DE102022209484A1

DE102022209484A1 - Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE102022209484A1
Application number: DE102022209484.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Ascherl
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056328A1

Abstract

Ein Stromversorgungssystem, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfasst eine Brennstoffzelle (3), eine von der Brennstoffzelle (3) aufladbare Batterie (2), einen Verbraucheranschluss (12) und eine Steuereinheit (4) zum Steuern der Leistung der Brennstoffzelle (3) anhand des Ladezustands der Batterie (2). Die Steuereinheit (4) ist eingerichtet, einen Stromfluss im Stromversorgungssystem zu dem Verbraucheranschluss (12) zu erfassen und die Leistung der Brennstoffzelle (3) ferner anhand des erfassten Stromflusses zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Antrieb.
Beim Betrieb eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs über eine wiederaufladbare Batterie muss wie in DE 10 2017 111 573 A1 beschrieben darauf geachtet werden, dass die Batterie nicht zu tief entladen wird, da dies zu chemischen Reaktionen führen kann, die die Batterie irreversibel schädigen. Wenn die Batterie die einzige Quelle für Antriebsenergie ist, kann dies dazu führen, dass das Fahrzeug angehalten werden muss, wenn der Ladezustand der Batterie ein kritisch niedriges Niveau erreicht. Bevor es dazu kommt, nimmt die Leistung der Batterie kontinuierlich ab, so dass ein Fahrer, auch ohne Messinstrumente konsultieren zu müssen, einen niedrigen Ladezustand der Batterie bemerkt und daraufhin energieaufwendige Fahrmanöver meiden und alsbald eine Ladestation aufsuchen kann.
Ein Weg, die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs über den der Ladekapazität seiner Batterie entsprechenden Wert hinaus zu erhöhen, ist der Einbau eines elektrochemischen Generators wie etwa einer Brennstoffzelle, die während der Fahrt einen Kraftstoff in elektrische Energie umsetzt. Diese kann zum Wiederaufladen der Batterie, aber auch direkt zum Speisen eines Antriebsmotors eingesetzt werden. Allerdings ist ihre Leistung im Vergleich zur Motorleistung nur langsam veränderbar, die Brennstoffzelle kann also nicht kurzfristig zugeschaltet werden, um etwa die für einen Überholvorgang nötige Leistung zu liefern, und danach wieder ausgeschaltet werden.
Wenn die Batterie voll oder nahezu voll geladen ist und die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung nicht speichern kann, muss die Brennstoffzelle ausgeschaltet sein oder auf einer Minimalleistung laufen, und als Antriebsleistung für den Motor steht nur diejenige Leistung zur Verfügung, die die Batterie zu liefern imstande ist, ggf. zuzüglich der Minimalleistung der Brennstoffzelle. Wenn die Batterie teilentladen ist und deswegen ihre maximale Leistung geringer ist als im voll geladenen Zustand, gleichzeitig aber die Brennstoffzelle in Betrieb ist, um zusätzlichen Strom zu liefern, können Batterie und Brennstoffzelle gemeinsam dem Motor dieselbe Leistung zuführen wie die voll geladene Batterie allein, so dass sich im Verhalten des Fahrzeugs keine Änderung ergibt. Im Idealfall sollte in diesem Betriebszustand die Leistung der Brennstoffzelle der mittleren Leistung des Motors entsprechen, so dass sie kontinuierlich und effizient arbeiten kann und große Ausschläge des Batterieladezustands vermieden werden. Wenn jedoch unter diesen Bedingungen kontinuierlich mehr Leistung verbraucht wird, als die Brennstoffzelle nachliefert, dann kommt es über kurz oder lang doch zu einer Situation, in der die Batterie so weit entladen ist, dass ihre Ausgangsleistung zu ihrem Schutz begrenzt werden muss und folglich der Motor auf eine Leistungsanforderung des Fahrers nicht mehr in der von diesem erwarteten Weise reagieren kann. Solche Situationen sollten soweit irgend möglich vermieden werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einem Stromversorgungssystem, umfassend eine Brennstoffzelle, eine von der Brennstoffzelle aufladbare Batterie, einen Verbraucheranschluss und eine Steuereinheit zum Steuern der Leistung der Brennstoffzelle anhand des Ladezustands der Batterie, die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Stromfluss im Stromversorgungssystem zu dem Verbraucheranschluss zu erfassen und die Leistung der Brennstoffzelle ferner anhand des erfassten Stromflusses zu steuern. Dies ermöglicht eine Anpassung der Leistung der Brennstoffzelle an den tatsächlichen Bedarf mit höherer zeitlicher Auflösung als wenn die Leistung der Brennstoffzelle allein anhand des Ladezustands der Batterie gesteuert ist, und vor allem ermöglicht es in einer Situation wie etwa beim Bergauffahren, in der eine hohe Motorleistung über eine längere Zeitspanne als etwa bei einem Überholvorgang benötigt wird, eine frühzeitige Anpassung der Leistung der Brennstoffzelle, so dass ein Zustand, in dem die Leistungsanforderung des Fahrers nicht erfüllt werden kann, hinausgezögert wird und im Idealfall, wenn der kontinuierlich hohe Leistungsbedarf rechtzeitig endet, komplett vermieden werden kann.
Der erfasste Stromfluss zum Verbraucheranschluss ist typischerweise der gesamte, sich ggf. aus Beiträgen der Batterie und der Brennstoffzelle zusammensetzende Stromfluss zum Verbraucheranschluss. Denkbar ist aber auch, nur einen dieser Beiträge zu nutzen. Der Stromfluss kann als Stromstärke oder als eine beliebige mit dem Stromfluss verknüpfte Größe wie etwa die elektrische Leistung gemessen werden.
Die Steuereinheit sollte eingerichtet sein, die Leistung der Brennstoffzelle bei gegebenem Ladezustand der Batterie umso höher zu wählen, je höher der Stromfluss ist.
Insbesondere kann die Steuereinheit die Leistung der Brennstoffzelle als zunehmende Funktion sowohl der relativen Entladung der Batterie als auch des Stromflusses festlegen.
Einer konkreten Ausgestaltung zufolge legt die Steuereinheit die Leistung der Brennstoffzelle als zunehmende Funktion der mit einem Skalenfaktor multiplizierten relativen Entladung der Batterie fest, wobei der Skalenfaktor eine zunehmende Funktion des Stromflusses ist.
Um allzu häufige Änderungen der Leistung der Brennstoffzelle zu vermeiden, sollte die anhand eines zeitlichen Mittelwerts des Stromflusses festlegen. Die Zeitspanne, über die gemittelt wird, kann zwischen 10 s und 5 min, vorzugsweise etwa 1 min betragen.
Um die Leistung der Brennstoffzelle festzulegen, kann die Steuereinheit unter mehreren vorgegebenen Kennlinien der Leistung als Funktion des Ladezustands jeweils eine anhand des Stromflusses auswählen.
Dabei sollten die Kennlinien stetige und einander nicht kreuzende Funktionen des Ladezustands sein, d.h. eine dieser Funktionen, die bei einem gegeben Wert des Stromflusses größer (oder kleiner) als eine andere ist, ist auch bei jedem anderen Wert größer (oder kleiner).
Um allzu schnelle Änderungen der Leistung der Brennstoffzelle zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass zu jedem Zeitpunkt die Auswahl einer neuen Kennlinie anhand des Stromflusses durch die Steuereinheit eingeschränkt ist auf solche Kennlinien, die von einer aktuell ausgewählten Kennlinie durch nicht mehr als n weitere Kennlinien getrennt sind, wobei n eine kleine ganze Zahl einschließlich Null ist. D.h. wenn n=0, ist nur ein Wechsel von der aktuell ausgewählten Kennlinie zur nächsthöheren oder -niedrigeren möglich; wenn n=1, kann auch die jeweils übernächste ausgewählt werden.
Die Auswahl einer neuen Kennlinie anhand des Stromflusses sollte in regelmäßigen Zeitabständen erfolgen und vorzugsweise auf einem Mittelwert des Stromflusses im Zeitintervall seit der letzten Auswahl basieren. Der Mittelwert kann die Stromflüsse im gesamten Zeitintervall oder auch nur in einem Ausschnitt von diesem berücksichtigen.
Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Stromversorgungssystem wie oben beschrieben, optional bei dem ein an den Verbraucheranschluss angeschlossener Verbraucher ein das Kraftfahrzeug antreibender Elektromotor ist, sowie ein Computerprogramm mit von einem Computer ausführbaren Befehlen, dessen Ausführung durch einen Computer diesen befähigt, als Steuereinheit in einem Stromversorgungssystem wie oben beschrieben zu arbeiten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugs mit einem Stromversorgungssystem gemäß der Erfindung;
2 ein Diagramm mit einem Satz von Kennlinien der Leistung der Brennstoffzelle als Funktion des Batterieladezustands für jeweils verschiedene Stromflüsse; und
3 ein Diagramm mit einem alternativen Satz von Kennlinien.

1 zeigt ein Blockdiagramm des Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs. Ein Elektromotor 1 treibt ein oder mehrere nicht dargestellte Räder des Fahrzeugs an; es kann jedem Rad ein eigener Elektromotor 1 zugeordnet sein. Der Elektromotor 1 ist gespeist durch eine Batterie 2 und eine Brennstoffzelle 3; eine Steuereinheit 4 regelt über eine Anordnung von Schaltern 5 die Verteilung der von der Brennstoffzelle 3 bereitgestellten elektrischen Leistung auf den Motor 1 und die Batterie 2 sowie den Beitrag von Brennstoffzelle 3 und Batterie 2 zum momentanen Leistungsbedarf des Motors 1. Dieser Leistungsbedarf ist durch eine Leistungsanforderung des Fahrers, typischerweise über ein Fahrpedal 6, bestimmt.
Die Steuereinheit 4 ist mit diversen, an sich bekannten Messinstrumenten zum Überwachen des Ladezustands der Batterie 2 verbunden, z.B. durch Messen eines Ladestroms vom der Brennstoffzelle 3 zur Batterie 2 über ein Messinstrument 7-1 und eines Entladestroms von der Batterie 2 zum über einen Verbraucheranschluss 12 angebundenen Motor 1 über ein Messinstrument 7-2. Die Steuereinheit 4 nutzt die Information der Messinstrumente 7-1 und 7-2 , um die Brennstoffzelle 3 in Betrieb nehmen zu können, wenn der Ladestand der Batterie unter eine vorgegebene Schwelle abgefallen ist, und dann die Leistung der Brennstoffzelle 3 angemessen zwischen der Batterie 2 und dem Motor 1 aufteilen zu können. Bei niedrigem Ladestand der Batterie 2 kann es nötig sein, diese auf Kosten der momentanen Energieversorgung des Motors 1 zu bevorzugen, um dem Fall vorzubeugen, dass ein die Batterie 2 schädigender Tiefentladungszustand erreicht wird. Bei ausreichendem Ladestand kann hingegen die Steuereinheit 4 bei Bedarf die gesamte oder einen Teil der Leistung der Brennstoffzelle 3 zusätzlich zu der der Batterie 2 in den Motor 1 einspeisen, um eine spezifizierte Motorleistung auch dann bereitzustellen, wenn die Batterie 2 zu weit entladen ist, um diese alleine liefern zu können. Die Information zum Ladezustand wird ferner an einem Ausgang der Steuereinheit 4 bereitgestellt, um auf einem Anzeigeinstrument 8 für den Fahrer sichtbar dargestellt zu werden.
Ein direkter Stromfluss von der Brennstoffzelle 3 zum Motor 1 kann von einem weiteren Messinstrument 7-3 erfasst werden; denkbar ist aber auch, dass die Steuereinheit 4 diesen Stromfluss anhand der bekannten, von ihr gesteuerten Leistung der Brennstoffzelle 3 und des Stromflusses von der Brennstoffzelle 3 zur Batterie 2 berechnet.
Anhand einer gespeicherten Kennlinie ist die Steuereinheit 4 in der Lage, die momentan von der Batterie 2 lieferbare Leistung anhand ihres Ladezustands abzuschätzen. Diese Information wird ebenfalls an dem Ausgang dem Anzeigeinstrument 8 zur Verfügung gestellt; sie kann auch herangezogen werden, um die Beiträge von Batterie und Brennstoffzelle 3 zur momentan dem Motor 1 bereitgestellten Leistung festzulegen.
Die Brennstoffzelle 3 bezieht benötigten Kraftstoff, d.h. Wasserstoff, aus einem Kraftstofftank 9. Ein Ventil 10 in einer Versorgungsleitung vom Kraftstofftank 9 zur Brennstoffzelle 3 ist von der Steuereinheit 4 steuerbar, um den Betrieb der Brennstoffzelle 3 zu unterbrechen oder zu drosseln, wenn die Batterie 2 ausreichend geladen ist oder der Motor keine Energie benötigt.
Die Steuereinheit 4 ist ferner mit einem Sensor 11 zum Erfassen des Füllstands des Kraftstofftanks 9 verbunden. Auch diese Information wird an dem Ausgang dem Anzeigeinstrument 8 zur Verfügung gestellt.
2 zeigt eine Schar von Kennlinien A₀-A_n (hier mit n=4) der Leistung der Brennstoffzelle 3 in Abhängigkeit vom Ladestand der Batterie 2, die in der Steuereinheit 4 gespeichert sind und von dieser wahlweise verwendet werden, um die Leistung der Brennstoffzelle 3 zu regeln. Eine Grundkennlinie Ao kann z.B. für Autobahnfahrt optimiert sein, d.h. für einen Betrieb mit geringen Geschwindigkeitsschwankungen und niedrigen Fahrbahnsteigungen. Bei voll oder nahezu voll geladener Batterie 2 wird die Brennstoffzelle 3 auf einer Minimalleistung betrieben, die im hier gezeigten Fall wenige kW beträgt, die aber auch Null sein kann. Diese Leistung reicht auf jeden Fall nicht aus, um im Fahrbetrieb den Ladestand der Batterie zu halten; dieser nimmt also im Laufe der Fahrt ab, bis eine erste Schwelle, hier ein Ladestand von 90%, erreicht wird, von wo aus die Leistung der Brennstoffzelle 3 mit fortschreitender Entladung der Batterie hochgeregelt wird. Wenn das Fahrzeug auf ebener Fahrbahn mit konstanter Geschwindigkeit unterwegs wäre, würde so der Ladestand sich im Laufe der Zeit auf einen Wert einpendeln, an dem die Leistung der Brennstoffzelle 3 gleich der zum Aufrechterhalten dieser Geschwindigkeit erforderlichen Leistung ist, wobei allerdings dieser Wert umso niedriger ist, je energieintensiver die Fahrweise ist. Dementsprechend geringer sind die Ladungsreserven, mit denen das Fahrzeug eine Strecke, etwa beim Berganfahren oder Fahren auf lockerem oder unebenem Untergrund durchhalten kann, in denen die Motorleistung die maximale Leistung der Brennstoffzelle von hier etwas über 45 kW überschreitet.
Um diesen Effekt zu vermeiden, erfasst die Steuereinheit 4 mittels eines oder mehrerer der Sensoren 7 den Stromfluss zum Motor 1, und bestimmt jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne von z.B. einer Minute einen Mittelwert über diese Zeitspanne. Anschließend wählt sie unter den verschiedenen Kennlinien A₀-A_n diejenige aus, bei der Mittelwert einem gewünschten Ladestand der Batterie am nächsten kommt, und regelt die Leistung der Brennstoffzelle anhand dieser Kennlinie solange, bis ein neuer Mittelwert zur Verfügung steht. Sofern der Mittelwert nicht höher ist als die maximale Leistung der Brennstoffzelle, kann der Ladestand der Batterie auf diese Weise ständig in der Nähe des gewünschten Ladestandes gehalten werden, und es steht immer genügend Batteriereserve zur Verfügung, um den Motor 1 eine Zeitlang mit einer höheren Leistung als der maximalen Leistung der Brennstoffzelle zu versorgen.
Ausgehend von der Grundkennlinie Ao können die weiteren Kennlinien auf unterschiedliche Weise abgeleitet werden. In 3 sind Kennlinien A₁'-A₄' von der Grundkennlinie Ao durch Spreizen in der Vertikalen (entlang der Leistungsachse P) abgeleitet und jeweils bei der maximalen Leistung der Brennstoffzelle gekappt. In 2 sind die Kennlinien A₁-A₄ von derselben Grundkennlinie Ao jeweils abgeleitet durch Stauchen in der Horizontalen (entlang der Achse des Ladestandsachse) und Verschieben nach rechts. D.h. wenn SOC den prozentualen Ladestand der Batterie bezeichnet, die relative Entladung d=100%-SOC ist, und die Grundkennlinie A einer Funktion P(d) entspricht, dann entspricht die Kurve A_i, i=1, ..., 4 der P(a_i*d), wobei a_i ein Skalenfaktor >1 und a_i+1>a_i ist.
Um eine allzu heftige Änderung der Leistung der Brennstoffzelle in Reaktion auf eine veränderten Stromfluss zum Motor 1 zu vermeiden, kann vorgesehen werden, dass, wenn der aktuelle Mittelwert des Stromflusses eine andere Kennlinie A_j als die aktuell eingestellte Kennlinie A_i erfordern würde, die Steuereinheit nicht unmittelbar auf die Kennlinie A_j umschaltet, sondern zunächst nur auf die Kennlinie A_i-1 oder A_i+1, je nachdem ob j<i oder j>i ist, und sich so (vorausgesetzt dass der der Kennlinie A_j entsprechende Stromfluss zum Motor solange anhält) im Laufe mehrerer Aktualisierungszyklen schrittweise der Kennlinie A_j nähert.
Bezugszeichen

1: Elektromotor
2: Batterie
3: Brennstoffzelle
4: Steuereinheit
5: Schalter
6: Fahrpedal
7: Messinstrument
8: Anzeigeinstrument
9: Kraftstofftank
10: Ventil
11: Sensor
12: Verbraucheranschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017111573 A1 [0002]

Claims

Stromversorgungssystem, umfassend eine Brennstoffzelle (3), eine von der Brennstoffzelle (3) aufladbare Batterie (2), einen Verbraucheranschluss (12) und eine Steuereinheit (4) zum Steuern der Leistung der Brennstoffzelle (3) anhand des Ladezustands der Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, einen Stromfluss im Stromversorgungssystem zu dem Verbraucheranschluss (12) zu erfassen und die Leistung der Brennstoffzelle (3) ferner anhand des erfassten Stromflusses zu steuern.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, die Leistung der Brennstoffzelle (3) bei gegebenem Ladezustand der Batterie (2) umso höher wählen, je höher der Stromfluss ist.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuereinheit (4) die Leistung der Brennstoffzelle (3) als zunehmende Funktion (A) sowohl der relativen Entladung der Batterie (d) als auch des Stromflusses festlegt.
Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (4) die Leistung der Brennstoffzelle (3) als zunehmende Funktion (A_1, ..., A₄) der mit einem Skalenfaktor (a_i) multiplizierten relativen Entladung (d) der Batterie (2) festlegt, wobei der Skalenfaktor (a_i) eine zunehmende Funktion des Stromflusses ist.
Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (4) die Leistung der Brennstoffzelle (3) anhand eines zeitlichen Mittelwerts des Stromflusses festlegt.
Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (4) die Leistung der Brennstoffzelle (3) festlegt, indem sie unter mehreren vorgegebenen Kennlinien (A₀, A₁, ...), die die Leistung als Funktion des Ladezustands (SOC) angeben, eine anhand des Stromflusses auswählt.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Kennlinien (A₀, A₁, ...) einander nicht kreuzende Funktionen des Ladezustands (SOC) sind, und bei dem die Auswahl einer neuen Kennlinie anhand des Stromflusses eingeschränkt ist auf solche Kennlinien (A_i-(n-1), ..., A_i+(n-1)), die von einer aktuell ausgewählten Kennlinie (A_i) durch nicht mehr als n weitere Kennlinien getrennt sind, wobei n eine kleine ganze Zahl einschließlich Null ist.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Auswahl einer neuen Kennlinie anhand des Stromflusses in regelmäßigen Zeitabständen erfolgt und vorzugsweise auf einem Mittelwert des Stromflusses im Zeitintervall seit der letzten Auswahl basiert.
Kraftfahrzeug mit einem Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, optional bei dem ein an den Verbraucheranschluss (12) angeschlossener Verbraucher ein das Kraftfahrzeug antreibender Elektromotor (1) ist.
Computerprogramm mit von einem Computer ausführbaren Befehlen, dessen Ausführung durch einen Computer diesen befähigt, als Steuereinheit (4) in einem Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu arbeiten.