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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt sowie ein in ein Kraftfahrzeug integriertes Brennstoffzellensystem.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der
DE 10 2017 007 633 A1 bekannt, wonach zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, einen vorgegebenen Bedarf an Antriebsleistung eines Traktionsantriebs des Kraftfahrzeugs in erster Linie durch Primärleistung zu befriedigen, die von einer Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Aufgrund der chemischen Betriebsführung der Brennstoffzelle ist die Bereitstellung der Primärleistung jedoch relativ träge und folgt dem tatsächlichen Bedarf an Antriebsleistung nach, so dass eine Leistungsdifferenz zwischen der bereitgestellten Primärleistung und dem vorgegebenen Bedarf an Antriebsleistung, die in der Praxis auch als Leistungssprung bezeichnet wird, durch zusätzliche Leistung abgedeckt werden muss. Diese als Sekundärleistung bezeichnete zusätzliche Leistung wird durch eine wiederaufladbare Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Um durch Lastspitzen verursachte, ungünstige Betriebsbereiche der Brennstoffzelle zu verhindern schlägt die
DE 10 2017 007 633 A1 vor, die Abhängigkeit der Bereitstellung von Primärleistung von der benötigten Antriebsleistung durch eine variable Dämpfung zu ergänzen. Hierdurch können sich insb. starke sprunghafte Änderungen der benötigten Antriebsleistung lediglich gedämpft auf die Bereitstellung von Primärleistung bzw. auf den Betrieb der Brennstoffzelle auswirken. Nachteilig an dieser eigentlich eleganten Lösung ist, dass in besonderen Betriebssituationen des Kraftfahrzeugs, bspw. Anfahrsituationen oder Notbremssituationen, eine Verzögerung im zeitlichen Ansprechverhalten der Brennstoffzelle resultiert, welche insb. in diesen speziellen Betriebssituationen des Kraftfahrzeugs nicht erwünscht ist.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbessertes oder zumindest eine andere Ausführungsform für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insb. durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die zumindest eine Brennstoffzelle in einem vorgegebenen, energieeffizienten Betriebsbereich zu betreiben.
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Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vor, bei welchem das Brennstoffzellensystem zumindest mit einer elektrische Primärleistung generierenden Brennstoffzelle, zumindest einer elektrische Sekundärleistung bereitstellenden, wiederaufladbaren Traktionsbatterie, zumindest einem Traktionsantrieb und einer Leistungsmanagementeinrichtung, mit welcher die zumindest eine Brennstoffzelle, die zumindest eine Traktionsbatterie und der zumindest eine Traktionsantrieb elektrisch gekoppelt sind, bereitgestellt wird. Wesentlich ist, dass die zumindest eine Brennstoffzelle kennliniengesteuert wird.
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Das hat den Effekt, dass die zumindest eine Brennstoffzelle elektrische Primärleistung kennliniengesteuert generiert und bereitstellt. Dabei kann die Kennliniensteuerung zweckmäßigerweise vom Ladezustand der Traktionsbatterie abhängig sein. Weiter zweckmäßigerweise kann die Kennliniensteuerung in Abhängigkeit vom Ladezustand der Traktionsbatterie variiert oder angepasst werden. Weiter zweckmä-ßigerweise kann die Kennliniensteuerung in Abhängigkeit vom Ladezustand der Traktionsbatterie so variiert bzw. verschoben werden, dass die Brennstoffzelle entweder einen relativ hohen Betrag von Primärleistung bereitstellt, wodurch ein bezüglich eines mittleren Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie heraufgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht wird, oder einen relativ niedrigen Betrag von Primärleistung bereitstellen, wodurch ein bezüglich eines mittleren Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie herabgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht wird. Das hat den Vorteil, dass unerwünschte Betriebsbereiche der Brennstoffzelle, z.B. Lastspitzen, weitestgehend vermieden werden. Das hat den positiven Effekt, dass die zumindest eine Brennstoffzelle relativ wenig Betriebsstoffe verbraucht. Ferner erzeugt sie einen konstanten, lastspitzenfreien Verlustwärmestrom, welcher sich kühltechnisch vergleichsweise einfach beherrschen und bspw. mittels eines zum Kühlen der zumindest einen Brennstoffzelle eingesetzten Kühlsystems des Brennstoffzellensystems abführen lässt.
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Zweckmäßigerweise wird die zumindest eine Brennstoffzelle abhängig von einer Antriebsleistung und/oder in Abhängigkeit eines Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie kennliniengesteuert. Der Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle bzw. die Bereitstellung von Primärleistung kann dadurch an eine vorgegebene, von einer von zumindest einem Traktionsantrieb bereitzustellende Antriebsleistung und/oder an einen Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie gekoppelt werden. Dadurch kann die zumindest eine Brennstoffzelle so betrieben werden, dass ein akzeptabler Leistungssprung resultiert, d.h. ein akzeptabler Betrag an Sekundärleistung bereitgestellt werden muss. Das hat den Vorteil, dass ein gewünschter Sollladezustand der Traktionsbatterie erreicht und/oder beibehalten werden kann. Ferner kann sie in einem energieeffizienten Betriebsbereich, insb. einem mittleren Leistungsbereich, mit optimalen Wirkungsgrad betrieben werden.
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Die Erfindung interpretiert den Begriff „kennliniengesteuert“ bzw. „Kennliniensteuerung“ zweckmäßigerweise relativ breit, nämlich sowohl im Sinne einer Steuerung als auch im Sinne einer Regelung. Kennliniengesteuert kann demnach entweder eine Kennliniensteuerung oder eine Kennlinienregelung meinen.
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Weiter zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Brennstoffzelle so kennliniengesteuert wird, dass sie in Abhängigkeit einer nachfolgend als FCBK bezeichneten Brennstoffzellen-Betriebskennlinie elektrische Primärleistung bereitstellt. Die FCBK beschreibt zweckmäßigerweise den funktionellen Zusammenhang zwischen dem Bedarf an Antriebsleistung und der hierfür vom Brennstoffzellensystem bereitzustellender Primärleistung und/oder Sekundärleistung. Die FCBK ist zweckmäßigerweise abhängig von einer Antriebsleistung und/oder abhängig von einem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie. Die FCBK ist zweckmäßigerweise durch eine lineare Funktion oder eine nichtlineare Funktion oder eine Reihe von interpolierbaren Stützpunkten realisiert. Die FCBK hat zweckmäßigerweise zumindest abschnittsweise eine positive Steigung, so dass für kleine von zumindest einem Traktionsantrieb bereitzustellende Antriebsleistungen kleine Beträge von elektrischer Primärleistung und für wachsende bereitzustellende Antriebsleistungen mitwachsende, größere Beträge von elektrischer Primärleistung generiert und bereitgestellt werden. Die FCBK hat zweckmäßigerweise zumindest abschnittsweise eine Steigung von Null, so dass sie in einem Diagramm, in welchem bereitzustellende Antriebsleistungen über die bereitgestellten Primärleistungen aufgetragen sind, zumindest abschnittsweise eine Horizontale bildet.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass elektrische Antriebsleistung, die aus einem sich zwischen einer Leerlaufleistung bis zu einer Volllastleistung des zumindest einen Traktionsantriebs aufspannenden Leistungsbereich angefordert wird, zumindest anteilig durch die bereitgestellte elektrische Primärleistung bereitgestellt wird.
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Hierbei kann eine Leistungsdifferenz (Leistungssprung) zwischen der angeforderten elektrischen Antriebsleistung und der bereitgestellten elektrischen Primärleistung durch elektrische Sekundärleistung bereitgestellt werden, so dass sich die angeforderte elektrische Antriebsleistung in Summe aus elektrischer Primärleistung und/oder aus elektrischer Sekundärleistung zusammensetzt. Dadurch wird zumindest ein Betrag der zum Bereitstellen der angeforderten Antriebsleistung benötigten Leistung durch die zumindest eine Traktionsbatterie geliefert. Hierdurch kann, eine gewisse Entlastung der zumindest einen Brennstoffzelle und deren Kühlung erreicht werden. Durch die FCBK bzw. die Kennliniensteuerung der zumindest einen Brennstoffzelle wird zweckmäßigerweise jeder angeforderten Antriebsleistung aus dem besagten Leistungsbereich ein vorgegebenes Zusammensetzungsverhältnis von elektrischer Primärleistung zu elektrischer Sekundärleistung zugeordnet. Dadurch lässt sich die zumindest eine Brennstoffzelle relativ einfach innerhalb von bevorzugten Betriebsbereichen betreiben, so dass insbesondere Leistungsspitzen und damit einhergehende übermäßig hohe Betriebstemperaturen an der zumindest einen Brennstoffzelle vermieden werden können.
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Weiterhin kann die von der zumindest einen Brennstoffzelle generierte Primärleistung an der Leistungsmanagementeinrichtung bereitgestellt und mittels dieser anforderungsgerecht an den mindestens einen Traktionsantrieb zum Bereitstellen einer Antriebsleistung und/oder an die zumindest eine Traktionsbatterie zum Wiederaufladen derselben verteilt werden. Optional kann vorgesehen sein, dass die Kennliniensteuerung der mindestens einen Brennstoffzelle von der Leistungsmanagementeinrichtung ausgeführt wird. D.h. die Leistungsmanagementeinrichtung führt eine Steuerung oder eine Regelung der zumindest einen Brennstoffzelle durch.
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Zweckmäßig ist weiterhin, wenn die FCBK in einem ersten Leistungsabschnitt des besagten Leistungsbereichs durch eine Gerade mit konstanter, vorgebbarer Steigung und mit vorgebbarem Nullpunktversatz bereitgestellt wird. Dadurch kann die zumindest eine Brennstoffzelle innerhalb des ersten Leistungsabschnitts mittels der FCBK derart abhängig von einer Antriebsleistung gesteuert werden, dass sie elektrische Primärleistung bereitstellt, die sich aus einem durch den Nullpunktversatz vorgegebenen, konstanten Primärleistungsbasisbetrag von elektrischer Primärleistung und aus einem für wachsende, bereitzustellende Antriebsleistungen gemäß der vorgegebenen Steigung der Geraden proportional mitwachsenden Primärleistungszusatzbetrag zusammensetzt. Hierbei kann die besagte Steigung der Geraden positiv sein, so dass die FCBK über den besagten ersten Leistungsabschnitt, der sich ggf. vollständig von einer Leerlaufleistung des Traktionsantriebs bis hin zu einer Volllastleistung des Traktionsantriebs erstreckt, konstant ansteigt. Denkbar ist auch, dass die besagte Steigung der Geraden Null ist, dann liegt ein reiner Range-Extender-Betrieb vor, d.h. die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Primärleistung richtet sich nur nach dem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie, nicht nach der angeforderten Antriebsleistung. Zusammenfassend können somit innerhalb des ersten Leistungsabschnitts für wachsende, angeforderte elektrische Antriebsleistungen stets konstant mitwachsende elektrische Primärleistungen oder ein Range-Extender-Betrieb bereitgestellt werden. Für relativ hohe bereitzustellende Antriebsleistungen steigt hierdurch zwar der Betrag der bereitzustellenden Antriebsleistung, der von elektrischer Primärleistung bereitgestellt wird, allerdings nicht im gleichen Maße, wie die Antriebsleistungen. Dadurch erhöht oder verringert sich gleichzeitig der durch elektrische Sekundärleistung bereitzustellende Betrag. Umgekehrt sinkt für relativ niedrige bereitzustellende Antriebsleistungen der Betrag der bereitzustellenden Antriebsleistung, der durch elektrische Primärleistung bereitgestellt wird, jedoch ebenfalls in geringerem Maße als die Antriebsleistung. Hierdurch sinkt der durch elektrische Sekundärleistung bereitzustellende Betrag. Hierdurch kann die zumindest eine Brennstoffzelle geschont und auch bei relativ niedrigen bereitzustellenden Antriebsleistungen in bevorzugten Betriebsbereichen betrieben werden. Beispielsweise kann die zumindest eine Brennstoffzelle bei relativ niedrigen bereitzustellenden Antriebsleistungen (insb. Leerlaufleistung) einen gewissen Grundsockel von elektrischer Primärleistung generieren, die bspw. zum Aufladen der zumindest einen Traktionsbatterie genutzt werden kann.
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Der besagte Leistungsbereich zumindest eines Traktionsantriebs ist, zwischen einerseits einer Leerlaufleistung und andererseits einer Volllastleistung aufgespannt, er stellt also mit anderen Worten das Leistungsvermögen eines Traktionsantriebs dar. Er kann zweckmäßigerweise auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normiert sein. Betrachtet man zusätzlich auch Rekuperation, so erweitert sich der Wertebereich auf negative Werte. Das gesagte lässt sich in diesem Fall auch in den negativen Bereich extrapolieren. Beispielsweise kann bei zunehmendem Rekuperationsbetrieb die Brennstoffzelle mit verminderter Leistung weiterbetrieben werden, wodurch die Traktionsbatterie einerseits durch die von der Rekuperation bereitgestellten Leistung und andererseits durch die von der Brennstoffzelle bereitgestellten Primärleistung aufgeladen wird.
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Der besagte Primärleistungsbasisbetrag beschreibt mit anderen Worten zweckmä-ßigerweise einen Grundsockel von elektrischer Primärleistung, welcher insb. im Leerlaufbetrieb von der zumindest einen Brennstoffzelle generiert und bereitgestellt wird. Er kann durch den besagten Nullpunktversatz vorgegeben sein, also, wieder mit anderen Worten, durch eine Verschiebung der FCBK, so dass die zumindest eine Brennstoffzelle mehr oder weniger elektrische Primärleistung generiert und bereitstellt. Der besagte Primärleistungszusatzbetrag ist zweckmäßigerweise ein leistungsabhängiger und/oder von einem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie abhängiger variabler Betrag der elektrischen Primärleistung. Primärleistungsbasisbetrag und Primärleistungszusatzbetrag zusammengenommen können die von der zumindest einen Brennstoffzelle insgesamt generierte und bereitgestellte elektrische Primärleistung bilden.
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Weiter zweckmäßig ist, wenn sich der erste Leistungsabschnitt vollständig oder zumindest abschnittsweise über den Leistungsbereich erstreckt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich der erste Leistungsabschnitt oberhalb eines ersten, vorgegebenen Leistungsschwellwerts und/oder unterhalb eines zweiten, vorgegebenen Leistungsschwellwerts erstreckt. Hierbei kann es nützlich sein, wenn der erste Leistungsschwellwert variabel über den gesamten Leistungsabschnitt einstellbar ist, optional beträgt er 30% der Volllastleistung. Ferner kann auch der zweite Leistungsschwellwert variabel über den gesamten Leistungsabschnitt einstellbar sein, optional entspricht er 70% der Volllastleistung. Es versteht sich von selbst, dass auch nach oben oder unten hin abweichende Werte gewählt werden können. Jedoch ist der zweite Leistungsschwellwert zweckmäßigerweise stets größer oder gleich dem ersten Leistungsschwellwert. Weiterhinkann die elektrische Primärleistung mit einem Primärleistungsbasisbetrag von Null oder größer Null bereitgestellt werden. Dadurch sind bevorzugte Bereiche für den ersten Leistungsabschnitt angegeben.
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Um mittels der zumindest einen Brennstoffzelle ausreichend elektrische Primärleistung und ggf. einen Leistungsüberschuss zum Wiederaufladen der zumindest einen Traktionsbatterie generieren und bereitstellen zu können, kann weiterhin vorgesehen sein, dass der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag von einem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie abhängig ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein bezüglich des besagten Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie heraufgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht wird, indem der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag erhöht wird. Umgekehrt kann auch vorgesehen sein, dass ein bezüglich des besagten Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie herabgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht wird, indem der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag verringert wird.
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Weiterhin kann die zumindest eine Brennstoffzelle mittels der FCBK so abhängig von einer Antriebsleistung und/oder abhängig von einem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie kennliniengesteuert werden, dass sie, falls der zumindest eine Traktionsantrieb mit einer Leerlaufleistung betrieben wird, einen von Null abweichenden, vorgegebenen und als Primärleistungsbasisbetrag bezeichneten Grundsockel von elektrischer Primärleistung generiert und bereitstellt. Dadurch wird die mindestens eine Brennstoffzelle auch dann in einem bevorzugten Betriebsbereich betrieben, wenn sich der mindestens eine Traktionsantrieb im Leerlauf befindet oder abgeschaltet ist und somit die angeforderte elektrische Antriebsleistung praktisch Null oder Null ist. Mit anderen Worten wird die Brennstoffzelle dadurch mit einer Grundauslastung betrieben, bei der ein gewisses Maß an elektrischer Primärleistung dauerhaft bzw. solange das Brennstoffzellensystem aktiv ist bereitgestellt wird. Das hat zunächst den Vorteil, dass auch im Leerlauf des zumindest einen Traktionsantriebs ein gewisser Grundsockel von Primärleistung abrufbar bereitsteht, so dass bspw. in einer besonderen Betriebssituationen eines Kraftfahrzeugs, bspw. eine Anfahrsituation, lediglich die verbleibende Leistungsdifferenz durch elektrische Sekundärleistung abgedeckt werden muss. Das führt zu einer spürbaren (messbaren) Entlastung der zumindest einen Traktionsbatterie. Weiterhin kann die im Leerlauf des zumindest einen Traktionsantriebs generierte elektrische Primärleistung (Primärleistungsbasisbetrag) bspw. zum Wiederaufladen der zumindest einen Traktionsbatterie genutzt werden, so dass ein vorgegebener Ladezustand derselben vorgehalten werden kann.
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Um unterschiedliche Ladezustände der zumindest einen Traktionsbatterie abbilden zu können, kann es zweckmäßig sein, wenn der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag von einem vorgegebenen (mittleren) Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie und/oder von einer Differenz von verschiedenen Ladezuständen der zumindest einen Traktionsbatterie abhängig ist. Hierbei kann ein bezüglich des vorgegebenen (mittleren) Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie heraufgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht werden, indem der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag erhöht wird. Umgekehrt kann ein bezüglich des vorgegebenen (mittleren) Ladezustands der zumindest einen Traktionsbatterie herabgesetzter Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie erreicht werden, indem der vorgegebene Primärleistungsbasisbetrag verringert wird.
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Weiter zweckmäßig ist, wenn die FCBK in einem zweiten, sich unterhalb eines oder des besagten ersten Leistungsschwellwerts erstreckenden Leistungsabschnitt des besagten Leistungsbereichs den Wert Null oder im Wesentlichen den Wert Null hat. Dadurch kann die zumindest eine Brennstoffzelle innerhalb des zweiten Leistungsabschnitts so kennliniengesteuert werden, dass sie keine oder praktisch keine elektrische Primärleistung generiert und bereitstellt. Hierbei kann der erste Leistungsschwellwert variabel über den gesamten Leistungsabschnitt einstellbar sein, optional beträgt er 30% der Volllastleistung. Dadurch ist ein Kappungsbereich beschrieben, innerhalb dessen die zumindest eine Brennstoffzelle einen konstanten Betrag (hier Null oder praktisch Null) von elektrischer Primärleistung bereitstellt, und dies sozusagen unabhängig von der tatsächlich angeforderten Antriebsleistung.
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Zweckmäßig ist auch, wenn die FCBK in einem dritten, sich oberhalb eines zweiten Leistungsschwellwerts erstreckenden Leistungsabschnitt des besagten Leistungsbereichs einen konstanten Maximalwert hat. Hierdurch kann die zumindest eine Brennstoffzelle innerhalb des dritten Leistungsabschnitts so kennliniengesteuert werden, dass sie einen maximal bereitstellbaren Primärleistungsbetrag von elektrischer Primärleistung bereitstellt. Hierbei kann der zweite Leistungsschwellwert bevorzugt variabel über den gesamten Leistungsabschnitt einstellbar sein, optional entspricht er jedoch 70% der Volllastleistung des zumindest einen Traktionsantriebs. Dadurch ist ein weiterer Kappungsbereich beschrieben, innerhalb dessen die zumindest eine Brennstoffzelle einen konstanten Betrag (hier größer Null, bevorzugt 100% der von der zumindest einen Brennstoffzelle bereitstellbaren elektrischen Primärleistung) von elektrischer Primärleistung bereitstellt, und dies sozusagen unabhängig von der tatsächlich angeforderten Antriebsleistung.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die FCBK von einem Ladezustand der zumindest einen Traktionsbatterie abhängig ist. Dadurch kann abhängig vom Batterieladezustand elektrische Primärleistung bereitgesellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die FCBK von einer Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems abhängig sein, so dass elektrische Primärleistung auch temperaturabhängig bereitgesellt wird. Weiter alternativ oder zusätzlich kann die FCBK auch von einem Batteriefertigungsalter zumindest einer Traktionsbatterie abhängig sein, so dass abhängig vom Batteriezustand elektrische Primärleistung bereitgestellt wird. Ferner kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die FCBK von einer Batterieladezyklen-Anzahl zumindest einer Traktionsbatterie abhängig ist, so dass abhängig vom Batteriezustand elektrische Primärleistung bereitgesellt wird. Es kann auch zweckmäßig sein, wenn die FCBK alternativ oder zusätzlich abhängig ist von einer Brennstoffzellen-Kühlmitteltemperatur zumindest einer Brennstoffzelle, so dass abhängig vom Brennstoffzellenzustand elektrische Primärleistung bereitgesellt wird. Ferner kann man sich vorstellen, dass die FCBK alternativ oder zusätzlich abhängig ist von einer Batterie-Kühlmitteltemperatur zumindest einer Traktionsbatterie, so dass abhängig vom Batteriezustand elektrische Primärleistung bereitgesellt wird. Hierdurch ist die Kennliniensteuerung der zumindest einen Brennstoffzelle von weiteren, für das Brennstoffzellensystem relevanten Größen abhängig, so dass sich der Betrieb der Brennstoffzelle auch mit Rücksicht auf diese Grö-ßen führen lässt.
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Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Traktionsbatterie mittels der von zumindestens einer Brennstoffzelle bereitgestellten elektrischer Primärleistung aufgeladen wird, falls die angeforderte Antriebsleistung betragsmäßig kleiner ist, als die zu diesem Zeitpunkt durch die Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Primärleistung. Dadurch kann die zumindest eine Traktionsbatterie bei einem von der zumindest einen Brennstoffzelle generierten Überschuss von elektrischer Primärleistung, was bspw. bei einem plötzlichen Lastwechsel an zumindest einem Traktionsantrieb denkbar ist, wieder aufgeladen werden.
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Ein weiterer Grundgedanke, der zusätzlich oder alternativ zum vorstehenden Grundgedanke realisierbar ist, liegt darin, ein Computerprogrammprodukt anzugeben, welches Befehle aufweist, die bei der Ausführung des Programms oder Programmprodukts durch einen Computer oder einen Fahrzeugcomputer eines Kraftfahrzeugs, insb. eine Leistungsmanagementeinrichtung, diesen veranlassen, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Ein derartiges Computerprogrammprodukt kann bspw. in einer Leistungsmanagementeinrichtung eines Brennstoffzellensystems implementiert sein, um das vorstehend beschriebene Verfahren in einem Brennstoffzellensystem auszuführen. Zweckmäßigerweise kann das Computerprogrammprodukt auch in einem Fahrzeugcomputer eines Kraftfahrzeugs implementiert sein, dieser kann zweckmäßigerweise einen Bestandteil einer Leistungsmanagementeinrichtung eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges bilden.
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Ein anderer weiterer Grundgedanke, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehenden Grundgedanken realisierbar ist, liegt darin, ein in einem Kraftfahrzeug integriertes Brennstoffzellensystem anzugeben, das zumindest mit einer elektrische Primärleistung generierenden Brennstoffzelle, zumindest einer elektrische Sekundärleistung bereitstellenden wiederaufladbaren Traktionsbatterie, zumindest einem Traktionsantrieb und einer Leistungsmanagementeinrichtung, mit welcher die zumindest eine Brennstoffzelle, die zumindest eine Traktionsbatterie und der zumindest eine Traktionsantrieb elektrisch gekoppelt ist, ausgerüstet ist. Die besagte Leistungsmanagementeinrichtung ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, das vorstehend beschriebene Computerprogrammprodukt und/oder das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Damit ist eine bevorzugte Implementierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer Leistungsmanagementeinrichtung eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs angegeben. Daher ist das Kraftfahrzeug sozusagen dazu eingerichtet, das vorstehende Verfahren zu verwenden.
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Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei welchem das Brennstoffzellensystem zumindest mit einer elektrische Primärleistung generierenden Brennstoffzelle, zumindest einer elektrische Sekundärleistung bereitstellenden, wiederaufladbaren Traktionsbatterie, zumindest einem Traktionsantrieb und einer Leistungsmanagementeinrichtung, mit welcher die zumindest eine Brennstoffzelle, die zumindest eine Traktionsbatterie und der zumindest eine Traktionsantrieb elektrisch gekoppelt sind, bereitgestellt wird, wobei die zumindest eine Brennstoffzelle kennliniengesteuert wird. Die Erfindung betrifft außerdem zweckmäßigerweise ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer oder einen Fahrzeugcomputer eines Kraftfahrzeugs, diesen veranlassen, das vorstehende Verfahren auszuführen. Außerdem betrifft die Erfindung weiter zweckmäßigerweise ein in ein Kraftfahrzeug integriertes Brennstoffzellensystem zum Ausführen des vorstehenden Verfahrens.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein Diagramm zur Darstellung einer FCBK, wobei die Abszisse eine auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normierte elektrische Antriebsleistung innerhalb eines Leistungsbereichs eines Traktionsantriebs und die Ordinate eine auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normierte elektrische Primärleistung mindestens einer Brennstoffzelle zeigt,
- 3 ein weiteres Diagramm zur Darstellung abgewandelter FCBKen, wobei die Abszisse eine auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normierte Antriebsleistung innerhalb eines Leistungsbereichs eines Traktionsantriebs und die Ordinate eine auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normierte elektrische Primärleistung mindestens einer Brennstoffzelle zeigt,
- 4 bis 6 jeweils ein Diagramm zur Darstellung der bei unterschiedlichen Leistungskurven bereitgestellten elektrischen Primärleistungen und elektrischen Sekundärleistungen über der Zeit.
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Die 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Brennstoffzellensystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellensystem 1 ist exemplarisch in einem nicht illustrierten Kraftfahrzeug 23 integriert und weist eine elektrische Primärleistung 2 generierende Brennstoffzelle 3, eine elektrische Sekundärleistung 4 bereitstellende, wiederaufladbare Traktionsbatterie 5, zumindest einen Traktionsantrieb 6 zum Bereitstellen einer Antriebsleistung 10 und eine Leistungsmanagementeinrichtung 7 auf, die elektrische Antriebsleistung 9 aus elektrischer Primärleistung 2 und/oder elektrischer Sekundärleistung 4 zur Bereitstellung der Antriebsleistung 10 am Traktionsantrieb 6 bereitstellt. Die besagten Komponenten 3, 5, 6, 7 sind zweckmäßigerweise jeweils durch ein Kästchen symbolisiert, die besagten Leistungen 2, 4, 9, 10 jeweils durch einen die Haupttransportrichtungen anzeigenden Pfeil oder Doppelpfeil. Die Brennstoffzelle 3, die Traktionsbatterie 5 und der Traktionsantrieb 6 sind elektrisch mit der Leistungsmanagementeinrichtung 7 gekoppelt, so dass letztere bspw. eine Steuerung und/oder Regelung, insb. eine Kennliniensteuerung der Brennstoffzelle 3 gemäß dem nachfolgend noch erläuterten Verfahren, der Brennstoffzelle 3, die Traktionsbatterie 5 und der Traktionsantrieb 6 realisieren kann.
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Das in 2 dargestellte Diagramm veranschaulicht mehrere Kennlinien für ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 aus 1, wobei die Brennstoffzelle 3 insb. mittels der Leistungsmanagementeinrichtung 7 kennliniengesteuert wird, was z.B. einen wirkungsgradgerechten Betrieb der Brennstoffzelle 3 in einem für die Brennstoffzelle 3 energieeffizienten Betriebsbereich, insb. einem mittleren Leistungsbereich, erlaubt. Nach dem besagten Verfahren ist exemplarisch vorgesehen, dass die Brennstoffzelle 3 in Abhängigkeit einer im Diagramm mit der Bezugsziffer 8 beschrifteten und nachfolgend als FCBK bezeichneten, von einer Antriebsleistung abhängigen und/oder von einem Ladezustand der Traktionsbatterie 5 abhängigen Brennstoffzellen-Betriebskennlinie betrieben wird, d.h. elektrische Primärleistung 2 bereitstellt. Die FCBK 8 ist rein exemplarisch durch eine Gerade 16 realisiert, die sich mit konstanter, positiver Steigung kleiner als Eins und größer als Null und mit einem vorgegebenen Nullpunktversatz gegenüber der Abszisse über einen ersten Leistungsabschnitt 15 eines auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 (0% und 100%) normierten, an der Abszisse aufgetragenen Leistungsbereichs 13 des Traktionsantriebs 6 erstreckt. Die FCBK 8 könnte auch durch eine lineare Funktion oder eine nichtlineare Funktion oder eine Reihe von interpolierbaren Stützpunkten realisiert sein und/oder eine Steigung von Null aufweisen, was vorliegend allerdings nicht illustriert ist. Der besagte Leistungsbereich 13 des Traktionsantriebs 6 bildet die realisierbaren Antriebsleistungen 10 des Traktionsantriebs 6 zwischen einerseits einer Leerlaufleistung 11 (bei 0%) des Traktionsantriebs 6 und andererseits einer Volllastleistung 12 (bei 100%) des Traktionsantriebs 6 ab. Mit anderen Worten stellt der Leistungsbereich 13 also das Leistungsvermögen des Traktionsantriebs 6 dar. Vorliegend erstreckt sich der erste Leistungsabschnitt 15 über den gesamten Leistungsbereich 13, so dass die Brennstoffzelle 3 also über den gesamten Leistungsbereich 13 des Traktionsantriebs 6 mittels der durch die Gerade 16 realisierte FCBK 8 kennliniengesteuert wird.
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Dadurch ist es mittels der FCBK 8 möglich, die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert zu betreiben, dass innerhalb des ersten Leistungsabschnitts 15 elektrische Primärleistung 2 bereitgestellt wird, die sich aus einem, auf den Nullpunktversatz zurückzuführenden, konstanten Primärleistungsbasisbetrag 17 und aus einem für wachsende, bereitzustellende Antriebsleistungen 10 gemäß der vorgegebenen Steigung der Geraden 16 proportional mitwachsenden Primärleistungszusatzbetrag 18 zusammensetzt. Dies ist im Diagramm in 2 für eine frei vorgegebene Antriebsleistung 10 exemplarisch eingetragen. Der besagte Primärleistungsbasisbetrag 17 beschreibt einen Grundsockel von elektrischer Primärleistung 2, welcher im Traktionsbetrieb stets von der Brennstoffzelle 3 generiert und bereitgestellt wird, während der besagte Primärleistungszusatzbetrag 18 einen von der Antriebsleistung abhängigen und/oder von einem Ladezustand der Traktionsbatterie 5 abhängigen variablen Betrag der elektrischen Primärleistung 2 darstellt. Somit können innerhalb des ersten Leistungsabschnitts 15 für wachsende, angeforderte elektrische Antriebsleistungen 9 zur Generierung einer bereitzustellenden Antriebsleistungen 10 des Traktionsantriebs 6 stets konstant mitwachsende elektrische Primärleistungen 2 bereitgestellt werden.
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Da die Antriebsleistung 9 durch die von der Brennstoffzelle 3 generierte und bereitgestellte elektrische Primärleistung 2 ggf. nur zumindest anteilig abgedeckt wird, ist vorgesehen, dass eine Leistungsdifferenz 14 zwischen der elektrischen Antriebsleistung 9 und der tatsächlich bereitgestellten elektrischen Primärleistung 2 durch elektrische Sekundärleistung 4 bereitgestellt wird. Dadurch setzt sich die elektrische Antriebsleistung 9, zumindest für den Fall, dass die Brennstoffzelle 3 nicht die gesamte angeforderte elektrische Antriebsleistung 9 bereitstellt, aus elektrischer Primärleistung 2 und aus elektrischer Sekundärleistung 4 zusammen.
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In 2 sind zwei weitere FCBKs 8 eingezeichnet, wobei eine nach oben hin verschobene FCBK 8 mit der Bezugsziffer 24 (gestrichelte Linie) gekennzeichnet und eine nach unten hin verschobene FCBK 8 mit der Bezugsziffer 25 (strichpunktierte Linie) beschriftet ist. Man kann erkennen, dass zwar die Steigung der Graden 16 dieser beiden FCBKs 8, 24, 25 konstant geblieben ist, jedoch der Nullpunktversatz bei der oberen FCBK 8, 24 vergrößert ist, so dass eine entsprechend kennliniengesteuerte Brennstoffzelle 3 einen größeren, konstanten Grundsockel (elektrischer Primärleistungsbasisbetrag 17) von elektrischer Primärleistung 2 bereitstellt. Der Nullpunktversatz der unteren FCBK 8, 25 ist dagegen verkleinert, so dass eine entsprechend kennliniengesteuerte Brennstoffzelle 3 einen kleineren, konstanten Grundsockel (elektrischer Primärleistungsbasisbetrag 17) von elektrischer Primärleistung 2 bereitstellt. Hierdurch kann mittels der Brennstoffzelle 3 ein vorgegebener Betrag von elektrischer Primärleistung 2 von einer Antriebsleistung unabhängig und somit ggf. ein Leistungsüberschuss zum Wiederaufladen der Traktionsbatterie 5 generiert und bereitgestellt werden, so dass sich die Traktionsbatterie 5 bspw. auf einem vorgegebenen Ladezustand betreiben lässt.
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Das in 3 dargestellte Diagramm veranschaulicht weitere, gegenüber den im Diagramm aus 2 beschriebenen FCBKs 8, 24, 25 abweichende FCBKs 8, 29, 30. So weist eine weitere, obere FCBK 8, die mit der zusätzlichen Bezugsziffer 29 beschriftet ist, einen ersten Leistungsabschnitt 15 auf, in dem die FCBK 8, 29 durch eine Gerade 16 mit konstanter Steigung und Nullpunktversatz realisiert ist, so wie die FCBKs 8, 24 ,25 aus 2. Jedoch erstreckt sich die Gerade 16 bzw. der Leistungsabschnitt 15 dieser FCBK 8, 29 lediglich teilweise über den Leistungsbereich 13, nämlich oberhalb der Leerlaufleistung 11 und einem zweiten, vorgegebenen Leistungsschwellwerts 20, der exemplarisch 70% der Volllastleistung 12 des Traktionsantriebs 6 entspricht. Demgegenüber ist eine weitere, untere FCBK 8, 30 in einem ersten Leistungsabschnitt 15 durch eine Gerade 16 mit konstanter Steigung und Nullpunktversatz realisiert, wobei sich auch diese Gerade 16 bzw. dieser Leistungsabschnitt 15 lediglich teilweise über den Leistungsbereich 13 erstreckt, nämlich oberhalb eines ersten, vorgegebenen Leistungsschwellwerts 19, der exemplarisch 30% der Volllastleistung 12 des Traktionsantriebs 6 entspricht, bis hin zur Volllastleistung 12. Weiterhin hat die weitere, untere FCBK 8, 30 exemplarisch einen zweiten, sich unterhalb des ersten Leistungsschwellwerts 19 erstreckenden Leistungsabschnitts 21, innerhalb dem die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert wird, dass keine elektrische Primärleistung 2 generiert wird. D.h. die untere FCBK 8, 30 hat im zweiten Leistungsabschnitts 21 den Wert Null. Auch die weitere, obere FCBK 8, 29 hat einen als dritten Leistungsabschnitt 22 bezeichneten, weiteren Leistungsabschnitt, wobei sich dieser oberhalb des zweiten Leistungsschwellwerts 20 erstreckt, innerhalb dem die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert wird, dass ein konstanter Maximalbetrag von elektrischer Primärleistung 2 generiert und bereitgestellt wird.
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Die 4 bis 6 zeigen jeweils in einem Diagramm die im Brennstoffzellensystem 1 bereitgestellten Leistungen 28 bei unterschiedlichen Leistungskurven 26 über der Betriebszeit 27. In 4 ist eine Leistungskurve 26 in Form einer positiven Sprunganregung gegeben, sog. Kickdown, wobei die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert wird, dass abhängig von einer Antriebsleistung ein Grundsockel von elektrischer Primärleistung 2 und ein Betrag von elektrischer Sekundärleistung 4 bereitsteht um die angeforderte Antriebsleistung 9 abzudecken. Im Moment der Sprunganregung setzt sich die bereitgestellte elektrische Antriebsleistung 9 daher aus etwa 30% elektrischer Primärleistung 2 und im Übrigen aus elektrischer Sekundärleistung 4 zusammen. Mit der Zeit steigt der durch die Brennstoffzelle 3 generierte und bereitgestellte Betrag von elektrischer Primärleistung 2, während die bereitgestellte elektrische Sekundärleistung 4 gleichermaßen absinkt. In 5 ist eine Leistungskurve 26 in Form einer negativen Sprunganregung gegeben, sog. Lastabfall, wobei die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert wird, dass zunächst ein Grundsockel von elektrischer Primärleistung 2 generiert ist, der bspw. zum Aufladen der Traktionsbatterie 5 nutzbar ist. Mit der Zeit sinkt der durch die Brennstoffzelle 3 generierte und bereitgestellt Betrag von elektrischer Primärleistung 2 auf einen Grundsockel ab, etwa 30% der angeforderten elektrischen Antriebsleistung 9, der ebenfalls zum Aufladen der Traktionsbatterie genutzt werden kann. Zuletzt zeigt 6 eine Leistungskurve 26 in Form eines negativen Lasthubs, bei dem die Brennstoffzelle 3 so kennliniengesteuert wird, dass ein Betrag von elektrischer Primärleistung 2 generiert wird, der zunächst zum Aufladen der Traktionsbatterie 5 genutzt wird und mit zunehmender Zeit sinkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017007633 A1 [0002]
