrzeuges, mit konstanter Leistungsanforderung, und
- 5 eine der 4 entsprechende Darstellung der Leistungsbereitstellung bei einem Neustart des Kraftfahrzeuges, mit nachfolgender Änderung, nämlich Erhöhung der Leistungsanforderung.
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In den 1 und 2 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer Mehrzahl von in einem Stapelverbund 3 angeordneten Brennstoffzellenstapeln 2, 7 gezeigt, und zwar in der Anwendung in einem Kraftfahrzeug 4, das über einem Elektromotor 5 verfügt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt auch über eine Batterie 6, insbesondere eine Hochvoltbatterie, die in dem in 2 gezeigten Schaltbild die Spannung für den Elektromotor 5 vorgibt; alternativ kann die Spannung auch über den Stapelverbund 3 vorgegeben werden, wenn im Schaltbild der 2 die Position der Batterie 6 und des Stapelverbundes 3 getauscht wird. Über einen DC/DC-Wandler 8 ist die Spannung der parallel geschalteten Brennstoffzellenstapel 2, 7 in dem Stapelverbund 3 an das Spannungsniveau der Batterie 6 angepasst. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt neben dem Stapelverbund 3 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel 2, 7 auch über Peripheriekomponenten 9, die für den Betrieb erforderlich, beispielsweise einen Verdichter, Kühlmittelpumpen.
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Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 soll eine gleichmäßige Nutzung der Brennstoffzellenstapel 2, 7 erfolgen, die somit in der Regel alle gleichzeitig in dem Aktivitätsstatus = aktiv sind. Dabei kann aber der Fall eintreten, dass die Leistungsanforderung sinkt und unter einen Wert fällt, der niedriger ist, als die Mindestleistungsabgabe aller Brennstoffzellenstapel 2, 7, so dass bisher im Stand der Technik einfach ein Brennstoffzellenstapel 2 abgeschaltet und in den Aktivitätsstatus = inaktiv überführt wurde. Dies verursacht aber in den aktiv verbleibenden Brennstoffzellenstapel 7 Leistungsspitzen, die zusätzliche Inhomogenitäten in den Brennstoffzellenstapel 7 verursachen, was zu einer reduzierten Effizienz und verringerten Haltbarkeit führt.
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Um dem vorzubeugen wird ein Verfahren ausgeführt, das die Schritte umfasst:
- a) Feststellen der Änderung einer Leistungsanforderung, wobei die Änderung größer ist als ein vorgegebener oder vorgebbarer Grenzwert,
- b) Änderung des Aktivitätsstatus mindestens eines der Brennstoffzellenstapel 2, 7 in dem Stapelverbund,
- c) Beibehaltung des Leistungsabgabe der komplementären Brennstoffzellenstapel 7 in dem Stapelverbund 3 und Bereitstellung von anteiliger Leistung aus der Batterie 6 zur Erfüllung der Leistungsanforderung.
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In der 3 ist dazu ein Flussdiagramm gezeigt für den Fall einer sinkenden Leistungsanforderung. Ausgehend von einem Zustand, in dem alle Brennstoffzellenstapel aktiv sind (Stufe 1), wird die Leistungsanforderung soweit reduziert, dass der Grenzwert erreicht oder überschritten wird (Stufe 2). In Stufe 3 wird nach dem Feststellen eines Sinkens der Leistungsanforderung mit einer den Grenzwert übersteigenden Änderung eine Wartezeit abgewartet, bis der der mindestens eine Brennstoffzellenstapel 2 ausgeschaltet wird. Der linke Zweig des Flussdiagramms zeigt den Fall, dass die Leistungsanforderung unter den Grenzwert sinkt, dabei aber so hoch bleibt, dass eine Leistungsbereitstellung durch weniger als alle Brennstoffzellenstapel 2, 7 erforderlich ist (Stufe 4). Gemäß Stufe 5 erfolgt nur dann das Ausschalten als Änderung des Aktivitätsstatus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 2 in einer Stufe 6, wenn dessen Mindestlaufzeit erreicht ist, um so einen verstärkten oder ungleichmäßigen Verschleiß zu vermeiden.
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Der rechte Zweig des Flussdiagramms zeigt den Fall, dass die Leistungsanforderung soweit gesenkt wird, dass alle Brennstoffzellenstapel 2, 7 ausgeschaltet werden. Durch das gleichzeitige Ausschalten werden Spannungsspitzen vermieden, die entstehen würden, wenn kaskadiert ausgeschaltet wird.
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Zu beachten ist, dass zusätzlich zu der Größe der Änderung der Leistungsanforderung im Schritt a) gefordert werden kann, dass die Leistungsanforderung stärker als mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Gradienten sinkt. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Ausführungsbeispiel für zwei Brennstoffzellenstapel 2, 7 gewählt ist. Bei mehr als zwei Brennstoffzellenstapeln 2, 7 kann auch die erforderliche Anzahl von Brennstoffzellenstapeln 2, 7 ausgewählt werden, die gleichzeitig ausgeschaltet wird, während die aktiv verbleibenden auf die gewünschte Lastanforderung eingestellt werden.
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In den 4 und 5 ist die Anwendung des Verfahrens für den Fall einer steigenden Leistungsanforderung gezeigt, wobei dies insbesondere für das Einschalten gilt, aber auch für einen Lastsprung von einer sehr kleinen Leistung hin zu einer großen Leistung, bei dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeschaltet werden. In dem Ausführungsbeispiel wird zunächst nur der eine Brennstoffzellenstapel 2 in seinem Aktivitätsstatus geändert und der andere Brennstoffzellenstapel 7 in seinem Aktivitätsstatus inaktiv verbleibt. Im Allgemeinen ist das Verfahren für Lastsprünge geeignet, bei denen die Möglichkeit besteht, dass mindestens ein Brennstoffzellenstapel 2, 7 seinen Aktivitätsstatus von inaktiv zu aktiv wechselt. Eine Leistungsbereitstellung erfolgt auch durch die Batterie 6 zur Erfüllung der Leistungsanforderung, die in dem Beispiel mit 25 kW angegeben ist.
Der Vorteil besteht darin, dass die früher auftretenden Spannungsspitzen beim Einschalten vermieden werden, da nicht nur ein Brennstoffzellenstapel 2, ohne die Batterie 6, die gesamte Leistung bereit stellen muss, um dann die Leistungsverteilung unter Einbeziehung des zweiten Brennstoffzellenstapels 7 vorzunehmen. Es kann also mit dem aktiven einen Brennstoffzellenstapel 2 abgewartet werden, welche Leistung angefordert wird und dann eine optimierte Leistungsverteilung zu bewirken, wenn sich ergibt, dass aufgrund der Höhe der Leistungsanforderung weitere Brennstoffzellenstapel 7 dazugeschaltet werden (Zeile 2) oder die Leistung des aktiven Brennstoffzellenstapels 2 angepasst wird (Zeile 3). Das Vermeiden der Spannungsspitzen ist verbrauchseffizienter und spart parasitäre Leistung ein, wenn zum Beispiel der Verdichter nicht Hochdrehen muss.
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Die 5 zeigt abweichend zu 4 nach dem Einschalten eine Erhöhung der Leistungsanforderung von 25 kW auf 35 kW (Zeile 2), wobei die kurzzeitig durch die Batterie 6 erfolgt, aber aufgrund der Höhe der Leistungsanforderung der andere Brennstoffzellenstapel 7 dazugeschaltet, also in seinem Aktivitätsstatus geändert wird, wobei zwischen den Brennstoffzellenstapeln 2, 7 ein Leistungsausgleich erfolgt, damit beide gleichmäßig belastet werden (Zeile 3).
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Die Leistungsabgabe durch die Batterie 6 ist also zeitlich begrenzt auf eine Zeitdauer und nach dem Zuschalten des weiteren Brennstoffzellenstapels 7 erfüllen diese die Leistungsanforderung zu gleichen Teilen, wenn die Batterie 6 keine weitere Leistungsabgabe bereit stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel 1
- 3
- Stapelverbund
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Elektromotor
- 6
- Batterie
- 7
- Brennstoffzellenstapel 1
- 8
- DC/DC-Wandler
- 9
- Peripheriekomponente
- 10
- Rad
- 11
- Stufe 1
- 12
- Stufe 2
- 13
- Stufe 3
- 14
- Stufe 4
- 15
- Stufe 5
- 16
- Stufe 6
- 17
- Umrichter
