DE102021206610A1 - Fahrzeugsystem mit Brennstoffzellen und Rekuperation - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Fahrzeugsystem vorgeschlagen, aufweisend ein Antriebssystem mit einer Motor-/Generator-Einheit, mindestens einen elektrischen Energiespeicher, ein Bremssystem mit einer Reibbremse, und mindestens ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel zum Bereitstellen von elektrischer Leistung, wobei die Motor-/Generator-einheit dazu ausgebildet ist, in einem Motorbetrieb elektrische Leistung aus dem mindestens einem Brennstoffzellensystem und/oder dem mindestens einem elektrischen Energiespeicher aufzunehmen und mechanische Leistung bereitzustellen und in einem Generatorbetrieb mechanische Leistung in elektrische Leistung bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhreinheit mit mindestens einem Verdichter umfasst, und wobei das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, zum Unterstützen des Bremssystems einen Rekuperationsbetrieb durchzuführen, in dem elektrische Leistung von der Motor-/Generator-Einheit im Generatorbetrieb zum Betreiben von elektrischen Verbrauchern über einem Bordnetz und/oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, im Rekuperationsbetrieb der mindestens eine Verdichter der Luftzufuhreinheit zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder hohen Leistung zu betreiben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugsystem und ein Rekuperationsverfahren.
  • Stand der Technik
  • In modernen Fahrzeugen werden oftmals mechanische Reibbremsen durch Rekuperationssysteme unterstützt. Dabei geben Antriebsmotoren in einem Generatorbetrieb elektrische Leistung an elektrische Verbraucher im Fahrzeug über ein Bordnetz und/oder an eine Ladeeinrichtung ab, die einen elektrischen Speicher lädt. Der elektrische Speicher umfasst beispielsweise eine Hochvolt-Batterie. Durch die Rekuperation wird die von den mechanischen Reibbremsen aufzubringende Bremsleistung verringert, was zu einem verringerten Verschleiß und einen optimierten Energiehaushalt führt. Da jedoch der elektrische Speicher eine begrenzte Kapazität hat, kann die Rekuperation insbesondere bei langen Bremsphasen nicht kontinuierlich betrieben werden. Die Entlastung der mechanischen Reibbremse kann daher begrenzt sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Vorrichtung oder ein alternatives Verfahren zum Entlasten einer mechanischen Reibbremse vorzuschlagen, welches die vorangehend beschriebenen Nachteile reduziert oder gänzlich eliminiert.
  • Die Aufgabe wird durch ein Fahrzeugsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
  • Es wird ein Fahrzeugsystem vorgeschlagen, aufweisend ein Antriebssystem mit einer Motor-/Generator-Einheit, mindestens einen elektrischen Energiespeicher, ein Bremssystem mit einer Reibbremse, und mindestens ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel zum Bereitstellen von elektrischer Leistung, wobei die Motor-/Generator-einheit dazu ausgebildet ist, in einem Motorbetrieb elektrische Leistung aus dem mindestens einen Brennstoffzellensystem und/oder aus dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufzunehmen und mechanische Leistung bereitzustellen und in einem Generatorbetrieb mechanische Leistung in elektrische Leistung bereitzustellen, wobei das mindestens eine Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhreinheit mit mindestens einem Verdichter umfasst, und wobei das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, zum Unterstützen des Bremssystems einen Rekuperationsbetrieb durchzuführen, in dem elektrische Leistung von der Motor-/Generator-Einheit im Generatorbetrieb zum Laden des elektrischen Energiespeichers und/oder zum Betreiben von elektrischen Verbrauchern über ein Bordnetz bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, im Rekuperationsbetrieb den mindestens einen Verdichter der Luftzufuhreinheit zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung zu betreiben. Es kann es aus verschiedenen Gründen, beispielsweise Geräuschentwicklung sinnvoll sein, nicht die maximale Leistung sondern eine hohe oder eine erhöhte Leistung anzustreben.
  • Bei Fahrzeugen, in denen Brennstoffzellen für einen Teil der Antriebsleistung sorgen, wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Oxidationsmittel verwendet, um den elektrochemischen Brennstoffzellenprozess mit Wasserstoff durchzuführen. Die Umgebungsluft wird mittels eines massenstrom- und druckgeregelten Luftförder- bzw. Luftverdichtungssystems den Brennstoffzellen zugeführt. Im Vergleich zu anderen Nebenaggregaten benötigt eine solche Luftzufuhreinheit eine hohe elektrische Leistung.
  • Das Fahrzeugsystem kann auf übliche Weise dazu ausgebildet sein, das Brennstoffzellensystem zum Laden des elektrischen Energiespeichers und/oder zum Versorgen des Drivetrain und des Bordnetzes vorzusehen. Das Fahrzeugsystem kann demnach eine hybride Struktur aufweisen, bei der die Motor-/Generator-Einheit von dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher und/oder dem mindestens einen Brennstoffzellensystem mit elektrischer Leistung versorgt wird. Das Laden der Batterie erfolgt vorzugsweise durch die Rekuperation von Lageenergie des Fahrzeugs besipielsweise durch Bergabfahrt und kann jedoch alternativ auch durch das Brennstoffzellensystem nachgeladen werden.
  • Im Rekuperationsbetrieb stellt die Motor-Generator-Einheit als Generator dem elektrischen Energiespeicher und/oder den elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug über das Bordnetz elektrische Leistung zur Verfügung. Durch den erfindungsgemäßen gleichzeitigen Abbau von elektrischer Leistung durch die Luftzufuhreinheit kann ein längerer Rekuperationsbetrieb erreicht werden, auch wenn der elektrische Energiespeicher bereits annähernd vollständig geladen ist.
  • In diesem Zustand, d.h. mit annähernd vollständig geladenem elektrischen Energiespeicher, ist davon auszugehen, dass das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist. Das Abführen elektrischer Leistung zum Verlängern des Rekuperationsbetriebs ist folglich bevorzugt bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem zu erwarten. Da der elektrische Energiespeicher keine weitere elektrische Energie/Leistung mehr aufnehmen kann, verbleiben nur noch die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug für den Verbrauch von überschüssiger Energie. Deshalb wird dann die elektrische Leistung des Luftverdichtungssystems signifikant erhöht. Diese Maßnahme kann bei Erreichen des vollen Ladezustand der elektrischen Energiespeicher erfolgen oder bereits zuvor wenn der Ladezustand eine entsprechende Schwelle überschreitet. In diesem Zustand wird Luft, welche durch die Luftzufuhreinheit dann in hohem Maße bereitgestellt wird, nicht im Brennstoffzellenstack benötigt, weshalb sie über einen Bypasspfad am Stack vorbeigeleitet wird. Dadurch wird elektrische Leistung abgeführt, sodass die Motor-/Generator-Einheit Bremsleistung bereitstellt. Der dabei erzeugte Luftmassenstrom könnte direkt in die Umgebung ausgeleitet werden. Durch Überwinden eines bestimmten Strömungswiderstands, durch das Steigern eines Luftmassenstroms oder eines Druckverhältnisses, durch Erhöhung einer Verdichtereintrittstemperatur, durch Verschlechterung eines Wirkungsgrades bei Ansteuerung Leistungselektronik/E-Motor könnte die für den Betrieb der Luftzufuhreinheit notwendige elektrische Leistung weiter gesteigert werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Konzept des Abführens elektrischer Leistung durch einen Verbraucher mit einem sehr hohen Leistungsbedarf kann eine vorteilhafte Verlängerung des Rekuperationsbetriebs und damit eine deutliche Verbesserung des Unterstützens des Bremssystems erreicht werden. Der Verschleiß des Bremssystems wird verringert, es entsteht ein geringerer Wärmeeintrag und eine geringere Verschmutzung durch Abrieb der mechanischen Reibbremse. Insbesondere bei Bergabfahrten kann dies eine Abnutzung des Bremssystems verringern, da eine deutlich längere Rekuperationsdauer realisierbar ist. Die Stärke der die Reibbremse unterstützenden mechanischen Leistung hängt indes von der Ausführung der Luftzufuhreinheit ab. Durch die Verbesserung der Entlastung der mechanischen Reibbremse kann die Lebensdauer der mechanischen Reibbremse erhöht werden und eine Überlast oder Überhitzung der Reibbremse bei langer Passabfahrt vermindert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Verdichter mit einem Kathodenpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, wobei ein Kathodenbypass in einer Parallelschaltung mit dem Kathodenpfad vorgesehen ist, wobei ein Druckentlastungsventil stromabwärts des Kathodenpfads angeordnet ist, und wobei das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, das Druckentlastungsventil und den Kathodenbypass zumindest teilweise zu öffnen, um Luft aus der Luftzufuhreinheit durch den Kathodenbypass in die Umgebung zu leiten. Der Verdichter kann ein- oder mehrstufig sein oder mehrere parallelgeschaltete Verdichter umfassen. Der Verdichter ist mit einem Motor gekoppelt, welcher insbesondere über einen Inverter mit einem elektrischen Bordnetz des betreffenden Fahrzeugs gekoppelt ist. Der Verdichter kann mit signifikanter Leistung oder mit Höchstleistung betrieben werden. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels kann das Druckentlastungsventil vorzugsweise im Normalbetrieb dafür sorgen, den Druck in dem Kathodenpfad zu regeln. Durch das Öffnen des Kathodenbypass gelangt nun druckbeaufschlagte Luft stromabwärts des Brennstoffzellenstapels in den Abgaspfad . Durch das dort geöffnete Druckentlastungsventil kann die Luft direkt in die Umgebung strömen. Sind alle genannten Ventile vollständig geöffnet, kann praktisch ein hoher oder auch der max. mögliche Luftstrom erzeugt und in die Umgebung geleitet werden. Die Luftzufuhreinheit kann damit mit hoher oder signfikanter oder maximaler Leistung betrieben werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet, den Kathodenbypass in eine Teilstellung zu führen, sodass der mindestens eine Verdichter die Pumpgrenze noch nicht erreicht. Der Kathodenbypass wird folglich nur maximal so weit geöffnet, dass der Verdichter gerade noch nicht in die Pumpgrenze kommt. Dadurch wird der Verdichter geschützt. Weiterhin wird die Verdichterleistung damit erhöht, folglich auch die von der Luftzufuhreinheit geforderte elektrische Leistung.
  • Es ist zudem besonders vorteilhaft, wenn das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, den Kathodenbypass vollständig zu öffnen. Dadurch kann der Massenstrom deutlich erhöht werden und insbesondere bei einstufigen Verdichtersystemen bevorzugt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Luftzufuhreinheit zumindest eine mit dem zumindest einen Verdichter koppelbare Turbine aufweist, wobei ein Turbinenbypass in einer Parallelschaltung mit der Turbine vorgesehen ist, und wobei das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, den Turbinenbypass zumindest teilweise zur Minimierung einer Turbinenleistung zu öffnen. Durch den Turbinenbypass wird der Massenstrom größtenteils an der Turbine vorbei geleitet, sodass die Turbinenleistung minimiert und daher die geforderte elektrische Leistung für die Luftzufuhreinheit maximiert wird.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist, wobei das Fahrzeugsystem dazu ausgebildet ist, die variable Turbinengeometrie in eine entdrosselte Stellung zu führen. Ist die variable Turbinengeometrie in eine entdrosselte Stellung geführt, wird die von der Turbine an den Verdichter geleitete mechanische Leistung noch weiter verringert.
  • Die Leistung des Verdichters kann insbesondere durch die nachfolgende allgemeine Verdichtergleichung bestimmt werden: P c o m p = 1 η g e s a m t ∗ m ˙ A i r C o m p ∗ c P ∗ T C o m p i n ∗ [ Π K − 1 K − 1 ]
    Figure DE102021206610A1_0001
  • Die deutlichste Erhöhung des Massenstroms kann durch Maximierung der Drehzahl und durch Entdrosselung des Systems d.h. öffnen des Bypassventils und der Ventile im Abgaspfad erreicht werden. Bei Systemen mit Turbine kann jedoch im etwas gedrosselten Zustand die maximale Leistung erreicht werden. Die tatsächliche Ausführung kann abhängig von der topologischen und konstruktiven Umsetzung der Luftzufuhreinheit sein. Es ist auch denkbar, eine Adaptionsfunktion einzusetzen, die eine maximale Leistung sucht durch Verstellung der Aktoren insbesondere der Verdichterdrehzahl, der Ventile in den Luftpfaden, insbesondere Kathodenbypass und Abgaspfad, und Messung der Leistung in dem Inverter. Der erfindungsgemäße Gedanke der
    • - Erhöhung der Verdichterleistung
    • - Minimierung der Turbinenleistung
    • - Minimeriung der Zwischenkühlung
    lässt sich auch auf weitere Luftsystemtopologien übertragen. Die wirkenden Aktoren auf Massenstrom, Druckverhältnis und Temperatur können unterschiedlich sein.
  • Bevorzugt ist das Fahrzeugsystem weiterhin dazu ausgebildet, im Rekuperationsbetrieb einen Inverter zum Versorgen eines Elektromotors der Luftzufuhreinheit oder den Elektromotor der Luftzufuhreinheit derart anzusteuern, dass ein Wirkungsgrad des Elektromotors vermindert oder minimiert wird.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu ist denkbar, im Rekuperationsbetrieb weitere Hilfsaggregate des Brennstoffzellensystems zum Unterstützen des Bremssystems zu betreiben.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Rekuperationsverfahren für ein Fahrzeugsystem, das Fahrzeugsystem aufweisend ein Antriebssystem mit einer Motor-/Generator-Einheit, mindestens einen elektrischen Energiespeicher, ein Bremssystem mit einer Reibbremse, und mindestens ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel zum Bereitstellen von elektrischer Leistung, aufweisend die Schritte des Aufnehmens mechanischer Leistung und Abgeben elektrischer Leistung durch die Motor-/Generatoreinheit, des Betreibens mindestens eines Verdichters einer Luftzufuhreinheit des Brennstoffzellensystems mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein zumindest teilweises Öffnen eines Kathodenbypass, der mit einem Kathodenpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels gekoppelt und hierzu parallelgeschaltet ist, und ein zumindest teilweises Öffnen eines Druckentlastungsventils, das stromabwärts des Kathodenpfads angeordnet ist, um Luft aus der Luftzufuhreinheit durch den Kathodenbypass in die Umgebung zu leiten, auf.
  • Weiter vorteilhaft kann das Verfahren das zumindest teilweise Öffnen eines in einer Parallelschaltung mit einer Turbine, die mit einem Verdichter in der Luftzufuhreinheit gekoppelt ist, angeordneten Turbinenbypass zur Minimierung einer Turbinenleistung aufweisen.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
  • Figurenliste
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems;
    • 2 bis 4 Ausführungsbeispiele eines Brennstoffzellensystems;
    • 5 eine schematische Darstellung eines Rekuperationsverfahrens.
  • 1 zeigt ein Fahrzeugsystem 2, welches ein Antriebssystem 4 mit einer Motor-/ Generator-Einheit 6 aufweist. Das Antriebssystem 4 weist ferner Räder und ein Fahrwerk auf (nicht gezeigt), sodass ein Fahrzeug dadurch antreibbar ist. Das Antriebssystem 4 ist mit mindestens einem Brennstoffzellensysteme und/oder mindestens einem elektrischen Energiespeicher 8 und einem Bremssystem 10 verbunden. Letzteres weist eine Reibbremse auf. Der elektrische Energiespeicher 8 und das Brennstoffzellensystem 12, das einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 14 umfasst, können elektrische Leistung bereitstellen. Das Brennstoffzellensystem 12 weist eine Luftzufuhreinheit 16 mit mindestens einem Verdichter auf.
  • Die Motor-/Generatoreinheit 6 ist dazu ausgebildet, in einem Motorbetrieb elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem und/oder aus dem elektrischen Energiespeicher 8 aufzunehmen und mechanische Leistung bereitzustellen und umgekehrt in einem Generatorbetrieb mechanische Leistung in elektrische Leistung bereitzustellen. In einem Rekuperationsbetrieb kann das Bremssystem 10 unterstützt werden. Dabei wird elektrische Leistung von der Motor-/ Generator-Einheit 6 im Generatorbetrieb zum Betreiben von elektrischen Verbrauchern über einem Bordnetz und/oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers 8 bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeugsystem 2 ferner dazu ausgebildet, im Rekuperationsbetrieb den mindestens einen Verdichter der Luftzufuhreinheit 16 zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung zu betreiben.
  • In 2 wird das Brennstoffzellensystem 12 in einer detaillierteren Ansicht gezeigt. Hier weist die Luftzufuhreinheit 16 einen ersten Verdichter 18 auf, der Umgebungsluft über einen Luftfilter 20 bezieht und über einen Zwischenkühler 22 an den Brennstoffzellenstapel 14 führt. Ein erstes Abschaltventil 24 ist dazu ausgebildet, selektiv geöffnet oder geschlossen zu werden. Zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels 14 kann es geschlossen werden. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 ist ein zweites Abschaltventil 26 angeordnet, das zum Betreiben oder zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels 14 geöffnet oder geschlossen werden kann. Der erste Verdichter 18, das erste Abschaltventil 24 und das zweite Abschaltventil 26 liegen in einem Kathodenpfad 28, der die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 14 mit Luft versorgt. Parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 14 ist ein Kathodenbypass 30 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, Luft an dem Brennstoffzellenstapel 14 vorbei zu leiten. Weiterhin ist ein zweiter Wärmeübertrager 32 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, Wärme in dem Kathodenpfad 28 von stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 14 zu einem Bereich stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 zu übertragen, d.h. von Zuluft zu Abluft.
  • Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 ist eine Turbine 34 angeordnet, die von Abluft durchströmbar ist bzw. von Zuluft, die über den Kathodenbypass 30 in die Turbine 34 strömt. Die Turbine 34 ist mit dem ersten Verdichter 18 gekoppelt. Gleichzeitig ist ein Elektromotor 36 vorgesehen, der über einen Inverter 38 mit Strom versorgt wird und ebenso den ersten Verdichter 18 mit mechanischer Leistung versorgt. Parallel zu der Turbine 34 ist ferner ein Turbinenbypass 40 angeordnet, der einen in die Turbine 34 gerichteten Luftstrom an der Turbine 34 vorbeileitet, um das Abgeben mechanischer Leistung an den ersten Verdichter 18 zu vermeiden oder zu reduzieren. Gleichzeitig ist ein Druckentlastungsventil 42 vorgesehen, welches geöffnet oder geschlossen werden kann, um Abluft an die Umgebung 44 abzugeben.
  • Im Rekuperationsbetrieb kann in diesem Ausführungsbeispiel der Elektromotor 36 zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder signifikanten oder oder hohen Leistung betrieben werden. Dabei könnte der der Turbinenbypass 40 geöffnet werden, um die Abgabe von mechanischer Leistung an den ersten Verdichter 18 zu verhindern. Im Rekuperationsbetrieb kann der Brennstoffzellenstapel 14 außer Betrieb sein. Dann wäre denkbar, den Kathodenbypass 32 vollständig zu öffnen und gegebenenfalls das erste Abschaltventil 24 und das zweite Abschaltventil 26 zu schließen. Der Kathodenbypass 32 kann allerdings auch in eine Teilstellung geführt werden, sodass der erste Verdichter 18 die Pumpgrenze noch nicht erreicht. Weist die Turbine eine variable Turbinengeometrie auf, könnte im Rekuperationsbetrieb die variable Turbinengeometrie in eine entdrosselte Stellung geführt werden, um die Turbinenleistung zu reduzieren. Der Inverter 38 kann zur weiteren Erhöhung der verbrauchten elektrischen Leistung des Elektromotors 36 in seinen Abgabegrößen verstellt werden, sodass der Elektromotor 36 mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben wird.
  • 3 zeigt ein modifiziertes Brennstoffzellensystem 46, das auf dem Brennstoffzellensystem 12 aus 2 basiert. Hier ist der erste Verdichter 18 mit einem weiteren ersten Verdichter 19 als elektrisch betriebener Vorverdichter ausgeführt und hierzu mit dem Elektromotor 36 gekoppelt, der von dem Inverter 38 mit Strom versorgt wird. Stromabwärts des Vorkühlers 22 ist ein zweiter Verdichter 48 angeordnet, der mit der Turbine 34 gekoppelt ist. Im Rekuperationsbetrieb können auch hier der Kathodenbypass 30 geöffnet und die ersten Verdichter 18 und 19 mit hoher Leistung betrieben werden, wie in dem Ausführungsbeispiel der 2. Zusätzlich ist eine Wassereinspritzeinheit 50 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, Wasser in Zuluft in den Kathodenpfad 28 einzuspritzen.
  • Die Zwischenkühlung durch den Zwischenkühler 22 kann reduziert werden, sodass weniger Wärme abgeführt wird. Dadurch erhält der Nachverdichter 48 Luft mit einer höheren Eintrittstemperatur, was eine höhere Verdichterleistung in der Nachverdichtung zur Folge hat. Zu berücksichtigen ist dabei, dass dies nur bis zu einer maximal zulässigen Verdichtereintrittstemperatur zum Schutz der Komponenten durchgeführt werden kann. Wird anstatt einer Zwischenkühlung durch den Zwischenkühler 22 die Wassereinspritzeinheit 50 verwendet, kann analog als leistungssteigernde Maßnahme die Wassereinspritzung ausgesetzt werden.
  • 4 zeigt eine weitere Modifikation in Form eines Brennstoffzellensystems 52. Hier ist der erste Verdichter 18 zusammen mit dem zweiten Verdichter 48 an dem Elektromotor 36 angeordnet. Der Zwischenkühler 22 und die Wasserspritzeinheit 50 sind zwischen dem ersten Verdichter 18 und dem zweiten Verdichter 48 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Verdichters 48 ist ein weiterer Wärmeübertrager 54 vorgesehen. Ein Befeuchter 56 kann aus Abluft stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 zur Befeuchtung von Zuluft stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 14 verwendet werden.
  • 5 zeigt schließlich ein Rekuperationsverfahren für das Fahrzeugsystem 2, das die Schritte des Aufnehmens mechanischer Leistung 58 und des Abgebens elektrischer Leistung 60 durch die Motor-/Generator-Einheit 6 und des Betreibens 62 mindestens eines Verdichters 18, 19, 48 der Luftzufuhreinheit 16 mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung zum Abbauen der elektrischen Leistung aufweist. Dabei kann der Kathodenbypass 30 zumindest teilweises geöffnet werden 64 und das Druckentlastungsventil 42 kann zumindest teilweise geöffnet werden 66, um Luft aus der Luftzufuhreinheit 16 durch den Kathodenbypass 30 in die Umgebung zu leiten. Weiterhin kann dabei der Turbinenbypass 40 zur Minimierung einer Turbinenleistung zumindest teilweise geöffnet werden 68.

Claims (10)

  1. Fahrzeugsystem (2), aufweisend: - ein Antriebssystem (4) mit einer Motor-/Generator-Einheit (6), - mindestens einen elektrischen Energiespeicher (8), - ein Bremssystem (10) mit einer Reibbremse, und - mindestens ein Brennstoffzellensystem (12, 46, 52) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (14) zum Bereitstellen von elektrischer Leistung, wobei die Motor-/Generatoreinheit (6) dazu ausgebildet ist, in einem Motorbetrieb elektrische Leistung aus dem mindestens einen Brennstoffzellensystem (12) und/oder dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher (8) aufzunehmen und mechanische Leistung bereitzustellen und in einem Generatorbetrieb mechanische Leistung in elektrische Leistung bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem (12, 46, 52) eine Luftzufuhreinheit mit mindestens einem Verdichter (18, 19, 48) umfasst, und wobei das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, zum Unterstützen des Bremssystems einen Rekuperationsbetrieb durchzuführen, in dem elektrische Leistung von der Motor-/Generator-Einheit (6) im Generatorbetrieb zum Betreiben von elektrischen Verbrauchern über einem Bordnetz und/oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers (8) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, im Rekuperationsbetrieb den mindestens einen Verdichter (18, 19, 48) der Luftzufuhreinheit (16) zum Abbauen der elektrischen Leistung mit einer maximalen oder signifikanten oder hohen Leistung zu betreiben.
  2. Fahrzeugsystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (18, 19, 48) mit einem Kathodenpfad (28) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (14) gekoppelt ist, wobei ein Kathodenbypass (30) in einer Parallelschaltung mit dem Kathodenpfad (28) vorgesehen ist, wobei ein Druckentlastungsventil (42) stromabwärts des Kathodenpfads (28) angeordnet ist, und wobei das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, das Druckentlastungsventil (42) und den Kathodenbypass (30) zumindest teilweise zu öffnen, um Luft aus der Luftzufuhreinheit (16) durch den Kathodenbypass (30) in die Umgebung zu leiten.
  3. Fahrzeugsystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, den Kathodenbypass (30) in eine Teilstellung zu führen, sodass der mindestens eine Verdichter (18, 19, 48) die Pumpgrenze noch nicht erreicht.
  4. Fahrzeugsystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, den Kathodenbypass (30) vollständig zu öffnen.
  5. Fahrzeugsystem (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhreinheit (16) zumindest eine mit dem zumindest einen Verdichter (18, 19, 48) koppelbare Turbine (34) aufweist, wobei ein Turbinenbypass (40) in einer Parallelschaltung mit der Turbine (34) vorgesehen ist, und wobei das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, den Turbinenbypass (40) zumindest teilweise zur Minimierung einer Turbinenleistung zu öffnen.
  6. Fahrzeugsystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (34) eine variable Turbinengeometrie aufweist, und wobei das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, die variable Turbinengeometrie in eine entdrosselte Stellung zu führen.
  7. Fahrzeugsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (2) dazu ausgebildet ist, im Rekuperationsbetrieb einen Inverter (38) zum Versorgen eines Elektromotors (36) der Luftzufuhreinheit (16) oder den Elektromotor (36) der Luftzufuhreinheit (16) derart anzusteuern, dass ein Wirkungsgrad des Elektromotors (36) vermindert oder minimiert wird.
  8. Rekuperationsverfahren für ein Fahrzeugsystem (2), das Fahrzeugsystem (2) aufweisend ein Antriebssystem (4) mit einer Motor-/Generator-Einheit (6), mindestens einen elektrischen Energiespeicher (8), ein Bremssystem (10) mit einer Reibbremse, und mindestens ein Brennstoffzellensystem (12, 46, 52) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (14) zum Bereitstellen von elektrischer Leistung, aufweisend: - Aufnehmen mechanischer Leistung (58) und Abgeben elektrischer Leistung (60) durch die Motor-/Generator-Einheit (6), gekennzeichnet durch - Betreiben (62) mindestens eines Verdichters (18, 19, 48) einer Luftzufuhreinheit (16) des Brennstoffzellensystems (12, 46, 52) mit einer maximalen oder hohen Leistung zum Abbauen der elektrischen Leistung.
  9. Rekuperationsverfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch - zumindest teilweises Öffnen (64) eines Kathodenbypass (30), der mit einem Kathodenpfad (28) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (14) gekoppelt und hierzu parallelgeschaltet ist, und - zumindest teilweises Öffnen (66) eines Druckentlastungsventils (42), das stromabwärts des Kathodenpfads (28) angeordnet ist, um Luft aus der Luftzufuhreinheit (16) durch den Kathodenbypass (30) in die Umgebung zu leiten, und/oder - Drehzahlerhöhung des mindestens einen Verdichters (18, 19, 48).
  10. Rekuperationsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch - zumindest teilweises Öffnen (68) eines in einer Parallelschaltung mit einer Turbine (34), die mit einem Verdichter (18, 19, 48) in der Luftzufuhreinheit (16) gekoppelt ist, angeordneten Turbinenbypass (40) zur Minimierung einer Turbinenleistung.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10236739A1 (de) 2001-08-16 2003-03-13 Gen Motors Corp Regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug
DE102019216624A1 (de) 2019-10-29 2021-04-29 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

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