DE102022132851B3 - Method and device for thermal management of a fuel cell system of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, wobei anhand eines physikalischen Modells unter Berücksichtigung einer aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs und vorliegender Umgebungsbedingungen eine Wärmeleistung eines Gesamt-Kühlsystems des Fahrzeugs geschätzt wird, wobei eine Wärmeleistung (Q̇ECO) in einem ECO-Modus, die ohne Zuschaltung eines oder mehrerer Nebenverbraucher, einschließlich mindestens eines Lüfters (4), abführbar ist, und eine Wärmeleistung (Q̇POWER) des Gesamt-Kühlsystems in einem Power-Modus, die bei Zuschaltung eines oder mehrerer Nebenverbraucher, einschließlich mindestens eines Lüfters (4), abführbar ist, ermittelt wird, wobei in einem Energiemanagementsystem (ENM) auf Basis dieser Wärmeleistungen (Q̇ECO, Q̇POWER) eine aktuell vom Brennstoffzellensystem abrufbare Solleistung (Ps) ermittelt und entschieden wird, ob das Brennstoffzellensystem im ECO-Modus oder im Power-Modus betrieben wird, wobei mittels einer heuristischen Logik ermittelt wird, wieviel Energie die zur Kühlung benötigten Nebenverbraucher aktuell benötigen, um einen Kennwert (KW) zu ermitteln, der besagt, wieviel elektrische Leistung aktuell für das Abführen einer gewissen Wärmeleistung eingesetzt werden muss, wobei bei einem Wert von mehr als 1kW elektrischer Leistung pro kW abgeführter Wärmeleistung die Leistung des Brennstoffzellensystems nicht erhöht wird.The invention relates to a method for the thermal management of a fuel cell system of a vehicle, wherein a thermal output of an overall cooling system of the vehicle is estimated using a physical model, taking into account a current driving situation of the vehicle and existing environmental conditions, wherein a thermal output (Q̇ECO) in an ECO mode, which can be dissipated without switching on one or more auxiliary consumers, including at least one fan (4), and a heat output (Q̇POWER) of the overall cooling system in a power mode, which when one or more auxiliary consumers are switched on, including at least one fan (4) , can be dissipated, is determined, with a target power (Ps) currently available from the fuel cell system being determined in an energy management system (ENM) based on these heat outputs (Q̇ECO, Q̇POWER) and a decision being made as to whether the fuel cell system is operated in ECO mode or in power mode is used, using heuristic logic to determine how much energy the auxiliary consumers currently require for cooling, in order to determine a characteristic value (KW), which states how much electrical power currently has to be used to dissipate a certain heat output, with a value of more than 1 kW of electrical power per kW of heat output dissipated, the performance of the fuel cell system is not increased.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 10.The invention relates to a method for thermal management of a fuel cell system of a vehicle according to the preamble of
Ein Brennstoffzellensystem erzeugt im Betrieb Abwärme, die durch ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Bei kalten Außentemperaturen oder im Warmlauf muss das Brennstoffzellen-System andererseits zunächst aufgewärmt werden. Ein Brennstoffzellensystem benötigt daher ein Thermomanagementsystem, um immer im richtigen Temperaturbereich arbeiten zu können.A fuel cell system generates waste heat during operation, which must be dissipated by a cooling system. On the other hand, when the outside temperatures are cold or when warming up, the fuel cell system must first be warmed up. A fuel cell system therefore requires a thermal management system in order to always be able to work in the correct temperature range.
Die Kühlfähigkeit eines Thermomanagementsystems hat Grenzen. Das Thermomanagementsystem kann jedoch je nach Umgebungsbedingung (Außentemperatur) und Fahrsituation (Fahrgeschwindigkeit, Verkehr) unterschiedliche Wärmemengen an die Umgebung abführen. Die Brennstoffzelle selbst verliert im Laufe der Lebensdauer an Wirkungsgrad und erzeugt dadurch immer mehr Abwärme bei annähernd gleichbleibender erzeugter elektrischer Energie. Würde ein Thermomanagementsystem für ein Brennstoffzellen-System so ausgelegt werden, dass es in allen Lebenslagen und bei allen Alterungszuständen der Brennstoffzelle die maximal mögliche Abwärme des Brennstoffzellen-Systems abführen kann, so würde es enorm groß, schwer und teuer und somit ineffizient. Mit einer moderaten Auslegung eines Thermomanagementsystems kann es also dazu kommen, dass nicht in allen Lebenslagen die volle Brennstoffzellen-Leistung abgerufen werden kann. Dies kann zu Überhitzungen des Brennstoffzellen-Systems und Lebensdauereinbußen führen. Außerdem besteht in manchen Situationen die Möglichkeit, dass die Abwärme abgeführt werden könnte, der Energiebedarf für die verwendeten Nebenaggregate dabei aber so hoch wäre, dass es aus energetischer Sicht keinen Sinn macht. Die Leistung des Brennstoffzellen-Systems muss in solchen Situationen deshalb zurückgeregelt werden.The cooling ability of a thermal management system has limits. However, the thermal management system can dissipate different amounts of heat to the environment depending on the ambient conditions (outside temperature) and driving situation (driving speed, traffic). The fuel cell itself loses efficiency over its service life and therefore generates more and more waste heat while the electrical energy generated remains almost the same. If a thermal management system for a fuel cell system were to be designed in such a way that it can dissipate the maximum possible waste heat from the fuel cell system in all situations and in all states of aging of the fuel cell, it would be enormously large, heavy and expensive and therefore inefficient. With a moderate design of a thermal management system, the full fuel cell performance may not be available in all situations. This can lead to overheating of the fuel cell system and a loss of service life. In addition, in some situations there is the possibility that the waste heat could be dissipated, but the energy requirement for the auxiliary units used would be so high that it makes no sense from an energy perspective. The performance of the fuel cell system must therefore be reduced in such situations.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs anzugeben.The invention is based on the object of specifying a novel method and a novel device for thermal management of a fuel cell system of a vehicle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10.The object is achieved according to the invention by a method for thermal management of a fuel cell system of a vehicle with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs wird anhand eines physikalischen Modells unter Berücksichtigung einer aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs und vorliegender Umgebungsbedingungen eine Wärmeleistung eines Gesamt-Kühlsystems des Fahrzeugs geschätzt. Erfindungsgemäß wird eine Wärmeleistung in einem ECO-Modus, die ohne Zuschaltung eines oder mehrerer Nebenverbraucher, einschließlich mindestens eines Lüfters und beispielsweise einschließlich mindestens eines Ventils, abführbar ist, und eine Wärmeleistung des Gesamt-Kühlsystems in einem Power-Modus, die bei Zuschaltung eines oder mehrerer Nebenverbraucher, einschließlich mindestens eines Lüfters und beispielsweise einschließlich mindestens eines Ventils, abführbar ist, ermittelt, wobei in einem Energiemanagementsystem, das beispielsweise mit Hilfe eines aktuellen Batterie-Ladezustands (SOC) und aktuellen Fahrwiderständen, welche sich aus der Summe von Luft-, Roll- und Steigungswiderstand zusammensetzen, eine von der Wärmeleistung unabhängige Brennstoffzellen-Sollleistung berechnet, auf Basis dieser Wärmeleistungen eine oder diese aktuell vom Brennstoffzellensystem abrufbare und gegebenenfalls durch die Wärmeleistung eingeschränkte Sollleistung ermittelt und entschieden wird, ob das Brennstoffzellensystem im ECO-Modus oder im Power-Modus betrieben wird, wobei mittels einer heuristischen Logik ermittelt wird, wieviel Energie die zur Kühlung benötigten Nebenverbraucher aktuell benötigen, um einen Kennwert zu ermitteln, der besagt, wieviel elektrische Leistung aktuell für das Abführen einer gewissen Wärmeleistung eingesetzt werden muss, wobei bei einem Wert von mehr als 1kW elektrischer Leistung pro kW abgeführter Wärmeleistung die Leistung des Brennstoffzellensystems nicht erhöht wird.In a method according to the invention for thermal management of a fuel cell system of a vehicle, a thermal output of an overall cooling system of the vehicle is estimated using a physical model, taking into account a current driving situation of the vehicle and existing environmental conditions. According to the invention, a heat output in an ECO mode, which can be dissipated without switching on one or more auxiliary consumers, including at least one fan and, for example, including at least one valve, and a heat output of the overall cooling system in a power mode, which can be dissipated when one or more auxiliary consumers are switched on several auxiliary consumers, including at least one fan and, for example, including at least one valve, can be dissipated, wherein in an energy management system, for example with the help of a current battery state of charge (SOC) and current driving resistances, which are the sum of air, roll - and slope resistance, a fuel cell target power independent of the thermal output is calculated, based on these heat outputs, a target power that is currently available from the fuel cell system and possibly limited by the thermal output is determined and a decision is made as to whether the fuel cell system is in ECO mode or in power mode is operated, using heuristic logic to determine how much energy the additional consumers required for cooling currently need in order to determine a characteristic value that says how much electrical power currently has to be used to dissipate a certain heat output, with a value of more than 1 kW of electrical power per kW of heat output dissipated, the performance of the fuel cell system is not increased.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem Wert von deutlich weniger als 1 kW elektrischer Leistung pro kW abgeführter Wärmeleistung, insbesondere bei höchstens 0,2 kW elektrischer Leistung pro kW Wärmeleistung, das Energiemanagementsystem die angeforderte Sollleistung der Brennstoffzelle erhöht.In one embodiment it is provided that at a value of significantly less than 1 kW of electrical power per kW of heat output dissipated, in particular at a maximum of 0.2 kW of electrical power per kW of heat output, the energy management system increases the requested target power of the fuel cell.
In einer Ausführungsform wird für die aktuelle Fahrsituation eine Fahrgeschwindigkeit und/oder eine Temperatur eines Kühlmediums berücksichtigt.In one embodiment, a driving speed and/or a temperature of a cooling medium is taken into account for the current driving situation.
In einer Ausführungsform wird als Umgebungsbedingung eine Umgebungstemperatur berücksichtigt.In one embodiment, an ambient temperature is taken into account as an ambient condition.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energiemanagementsystem anhand eines Kennfelds, welches die aktuell vorliegende Alterung des Brennstoffzellensystems berücksichtigt, auf die mögliche elektrische Leistung der Brennstoffzelle zurückrechnet und diese bei der Brennstoffzelle anfordert.In one embodiment, it is provided that the energy management system uses a map that takes into account the current aging of the fuel cell system to calculate the possible electrical power of the fuel cell and requests this from the fuel cell.
In einer Ausführungsform wird aus einer aktuellen Abwärme des Brennstoffzellensystems eine Schätzung für einen von ein oder mehreren Pumpen zu erbringenden Massenstrom des Kühlmediums geschätzt, der bei der Schätzung durch ein oder mehrere Kühler abführbarer Wärme zusätzlich zu der aktuellen Fahrsituation und der vorliegenden Umgebungsbedingungen berücksichtigt wird.In one embodiment, an estimate of a mass flow of the cooling medium to be provided by one or more pumps is estimated from current waste heat from the fuel cell system, which is taken into account in addition to the current driving situation and the existing ambient conditions when estimating heat that can be dissipated by one or more coolers.
In einer Ausführungsform kann bei einer geringen Abwärme des Brennstoffzellensystems mit Hilfe eines oder mehrere Ventile die erforderliche Soll-Temperatur am Brennstoffzellensystem-Eingang eingestellt werden.In one embodiment, if the waste heat from the fuel cell system is low, the required target temperature at the fuel cell system input can be set using one or more valves.
In einer Ausführungsform wird bei der Ermittlung zusätzlich für den mindestens einen Lüfter benötigter Abwärme eine aktuelle Abwärme des Brennstoffzellensystems und eine durch ein oder mehrere Kühler abführbare Wärme berücksichtigt.In one embodiment, when determining the waste heat required for the at least one fan, current waste heat from the fuel cell system and heat that can be dissipated by one or more coolers are also taken into account.
In einer Ausführungsform wird aus der für den mindestens einen Lüfter benötigten Abwärme ein Massenstrom geschätzt, der durch den mindestens einen Lüfter zu erbringen ist, um daraus eine energieoptimale Aufteilung der Massenströme auf die Lüfter und eine entsprechende Ansteuerung der Lüfter zu bestimmen.In one embodiment, a mass flow that is to be provided by the at least one fan is estimated from the waste heat required for the at least one fan in order to determine an energy-optimal distribution of the mass flows among the fans and a corresponding control of the fans.
In einer Ausführungsform wird eine Vorhersage für eine vorausliegende Fahrstrecke getroffen, wobei anhand einer geplanten Fahrstrecke bei einem webbasierten Verkehrsservice und/oder durch ein Voraussage-Modul ein Verlauf der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und ein Verlauf der zu erwartenden Umgebungstemperatur ermittelt wird, wobei mittels eines thermischen Modells des Kühlsystems anhand dieser Daten für die vorausliegende Fahrstrecke ermittelt wird, wie sich die umsetzbare Kühlleistung des Kühlsystems sowie der dazu passende Kennwert im ECO-Modus und im Power-Modus entwickeln wird, und auf dieser Basis eine optimale Leistungstrajektorie für das Brennstoffzellen-System unter Berücksichtigung der Fahrstrecke sowie der äußeren Umgebungseinflüsse zu planen.In one embodiment, a prediction is made for a route ahead, with a course of the expected driving speed of the vehicle and a course of the expected ambient temperature being determined on the basis of a planned route in a web-based traffic service and/or by a prediction module, wherein by means of a thermal model of the cooling system, based on this data for the route ahead, it is determined how the feasible cooling performance of the cooling system as well as the corresponding characteristic value will develop in ECO mode and in power mode, and on this basis an optimal performance trajectory for the fuel cell system to be planned taking into account the route and external environmental influences.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs vorgeschlagen, umfassend ein Energiemanagementsystem des Brennstoffzellensystems und eine Fahrzeugsteuerung, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche konfiguriert ist/sind.
- - Das Thermomanagement schätzt die aktuell mögliche Kühlleistung des Kühlsystems in zwei Leistungsstufen (ECO und Power)
- - mittels einer Schnittstelle zu einem Energiemanagement wird eine zentrale Regelungseinheit über die aktuell verfügbare Kühlleistung informiert,
- - ein Kennwert über den aktuell benötigten Leistungseinsatz pro abgeführtem Kilowatt Kühlleistung gibt Aufschluss darüber, ob das Investieren weiterer Energie auch eine verbesserte Kühlung des Systems mit sich bringt.
- - The thermal management estimates the currently possible cooling performance of the cooling system in two performance levels (ECO and Power)
- - by means of an interface to an energy management system, a central control unit is informed about the currently available cooling capacity,
- - a parameter showing the currently required power input per kilowatt of cooling power dissipated provides information about whether investing additional energy also results in improved cooling of the system.
Das Thermomanagement eines Brennstoffzellen-Nutzfahrzeugs bestimmt die aktuell verfügbare Kühlleistung des Kühlsystems unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrbedingungen und Umgebungsbedingungen. Es kann daher eine Information zum Kühlpotential ohne zusätzlichen Energiebedarf (ECO-Modus) und mit zusätzlichem Energiebedarf (Power-Modus), beispielsweise durch Ventilatoren, bereitstellen. Diese Informationen werden dem Energiemanagementsystem über eine Schnittstelle zur Verfügung gestellt, wobei die energieeffizientesten Arbeitspunkte des Brennstoffzellen- Systems bestimmt werden können. Ein spezifischer Wert der aktuell durch Hilfsaggregate abgerufenen Leistung pro kW abgeführter überschüssiger Wärme wird verwendet, um zu ermitteln, ob mehr Kühlleistung vorteilhaft ist oder nicht.The thermal management of a fuel cell commercial vehicle determines the currently available cooling capacity of the cooling system, taking into account the current driving conditions and ambient conditions. It can therefore provide information about the cooling potential without additional energy requirements (ECO mode) and with additional energy requirements (power mode), for example by fans. This information is made available to the energy management system via an interface, whereby the most energy-efficient operating points of the fuel cell system can be determined. A specific value of the power currently being used by auxiliary equipment per kW of excess heat dissipated is used to determine whether more cooling power is beneficial or not.
Die Lebensdauer von Brennstoffzellen-Systemen hängt in hohem Maße von einer guten und stetigen Temperierung im optimalen Wohlfühlbereich der Brennstoffzelle ab. Je häufiger Überhitzungen vermieden werden, desto besser wird die Lebensdauer der Brennstoffzelle sein. Durch die erfindungsgemäße Schnittstelle kann die Brennstoffzelle zuverlässiger im optimalen Temperaturbereich eingesetzt werden. Der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff ist möglichst effizient zu gestalten. Betriebszustände, bei denen unnötig viel Wasserstoff verbraucht wird ohne dabei einen Zugewinn für die Fahrleistung oder das Bordnetz zu erzeugen, sollten vermieden werden. Deshalb muss die Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle so geregelt werden, dass der Energiebedarf der Nebenaggregate möglichst optimal ist. Durch die vorliegende Erfindung werden beide genannten Punkte verbessert und können optimal gestaltet werden, da Überhitzungen und ineffiziente Betriebszustände der Brennstoffzelle durch Weitergabe der aktuellen oder vorausliegenden Zustände des Thermomanagementsystems an das Energiemanagementsystem vermieden werden können. Durch die Erfindung können die nötigen Auslegungsreserven des Thermomanagementsystems minimiert und ein maximal effizientes Thermomanagement ausgelegt werden; es wird daher immer nahezu optimal genutzt.The service life of fuel cell systems depends to a large extent on good and constant temperature control in the optimal comfort range of the fuel cell. The more often overheating is avoided, the better the service life of the fuel cell will be. The interface according to the invention allows the fuel cell to be used more reliably in the optimal temperature range. The use of hydrogen as fuel must be made as efficient as possible. Operating conditions in which an unnecessarily large amount of hydrogen is consumed without generating an increase in driving performance or the on-board network should be avoided. Therefore the performance requirement must to the fuel cell can be regulated in such a way that the energy requirements of the auxiliary units are as optimal as possible. The present invention improves both points mentioned and can be designed optimally, since overheating and inefficient operating states of the fuel cell can be avoided by passing on the current or previous states of the thermal management system to the energy management system. Through the invention, the necessary design reserves of the thermal management system can be minimized and a maximally efficient thermal management can be designed; it is therefore always used almost optimally.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Schätzung einer abführbaren Wärmeleistung mit und ohne Zuschaltungen von Lüftern in einem Brennstoffzellenfahrzeug, -
2 eine schematische Ansicht eines reaktiven Verfahrens zum Thermomanagement des Brennstoffzellenfahrzeugs, und -
3 eine schematische Ansicht eines prädiktiven Verfahrens zum Thermomanagement des Brennstoffzellenfahrzeugs, -
4 eine schematische Ansicht eines vereinfachten Modells zur Schätzung der abgeführten Kühlleistung durch einen Fahrzeug-Kühler, -
5 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Abschätzung von Luft-Massenströmen, und -
6 einen schematischen Verlauf eines Fahrleistungshorizonts FLH bei vorausschauender Regelung.
-
1 a schematic view of a method for estimating a dissipable heat output with and without switching on fans in a fuel cell vehicle, -
2 a schematic view of a reactive method for thermal management of the fuel cell vehicle, and -
3 a schematic view of a predictive method for thermal management of the fuel cell vehicle, -
4 a schematic view of a simplified model for estimating the cooling power dissipated by a vehicle radiator, -
5 a schematic view of a method for estimating air mass flows, and -
6 a schematic course of a mileage horizon FLH with predictive control.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.
Das Brennstoffzellenfahrzeug weist eine Fahrzeugsteuerung 1 auf, die dazu konfiguriert ist, die Regelung des Thermomanagementsystems durchzuführen. Die Fahrzeugsteuerung schätzt anhand eines physikalischen Modells unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrsituation, beispielsweise einer Fahrgeschwindigkeit v und einer Temperatur TKM eines Kühlmediums, und der vorliegenden Umgebungsbedingungen, beispielsweise einer Umgebungstemperatur Tu die aktuell abführbare Wärmeleistung des Gesamt-Kühlsystems, beispielsweise die durch ein oder mehrere Kühler 5 abführbare Wärme Q̇K1, Q̇K2.The fuel cell vehicle has a
In einem Modul 12 zur fahrleistungsorientierten und SOC-basierten Energieverteilung einer Hochvolt-Batterie werden zur Bestimmung einer Brennstoffzellen-Sollleistung ohne Thermobegrenzung ein aktueller Ladezustand SOC der Batterie und aktuelle Fahrwiderstände AFW berücksichtigt, welche sich aus der Summe von Luft-, Roll- und Steigungswiderstand zusammensetzen.In a
Die Massenströme des Kühlwassers können anhand der aktuellen Pumpendrehzahl bestimmt werden, während die Luftmassenströme aus Simulationsrechnungen, Messungen sowie Erfahrungswerten bekannt sind. Eventuelle Ungenauigkeiten können über einen nachgelagerten Korrekturfaktor bzw. eine Korrekturfunktion ausgeglichen werden.The mass flows of the cooling water can be determined based on the current pump speed, while the air mass flows are known from simulation calculations, measurements and empirical values. Any inaccuracies can be compensated for using a downstream correction factor or correction function.
Für diese Abschätzung werden im Modell beispielsweise Kennfelder bezüglich des Wärmeleitwerts der Hersteller von Kühlern bei konstantem vorgegebenen Luftmassenstrom, welcher für ECO-Modus und Power-Modus unterschiedlich hoch angenommen werden kann, durch die Kühler zur möglichen abführbaren Wärme Q̇K1, Q̇K2 verwendet.
Zur Abschätzung von Kühlwasser-Massenströmen ṁW aus der Pumpendrehzahl n können die folgenden Formeln verwendet werden:
- P
- Antriebsleistung (kW)
- p
- Betriebsdruck Pumpenausgang (bar)
- Q
- Volumenstrom (dm3/min)
- ηges
- Gesamtwirkungsgrad (-)
- M
- Drehmoment (Nm)
- n
- Pumpendrehzahl (1/min)
- P
- Drive power (kW)
- p
- Operating pressure pump outlet (bar)
- Q
- Volume flow (dm 3 /min)
- ηtot
- Overall efficiency (-)
- M
- Torque (Nm)
- n
- Pump speed (1/min)
Über die Dichte des Kühlwassers steht der Kühlwasser-Massenstrom ṁW beispielsweise in einem bekannten Verhältnis zum Volumenstrom.The cooling water mass flow ṁ W , for example, has a known relationship to the volume flow via the density of the cooling water.
Der Massenstrom ṁW einer Pumpe kann entweder aus der aufgenommenen Antriebsleistung und dem erzeugten Betriebsdruck wie in den genannten Formeln ermittelt werden oder durch eine lineare Beziehung von Pumpendrehzahl und Massenstrom ṁW, die zuvor durch Versuch des vorliegenden Systems ermittelt wurde. The mass flow ṁ W of a pump can be determined either from the drive power consumed and the operating pressure generated as in the formulas mentioned or by a linear relationship between pump speed and mass flow ṁ W , which was previously determined by testing the present system.
Dabei verhält sich der aktuelle Massenstrom ṁW zu einem maximalen Massenstrom wie die aktuelle Pumpendrehzahl zu einer maximalen Pumpendrehzahl.The current mass flow ṁ W relates to a maximum mass flow in the same way that the current pump speed relates to a maximum pump speed.
Dabei wird einerseits eine Wärmeleistung Q̇̇ECO ermittelt, die ohne zusätzliche Maßnahmen wie Zuschaltung eines oder mehrerer Lüfter 4 abgeführt werden kann. Es wird sozusagen die abführbare Wärmeleistung Q̇ECO ermittelt, die sich ausschließlich durch den Fahrtwind ergibt. Dies ergibt einen Wärmeleistungswert, der den geringsten Energieaufwand der Nebenverbraucher bedeutet (ECO-Modus). Andererseits kann eine Wärmeleistung Q̇POWER ermittelt werden, die inklusive weiterer Maßnahmen wie der Zuschaltung eines oder mehrerer Lüfter 4 abgeführt werden kann. Dies ergibt einen Wärmeleistungswert, der zwar einen erhöhten Energieaufwand der Nebenverbraucher bedeutet, aber mehr Leistung an der Brennstoffzelle ermöglicht (Power-Modus).On the one hand, a heat output Q̇̇ ECO is determined, which can be dissipated without additional measures such as switching on one or
Die Fahrzeugsteuerung 1 zur Durchführung des Thermomanagements weist eine Schnittstelle 2 zu einem Energiemanagementsystem ENM der Brennstoffzelle auf, die das Energiemanagementsystem ENM über diese beiden augenblicklich möglichen thermischen Kühlleistungen informiert.The
Das Energiemanagementsystem ENM wiederum kann aus dieser Information ermitteln, welche elektrische Leistung aktuell von der Brennstoffzelle abgerufen werden darf. Aus einem Kennfeld, welches auch die aktuell vorliegende Alterung des Brennstoffzellen-Systems berücksichtigt, kann das Energiemanagementsystem ENM auf die mögliche elektrische Leistung der Brennstoffzelle zurückrechnen und diese bei der Brennstoffzelle anfordern. Je nach aktueller Lage kann das Energiemanagementsystem ENM dann entscheiden, ob die Brennstoffzelle in einem Betriebspunkt betrieben wird, der am wenigsten Energie für die Nebenaggregate bedeutet (Thermomanagement im ECO-Modus), oder ob der energieintensivere Power-Modus benötigt wird.The energy management system ENM, in turn, can use this information to determine what electrical power can currently be used by the fuel cell. From a map that also takes into account the current aging of the fuel cell system, the energy management system ENM can calculate the possible electrical power of the fuel cell and request this from the fuel cell. Depending on the current situation, the ENM energy management system can then decide whether the fuel cell is operated at an operating point that means the least energy for the auxiliary units (thermal management in ECO mode) or whether the more energy-intensive power mode is required.
Zusätzlich ermittelt die Fahrzeugsteuerung 1 über eine heuristische Logik, wieviel Energie die zur Kühlung benötigten Nebenverbraucher wie Pumpen 6 und Lüfter 4 aktuell benötigen. Daraus lässt sich ein Kennwert KW ermitteln, wieviel elektrische Leistung aktuell für das Abführen einer gewissen Wärmeleistung eingesetzt werden muss.In addition, the
Insbesondere wird aus einer aktuellen Abwärme Q̇BZ des Brennstoffzellensystems eine Schätzung für einen von ein oder mehreren Pumpen 6 zu erbringenden Massenstrom ṁP des Kühlmediums geschätzt, der bei der Schätzung der durch ein oder mehrere Kühler 5 abführbaren Wärme Q̇K1, Q̇K2 zusätzlich zu der aktuellen Fahrsituation, beispielsweise der Fahrgeschwindigkeit v und der Temperatur TKM des Kühlmediums, und der vorliegenden Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Umgebungstemperatur TU, berücksichtigt werden kann.In particular, an estimate for a mass flow ṁ P of the cooling medium to be provided by one or
Bei der Ermittlung zusätzlich für den mindestens einen Lüfter 4 benötigter Abwärme Q̇L kann eine aktuelle Abwärme Q̇BZ des Brennstoffzellensystems und eine durch ein oder mehrere Kühler 5 abführbare Wärme Q̇K1, Q̇K2 berücksichtigt werden.When determining additional waste heat Q̇ L required for the at least one
Aus der für den mindestens einen Lüfter 4 benötigten Abwärme Q̇̇L kann ein Massenstrom ṁL1, ṁL2 geschätzt werden, der durch den mindestens einen Lüfter 4 zu erbringen ist. Daraus kann eine energieoptimale Aufteilung 9 der Massenströme ṁL1, ṁL2 auf die Lüfter 4 und eine entsprechende Ansteuerung 3 der Lüfter 4 bestimmt werden.From the waste heat Q̇̇ L required for the at least one
Es ist in bestimmten Situationen möglich, dass das Kühlsystem unter starkem Einsatz von Nebenaggregaten, beispielsweise Lüftern 4, eine große Kühlleistung erzeugen könnte, wobei der elektrische Energieverbrauch dabei so groß wäre, dass unter dem Strich die dadurch gewonnene zusätzliche Brennstoffzellen-Leistung komplett aufgebraucht oder sogar noch überschritten würde.It is possible in certain situations that the cooling system could generate a large cooling output with heavy use of auxiliary units, for
In diesem Fall würde sich nur der Wasserstoff-Verbrauch erhöhen, ohne dass sich ein positiver Effekt für das Hochvolt-Bordnetz im Sinne eines Ladeeffektes einstellen würde. Die zusätzlich erzeugte elektrische Leistung würde direkt von den Nebenverbrauchern verbraucht werden. Diese Zustände sollen vermieden werden. Dies ist durch den oben beschriebenen Kennwert KW des Thermomanagements möglich. Liegt dieser Kennwert KW beispielsweise bei einem Wert von über 1 kW elektrischer Leistung pro kW abgeführter Wärmeleistung, so zeigt dies einen nicht sinnvollen Betrieb an. Das Energiemanagementsystem ENM wird in diesem Fall bei einer Berücksichtigung 10 der Limitierungen des Thermomanagements eine Sollleistung Ps des Brennstoffzellen-Systems nicht weiter erhöhen. Liegt der Wert deutlich darunter, also beispielsweise bei 0.2 kW elektrischer Leistung pro kW Wärmeleistung, so kann das Energiemanagementsystem ENM die angeforderte Sollleistung Ps der Brennstoffzelle erhöhen.In this case, hydrogen consumption would only increase, without having a positive effect on the high-voltage electrical system in the sense of a charging effect. The additional electrical power generated would be consumed directly by the auxiliary consumers. These conditions should be avoided. This is possible thanks to the thermal management parameter KW described above. If this characteristic value KW is, for example, at a value of over 1 kW of electrical power per kW of heat output dissipated, this indicates that operation is not making sense. In this case, the energy management system ENM will not further increase a target power P s of the fuel cell system when taking into account the limitations of thermal management. If the value is significantly lower, for example 0.2 kW of electrical power per kW of heat output, the energy management system ENM can increase the requested target power P s of the fuel cell.
Zusätzlich zur aktuell vorliegenden Situation kann die Fahrzeugsteuerung 1 dazu konfiguriert sein, eine Vorhersage für die vorausliegende Fahrstrecke zu treffen. Anhand der geplanten Fahrstrecke kann bei einem webbasierten Verkehrsservice und/oder durch ein anderes Voraussage-Modul 7 der Verlauf v(t) der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt werden.In addition to the current situation, the
Außerdem kann ein Steigungs- und Krümmungsprofil der Stecke ermittelt werden, beispielsweise aus einer digitalen Karte. Aus diesen Informationen ist es möglich, mit Hilfe eines Längsdynamikmodelles einen real fahrbaren Geschwindigkeitsverlauf sowie einen zugehörigen Antriebs- und/oder Bremsmomenten- leistungsbedarf über einem Vorausschauhorizont oder Fahrleistungshorizont FLH zu ermitteln (siehe
Analog dazu können bei einem webbasierten Wetterservice ein Verlauf der zu erwartenden Umgebungstemperatur TU(t) sowie weitere Wetterdaten, beispielsweise Regen, abgerufen werden, beispielweise aus der Cloud 8. Mittels eines thermischen Modells des Kühlsystems kann anhand dieser Daten für die vorausliegende Fahrstrecke ausgerechnet werden, wie sich die umsetzbare Kühlleistung des Kühlsystems sowie der dazu passende Kennwert KW des Energieverbrauchs entwickeln wird - sowohl im ECO-Modus als auch im Power-Modus. Hierzu wird berechnet, ob anhand der erwarteten Fahrleistung für die vorausliegende Fahrstrecke s die daraus resultierende, erwartete Brennstoffzellen-Abwärme unter Zuhilfenahme aller Aktoren, beispielsweise einer oder mehrerer Pumpen 6, eines oder mehrerer Kühler 5, eines oder mehrerer Kühler 4 sowie eines oder mehrerer Ventile 11, abgeführt werden kann. Ist dies nicht der Fall, wird eine Limitverletzung LV festgestellt und im Energiemanagement ENM die erwartete Brennstoffzellen-Sollleistung korrigiert.Similarly, with a web-based weather service, a history of the expected ambient temperature T U (t) as well as other weather data, such as rain, can be retrieved, for example from the
Mittels dieser Information ist es dem Energiemanagementsystem ENM möglich, eine optimale Leistungstrajektorie Ps(t) für das Brennstoffzellen-System unter Berücksichtigung der Fahrstrecke s sowie der äußeren Umgebungseinflüsse zu planen. Wenn beispielsweise die Planung bereits weiß, dass die Brennstoffzellen-Leistung BZL bei einer Bergaufstrecke aufgrund des Thermomanagements zurückgeregelt werden muss (Limitverletzungen LV Thermosystem im Horizont), kann sie die Brennstoffzelle frühzeitiger - und in Situationen bei denen die Kühlsituation einfacher ist - hochfahren und in einer Hochvolt-Batterie für einen entsprechenden Energiepuffer sorgen.Using this information, it is possible for the energy management system ENM to plan an optimal power trajectory P s (t) for the fuel cell system, taking into account the route s and external environmental influences. For example, if the planning already knows that the fuel cell output BZL has to be reduced on an uphill stretch due to the thermal management (limit violations of the LV thermal system on the horizon), it can start up the fuel cell earlier - and in situations where the cooling situation is simpler - and in one High-voltage battery provides an appropriate energy buffer.
Die Vorrichtung und das Verfahren können in einem Brennstoffzellenfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem schweren Nutzfahrzeug, eingesetzt werden.The device and the method can be used in a fuel cell vehicle, in particular in a commercial vehicle, for example a heavy commercial vehicle.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- FahrzeugsteuerungVehicle control
- 22
- Schnittstelleinterface
- 33
- Ansteuerung der LüfterControl of the fans
- 44
- LüfterFan
- 55
- Kühlercooler
- 66
- Pumpepump
- 77
- Voraussage-ModulPrediction module
- 88th
- CloudCloud
- 99
- Aufteilung der MassenströmeDistribution of mass flows
- 1010
- Berücksichtigung der Limitierungen des ThermomanagementsConsideration of the limitations of thermal management
- 1111
- VentilValve
- 1212
- Modulmodule
- 1313
- Modulmodule
- AFWAFW
- aktueller Fahrwiderstandcurrent driving resistance
- ATLATL
- AntriebsleistungDrive power
- BLZBank code
- benötigte Lüfterzuschaltungrequired fan activation
- BZLBZL
- Brennstoffzellen-LeistungFuel cell performance
- ENMENM
- EnergiemanagementEnergy management
- FBSFBS
- FahrbahnsteigungRoad gradient
- FLHFLH
- FahrleistungshorizontMileage horizon
- KFKF
- KennfeldMap
- KFEWKFEW
- Kennfeld mit ErfahrungswertenMap with empirical values
- KWKW
- Kennwertcharacteristic value
- KoWKoW
- KorrekturwertCorrection value
- LVLV
- LimitverletzungLimit violation
- ṁgesṁges
- Gesamt-LuftmassenstromTotal air mass flow
- ṁLṁL
- LuftmassenstromAir mass flow
- ṁLFWṁLFW
- Luftmassenstrom aus FahrtwindAir mass flow from the wind
- ṁLLṁLL
- Luftmassenstrom durch LüfterAir mass flow through fans
- ṁL1, ṁL2ṁL1, ṁL2
- Massenstrom für LüfterMass flow for fans
- ṁPṁP
- Massenstrom PumpeMass flow pump
- ṁWṁW
- Kühlwasser-MassenstromCooling water mass flow
- nn
- PumpendrehzahlPump speed
- PsPs
- Sollleistungtarget performance
- Ps(t)Ps(t)
- erwarteter Verlauf der Sollleistung, Leistungstrajektorieexpected course of target performance, performance trajectory
- Q̇BZQ̇BZ
- Abwärme des BrennstoffzellensystemsWaste heat from the fuel cell system
- Q̇ECOQ̇ECO
- Wärmeleistung im ECO-ModusHeat output in ECO mode
- Q̇K1, Q̇K2Q̇K1, Q̇K2
- durch Kühler abführbare WärmeHeat that can be dissipated by coolers
- Q̇̇LQ̇̇L
- Abwärme für LüfterWaste heat for fans
- Q̇POWERQ̇POWER
- Wärmeleistung im Power-ModusThermal output in power mode
- ss
- FahrstreckeDriving distance
- SESE
- SimulationsergebnisseSimulation results
- SOCSOC
- Ladezustandcharging status
- TKMTKM
- Temperatur eines KühlmediumsTemperature of a cooling medium
- TLTL
- Luft-EintrittstemperaturAir inlet temperature
- TUTU
- UmgebungstemperaturAmbient temperature
- TU(t)Does)
- Verlauf der zu erwartenden UmgebungstemperaturCourse of the expected ambient temperature
- TWTW
- Kühlwasser-EintrittstemperaturCooling water inlet temperature
- vv
- FahrgeschwindigkeitDriving speed
- v(t)v(t)
- Verlauf der zu erwartenden FahrgeschwindigkeitCourse of the expected driving speed
- WLWWLW
- WärmeleitwertThermal conductivity
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022132851.1A DE102022132851B3 (en) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | Method and device for thermal management of a fuel cell system of a vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022132851.1A DE102022132851B3 (en) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | Method and device for thermal management of a fuel cell system of a vehicle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022132851B3 true DE102022132851B3 (en) | 2024-02-08 |
Family
ID=89157771
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022132851.1A Active DE102022132851B3 (en) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | Method and device for thermal management of a fuel cell system of a vehicle |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022132851B3 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10369899B2 (en) | 2014-08-27 | 2019-08-06 | Quantumscape Corporation | Battery thermal management system and methods of use |
-
2022
- 2022-12-09 DE DE102022132851.1A patent/DE102022132851B3/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10369899B2 (en) | 2014-08-27 | 2019-08-06 | Quantumscape Corporation | Battery thermal management system and methods of use |
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