DE102022126235A1 - Brennstoffzellenfahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle (3) und eine Batterie (4), wobei unter Berücksichtigung einer mechanischen Kraft an einem Rad (Fmech,Rad) eine mechanische Leistung (Pmech) berechnet wird, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellenfahrzeug (1) mit einer aktuellen, konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit (v) weiter betreiben zu können, wobei die mechanische Leistung (Pmech) ferner unter Berücksichtigung einer Summe aus einem Rollwiderstand (FRoll), einem Luftwiderstand (Fair) und einer Steigung (α) berechnet wird, die durch einen Triebstrangbeobachter (5) bereitgestellt werden, wobei aus der mechanischen Leistung (Pmech) durch Division durch einen Gesamtwirkungsgrad (µ) eines Antriebstranges des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) und Addition eines Leistungsbedarfs (PNeben) elektrischer Nebenverbraucher (8) eine notwendige elektrische Leistung (Pelek) berechnet wird, wobei die notwendige elektrische Leistung (Pelek) durch ein als PT1-Glied ausgebildetes Filter (9) gefiltert und unter Addition einer von einem Ladezustand (SOC) der Batterie (4) abhängigen Kompensationskomponente (KK) als Sollleistung für den Betrieb der Brennstoffzelle (3) verwendet wird, wobei eine Filterkonstante (τ) des Filters (9) abhängig von einem Gesundheitszustand (SOH) der Batterie (4) und der Brennstoffzelle (3) so modifiziert wird, dass deren Lebensdauer optimiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
• Ein Brennstoffzellenfahrzeug hat zwei Energiequellen: Eine Brennstoffzelle, die bestenfalls mit sich langsam ändernden Leistungen betrieben wird, und eine leistungsstarke Batterie, die Leistungsspitzen aufnehmen und abgeben kann. Für einen für die Brennstoffzelle optimalen Betrieb müsste die Brennstoffzelle mit der durchschnittlich nötigen Leistung konstant betrieben werden und die Batterie müsste die notwendige Spitzenleistung liefern oder auch Leistungssenken entsprechend aufnehmen.
• Ein solcher Betrieb ist jedoch nicht möglich, da die Batterie endlich groß ist und bei langen Bergauffahrten teilweise nicht genug Energie vorhanden sein kann. Außerdem wäre in der Batterie bei langen Bergabfahrten nicht genug Ladekapazität vorhanden, um die komplette Rekuperationsenergie aufzunehmen, was dazu führen würde, dass Bremsenergie in Wärme umgewandelt werden müsste. Zudem ist die durchschnittliche benötigte Leistung für die Zukunft gegebenenfalls nicht bekannt.
• Eine simple Lösung dafür ist, abhängig vom Ladezustand (SOC) der Batterie, die angeforderte Leistung anzuheben oder abzusenken und so auf den sich ändernden Energiebedarf zu reagieren. Diese Strategie hat den Nachteil, stark verzögert zu reagieren, und so wird beispielsweise bei einer langen Bergauffahrt erst bei bereits stark reduziertem Ladezustand die benötigte Leistung der Brennstoffzelle angefordert. Dies führt wiederum dazu, dass die Brennstoffzelle in einem höheren, und dadurch weniger effizienten Leistungsbereich betrieben werden muss als eigentlich nötig wäre.
• Eine zweite simple Lösung besteht darin, die Brennstoffzelle abhängig vom aktuell nötigen Leistungsbedarf anzufordern. Dies führte aber zu stark schwankenden Anforderungen, da dabei auch kurze Beschleunigungsvorgänge, beispielweise durch viele Anfahrten im Stadtverkehr, berücksichtigt würden.
• US 2013/096764 A beschreibt, dass ein motorisiertes Fahren, das nur einen Abtrieb einer rotierenden elektrischen Maschine verwendet, die die Energie einer am Fahrzeug montierten Energiespeichervorrichtung nutzt, auf ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug in einem Bereich innerhalb einer maximalen Ausgangsleistungskurve beim motorisierten Fahren anwendbar ist. Die maximale Ausgangsleistungskurve umfasst gerade Linienabschnitte, die ein oberes Grenzdrehmoment und eine obere Grenzfahrzeuggeschwindigkeit definieren, und einen gekrümmten Linienabschnitt, der eine obere Grenzausgangsleistung beim motorisierten Fahren definiert. Wenn ein oberer Ausgangsleistungsgrenzwert von der Energiespeichervorrichtung aufgrund einer Erhöhung einer Stromlast oder einer Verringerung des SOC der Energiespeichervorrichtung begrenzt wird, wird ein Antriebsbereich, auf den ein motorisiertes Fahren anwendbar ist, eingeengt. Ein Betrieb in einem Hochdrehzahlbereich, in dem die Effizienz verringert ist, wird vermieden, indem die obere Grenzfahrzeuggeschwindigkeit beim motorisierten Fahren in Reaktion auf den SOC und/oder die aktuelle Last der Energiespeichervorrichtung geändert wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sowie ein neuartiges Brennstoffzellenfahrzeug anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle und eine Batterie, wird unter Berücksichtigung einer mechanischen Kraft an einem Rad eine mechanische Leistung berechnet, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellenfahrzeug mit einer aktuellen, konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit weiter betreiben zu können. Erfindungsgemäß wird die mechanische Leistung ferner unter Berücksichtigung einer Summe aus einem Rollwiderstand, einem Luftwiderstand und einer Steigung berechnet, die durch einen Triebstrangbeobachter bereitgestellt werden, wobei aus der mechanischen Leistung durch Division durch einen Gesamtwirkungsgrad eines Antriebstranges des Brennstoffzellenfahrzeugs und Addition eines Leistungsbedarfs elektrischer Nebenverbraucher eine notwendige elektrische Leistung berechnet wird, wobei die notwendige elektrische Leistung durch ein als PT1-Glied ausgebildetes Filter gefiltert und unter Addition einer von einem Ladezustand der Batterie abhängigen Kompensationskomponente als Sollleistung für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird, wobei eine Filterkonstante des Filters abhängig von einem Gesundheitszustand der Batterie und der Brennstoffzelle so modifiziert wird, dass deren Lebensdauer optimiert wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der Betrieb der Brennstoffzelle abhängig vom aktuell beobachteten Fahrwiderstand für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle und zur Reduzierung von Spitzenlasten der Batterie.
• Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die optimierte Leistungsanforderung einer Brennstoffzelle zum effizienten Betrieb unter Berücksichtigung der Batteriegrenzen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle und eine Batterie, und
• 2 ein schematisches Diagramm mit einem Kennfeld.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs 1, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, beschrieben, das mindestens eine Brennstoffzelle 3 und mindestens eine Batterie 4 aufweist.
• 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Brennstoffzellenfahrzeugs 1, umfassend eine elektrische Maschine 2 als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle 3 und eine Batterie 4.
• Zunächst soll in einer Fahrleistungs-Berechnungseinheit 7 eine mechanische Leistung P_mech berechnet werden, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellenfahrzeug 1 mit einer aktuellen, konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit v weiter betreiben zu können. Dadurch werden Beschleunigungsvorgänge für die Leistungsanforderung ignoriert. Diese nötige mechanische Leistung ist die Summe aus Rollwiderstand F_Roll, Luftwiderstand F_air und Hangabtriebskraft und kann aus einer mechanischen Kraft an einem Rad F_mech,Rad und der Fahrzeuggeschwindigkeit v berechnet werden. $$F_{mech,Rad}=F_{Roll}+F_{air}+mg\text{ cos }\alpha$$

  

  $$P_{mech}=F_{mech,Rad}v$$

  

  Dabei ist m die Fahrzeugmasse und g die Fallbeschleunigung. Der Rollwiderstand F_Roll, der Luftwiderstand F_air und die Steigung α werden bereits für eine automatisierte Schaltung des Fahrzeugs durch einen Triebstrangbeobachter 5 aus einem Moment M und einer Drehzahl n der elektrischen Maschine 2 berechnet und werden als bekannt vorausgesetzt. Eine mittels eines Sensors 6 ermittelte Beschleunigung a wird zunächst ignoriert.
• Um aus der notwendigen mechanischen Leistung P_mech eine notwendige elektrische Leistung P_elek zu berechnen, muss noch durch einen Gesamtwirkungsgrad µ eines Antriebstranges des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 dividiert und ein Leistungsbedarf P_Neben elektrischer Nebenverbraucher 8 hinzuaddiert werden. $$P_{elek}=\frac{P_{mech}}{\mu }+P_{Neben}$$

  

  Diese notwendige elektrische Leistung P_elek wird gegebenenfalls noch durch ein Filter 9, insbesondere ein PT1-Glied, gefiltert und bildet als gefilterte elektrische Leistung P'_elek die Basis für den Betrieb der Brennstoffzelle 3. Hinzu kommt noch eine in einem Kompensationsglied 11 bestimmte Kompensationskomponente KK, die abhängig vom Ladezustand SOC der Batterie 4 in einem Additionsglied 10 als zusätzliche Leistung hinzuaddiert oder abgezogen wird, um nachzuregeln.
• In Summe erhält man ein Kennfeld, das abhängig vom Ladezustand und der berechneten notwendigen elektrischen Leistung P_elek ist. 2 ist ein schematisches Diagramm mit dem Kennfeld, wobei die elektrische Leistung P_elek der Brennstoffzelle 3 in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC der Batterie 4 dargestellt ist. Dabei ist eine Kennlinie KL1 für eine hohe mechanische Leistung P_mech, eine Kennlinie KL2 für eine mittlere mechanische Leistung P_mech und eine Kennlinie KL3 für eine geringe mechanische Leistung P_mech dargestellt.
• Entscheidend für die Belastungen über die Lebensdauer der Komponenten Batterie 4 und Brennstoffzelle 3 ist die Wahl einer Filterkonstante τ des Filters 9, insbesondere des PT1-Glieds, in einer Balancing-Einheit 12, die den Gesundheitszustand SOH der Brennstoffzelle 3 und der Batterie 4 überwacht. Wird eine große Filterkonstante τ gewählt, so wird die Brennstoffzelle 3 annähernd konstant betrieben, die Batterie 4 muss jedoch mehr Leistung liefern und wird häufiger an ihren Kapazitätsgrenzen betrieben. Bei kleiner Filterkonstante τ wird die Brennstoffzelle 3 mit größeren Leistungsänderungen betrieben, was sich negativ auf ihre Lebensdauer auswirkt. Die Batterie 4 wiederum wird dabei sowohl durch weniger Leistung als auch durch selteneren oder gar keinen Betrieb an den Kapazitätsgrenzen geschont. Eine Balancierung der Lebensdauer der beiden Komponenten Batterie 4 und Brennstoffzelle 3 erfolgt somit über die Modifikation der Filterkonstante τ.
• Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenfahrzeug

2

elektrische Maschine

3

Brennstoffzelle

4

Batterie

5

Triebstrangbeobachter

6

Sensor

7

Fahrleistungs-Berechnungseinheit

8

elektrische Nebenverbraucher

9

Filter

10

Additionsglied

11

Kompensationsglied

12

Balancing-Einheit

a

Beschleunigung

Fair

Luftwiderstand

FRoll

Rollwiderstand

KK

Kompensationskomponente

KL1 bis KL3

Kennlinie

m

Fahrzeugmasse

M

Moment

n

Drehzahl

Pelek

elektrische Leistung

P'elek

gefilterte elektrische Leistung

PNeben

Leistungsbedarf

SOC

Ladezustand

SOH

Gesundheitszustand

α

Steigung

τ

Filterkonstante

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2013096764 A [0006]

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle (3) und eine Batterie (4), wobei unter Berücksichtigung einer mechanischen Kraft an einem Rad (F_mech,Rad) eine mechanische Leistung (P_mech) berechnet wird, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellenfahrzeug (1) mit einer aktuellen, konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit (v) weiter betreiben zu können, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Leistung (P_mech) ferner unter Berücksichtigung einer Summe aus einem Rollwiderstand (F_Roll), einem Luftwiderstand (F_air) und einer Steigung (α) berechnet wird, die durch einen Triebstrangbeobachter (5) bereitgestellt werden, wobei aus der mechanischen Leistung (P_mech) durch Division durch einen Gesamtwirkungsgrad (µ) eines Antriebstranges des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) und Addition eines Leistungsbedarfs (P_Neben) elektrischer Nebenverbraucher (8) eine notwendige elektrische Leistung (P_elek) berechnet wird, wobei die notwendige elektrische Leistung (P_elek) durch ein als PT1-Glied ausgebildetes Filter (9) gefiltert und unter Addition einer von einem Ladezustand (SOC) der Batterie (4) abhängigen Kompensationskomponente (KK) als Sollleistung für den Betrieb der Brennstoffzelle (3) verwendet wird, wobei eine Filterkonstante (τ) des Filters (9) abhängig von einem Gesundheitszustand (SOH) der Batterie (4) und der Brennstoffzelle (3) so modifiziert wird, dass deren Lebensdauer optimiert wird.
2. Brennstoffzellenfahrzeug (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) als Antriebsaggregat, eine Brennstoffzelle (3) und eine Batterie (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 konfiguriert ist.
3. Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug (1) als ein Nutzfahrzeug ausgebildet ist.

Images