-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Stacks, insbesondere in einem Teillastbetrieb, vorzugsweise in einem unteren Teillastbetrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei die Stacks mindestens ein, insbesondere jeweils ein, Wassermanagementsystem aufweisen, und wobei jedes Wassermanagementsystem unterschiedliche Betriebsziele aufweist. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
-
Stand der Technik
-
Bei Fahrzeugen, sog. Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen die Antriebsenergie u.a. durch ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff, Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel bzw. Stack(s), die jeweils mehrere gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems einem Kathodenpfad in dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Der Kathodenpfad und das Luftfördersystem bilden ein Kathodensystem. Der Wasserstoff wird in der Regel in einem Hochdrucktank gespeichert und über Leitungen und Ventile einem Anodenpfad in dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und in einem Anodenkreis rezirkuliert. Der Hochdrucktank, die Leitungen und Ventile zu dem Anodenpfad und der Anodenkreis bilden ein Anodensystem. Ein thermisches System führt mittels Kühlmittelumwälzung die Abwärme aus dem Stack über Wärmeübertrag direkt oder indirekt in die Umgebung und/oder teilweise zur weiteren Nutzung (z.B. Kabinenheizung) ab. Ein elektrisches System leitet die elektrische Leistung des Stacks ins Netz bzw. Bordnetz zur Nutzung, z.B. als Antriebsleistung für eine E-Maschine.
-
Um den Brennstoffzellenstapel performant und mit möglichst wenig Degradation zu betreiben, sind eine Reihe von Anforderungen einzuhalten. Ein sehr wichtiger Bestandteil dieser Anforderungen wird durch das Wassermanagement abgedeckt, welches die Membranfeuchte im Fokus hat und die Verteilung der drei Medien im Stack (Wasserstoff, Luft bzw. Sauerstoff, Kühlmittel) mit ihren jeweiligen thermodynamischen Eigenschaften (Temperaturen, Drücke, Stoffzusammensetzung, Strömungsgeschwindigkeit) und die Stromdichteverteilung berücksichtigt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Stacks, insbesondere in einem Teillastbetrieb, vorzugsweise in einem unteren Teillastbetrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei die Stacks mindestens ein, insbesondere jeweils ein, Wassermanagementsystem aufweisen, und wobei jedes Wassermanagementsystem unterschiedliche Betriebsziele aufweist, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Stacks, insbesondere in einem Teillastbetrieb, vorzugsweise in einem unteren Teillastbetrieb. Das Brennstoffzellensystem ist vorteilhafterweise als ein Energielieferant, insbesondere ein Hauptenergielieferant und/oder ein Nebenenergielieferant, für ein Fahrzeug ausgeführt.
-
Die Stacks weisen mindestens ein, insbesondere jeweils ein, Wassermanagementsystem auf, wobei jedes Wassermanagementsystem unterschiedliche Betriebsziele aufweist.
-
Die unterschiedlichen Anforderungen/Bedingungen/Betriebsziele können umfassen:
- B1) Einhalten einer maximalen Feuchte und/oder maximalen Aktivität im Betrieb eines korrespondierenden Stacks.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Stack (Membran, etc...) nicht zu feuchte Bedingungen herrschen, z.B. bewertbar durch Aktivität, die kleiner als Schwelle sein kann, a < aMax.
-
Die unterschiedlichen Betriebsziele können ferner umfassen:
- B2) Einhalten einer minimalen Feuchte und/oder minimalen Aktivität im Betrieb des korrespondierenden Stacks.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Stack (Membran, etc...) nicht zu trockene Bedingungen herrschen, z.B. bewertbar durch Aktivität, die größer als Schwelle sein kann, a > aMin.
-
Die unterschiedlichen Betriebsziele können ferner umfassen:
- B3) Einhalten eines minimalen Sauerstoffpartialdrucks in einem zugehörigen Kathodensystem, insbesondere an einem Ausgang aus einem Kathodenpfad, des korrespondierenden Stacks.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Sauerstoffpartialdruck ausreichend hoch sein soll, um die Reaktion bzw. die O2-Versorgung sicherzustellen, z.B. bewertbar durch den Sauerstoffpartialdruck am Kathodenausgang pO2 > pO2Min.
- B4) Einhalten einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit im zugehörigen Kathodensystem des korrespondierenden Stacks und ggf. einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit im zugehörigen Anodensystem des korrespondierenden Stacks.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Strömungsgeschwindigkeit(en) ausreichend hoch sein sollen, damit das Produktwasser (oder einfach Wasser) ausreichend abtransportiert wird. Vorzugsweise soll das Wasser als ein dünner Wasserfilm durch die Gasströmungen abtransportiert werden. Ist die Gasströmung zu gering, bilden sich Wasserstropfen und können die Kanäle verstopfen und/oder Flutung einzelner Zellen verursachen.
-
Das Verfahren sieht vor:
- Top3ctl Betreiben mindestens eines Stacks von den mehreren Stacks in einem intermittierenden Betrieb, bei dem bestimmte Betriebsziele eines korrespondierenden Wassermanagementsystems in unterschiedlichen Betriebsmodi abwechselnd verfolgt werden.
- Top3ctl kann vorzugsweise ein Wassermanagement, ggf. kombiniert mit Kühlsystemsteuerung bzw. Thermomanagement in den einzelnen Stacks vorsehen.
- Top2ctl Verzweigen (bzw. Verteilen) einer erforderlichen Leistung (gemeint ist dabei die elektrische Leistung) zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks, sodass die Stacks abwechselnd (synchron oder asynchron) in unterschiedlichen Betriebsmodi bei dem intermittierenden Betrieb betrieben werden können,
- Top2ctl kann vorzugsweise eine Leistungsverzweigung zwischen den mehreren Stacks vorsehen.
- Toplctl Verzweigen (bzw. Verteilen) der erforderlichen Leistung zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks und mindestens einem Energiespeicher des Fahrzeuges, sodass der mindestens eine Energiespeicher bei dem intermittierenden Betrieb eingesetzt werden kann.
-
Toplctl kann vorzugsweise eine Leistungsverzweigung zwischen Energiewandlern (insbesondere den mehreren Stacks) und Energiespeicher (z.B. HV-Batterie, LV-Batterie, Supercaps) vorsehen.
-
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen.
-
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, insbesondere brennstoffangetriebenen Fahrzeugen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für ein Fahrzeug dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung ein Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, sein kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.
-
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann dabei einen oder mehrere Stacks mit jeweils mehreren gestapelten Brennstoffzellen und den dazugehörigen Funktionssystemen aufweisen, umfassend: Mediensysteme (Luft- bzw. Kathodensystem, Brennstoff- bzw. Anodensystem, Kühlsystem) sowie ein elektrisches System. Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung mehrere Module in Form von einzelnen Stacks mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen umfassen.
-
Das mindestens eine Funktionssystem im Sinne der Erfindung kann mindestens ein Mediensystem umfassen, bspw. ein Luft- bzw. Kathodensystem, ein Brennstoff- bzw. Anodensystem und/oder ein Kühlsystem, sowie ein elektrisches System umfassen.
-
Insbesondere bei Teillast bzw. unterer Teillast können nicht alle oben genannten Betriebsziele, insbesondere nicht die Ziele B2 und B4, gleichzeitig eingehalten werden, sodass sich im Teillast-Fall ein Zielkonflikt ergibt, insbesondere zwischen einer minimalen Feuchte bzw. Aktivität, damit die Membran nicht austrocknet, und einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit, damit das Wasser abtransportiert werden kann. Dieser Zielkonflikt kann durch den intermittierenden Betrieb adressiert werden, bei dem abwechselnd einige (bspw. drei von vier) Bedingungen erfüllt und damit die vier aufgeführten Bedingungen zumindest im Mittel eingehalten werden. Dies ist zulässig bzw. möglich, weil der Stack und die Materialien eine gewisse Kapazität (Wasserspeicherfähigkeit) und damit eine Trägheit/Kompensation besitzen.
-
Beispielsweise kann der intermittierende Betrieb vorsehen:
- • Kathoden-Drain-Vorgang. Dabei kann von Zeit zu Zeit im Kathodensystem ein Drain-Vorgang ausgelöst werden.
-
Dabei kann, zumindest kurzzeitig, der Luft-Massenstrom durch den Stack signifikant erhöht werden, um eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen, damit das Wasser abtransportiert werden kann, vorzugsweise bevor es die Kanäle verstopft. Zum Durchführen des Kathoden-Drain-Vorganges kann ein stationärer Teillastbetrieb zumindest zeitweise unterbrochen werden.
-
Im Allgemeinen kann der intermittierende Betrieb vorsehen:
- • Umschalten bzw. Toggeln zwischen zwei Betriebsmodi.
-
Der intermittierende Betrieb kann vorteilhafterweise ein Umschalten bzw. Toggeln zwischen zwei Betriebsmodi bzw. Betriebszustände (trocken vs. feucht) in jeweils einem Stack oder stackübergreifend, bspw. abwechselnd, ermöglichen. Der intermittierende Betrieb kann zeitgesteuert oder auch Integrator-gesteuert (Berechnung Wasseransammlung in dem jeweiligen Stack) getriggert werden.
-
Das Verfahren im Sinne der vorliegenden Offenbarung ermöglicht auf eine vorteilhafte Weise, dass die Leistungsverzweigung systemübergreifend sowie auf unterschiedlichen Ebenen (des Systems oder des Fahrzeuges) verteilt wird, und/oder dass der intermittierende Betrieb koordiniert/optimiert auf unterschiedlichen Ebenen ausgeführt wird. Vorzugsweise werden unterschiedliche Energiespeicher und/oder Energieverbraucher des Fahrzeuges sowie mehrere Stacks des Systems derart betrieben, dass eine Leistungskompensation und/oder eine Leistungsverzweigung zur Umsetzung des intermittierenden Betriebes bzw. des Toggelns des oder der jeweiligen Stacks erfolgen kann.
-
Die Leistungsverzweigung kann dabei derart erfolgen und/oder der intermittierende Betrieb kann dabei derart koordiniert/optimiert werden, dass die einzelnen Stacks möglichst schonend betrieben werden.
-
Vorteilhafterweise können die Leistungsverzweigung und/oder der intermittierende Betrieb in der Trajektorienplanung des gesamten Energiemanagements, vorzugsweise vorausschauend, Berücksichtigung finden. Die Leistungsverzweigung und/oder der intermittierende Betrieb kann durch die (Vor-)Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs umgesetzt werden.
-
Mithilfe des Verfahrens können die Zielkonflikte zur Einhaltung aller relevanten Betriebsziele des Wassermanagements der einzelnen Stacks auf eine vorteilhafte Weise berücksichtigt werden, insbesondere im (unteren) Teillastbetrieb des Systems. Weiterhin können nicht nur die Systemebenen innerhalb und/oder oberhalb der einzelnen Stacks, sondern auch die dem Brennstoffzellensystem übergeordneten Systemebenen berücksichtigt werden.
-
Mithilfe des Verfahrens kann eine Abstimmung aller relevanten Betriebsziele des Wassermanagements innerhalb und/oder oberhalb der einzelnen Stacks sowie innerhalb und/oder oberhalb des gesamten Brennstoffzellensystems auf eine vorteilhafte Weise (oder mit anderen Worten über verschiedene Systemebenen) ermöglicht werden.
-
Mithilfe des Verfahrens können die Betriebsziele des Wassermanagements in allen Systemebenen möglichst komponentenschonend verfolgt werden. Die Betriebsmodi bzw. Betriebszustände mit einer eher trockenen und/oder feuchten Stöchiometrie können vorzugsweise abwechselnd und/oder stackübergreifend eingeleitet werden.
-
Vorteilhafterweise können bei dem Verfahren die Freiheitsgrade sowie Limitierungen in den jeweiligen Systemebenen berücksichtigt werden. Auch gewisse Kopplungsgrößen innerhalb der Ebenen und/oder zwischen den Ebenen können dabei adressiert werden.
-
Mithilfe des Verfahrens können mehrere wesentliche Vorteile erreicht werden:
- • Erfüllung der Betriebsziele des Wassermanagements auf verschiedenen Ebenen, z.B. sowohl Leistungsanforderungen des Fahrers als auch Anforderungen der Stacks über einen großen Betriebsbereich (weltweite Bedingungen von Heißland, Bergfahrt, Kaltland, etc.),
- • Vermeidung von Flutung im Teillast-Betrieb,
- • Vermeidung bzw. Minimierung von Alterung der Stacks,
- • Vermeidung von Austrocknung der Stacks und Leistungseinbußen bzw. Leistungsderating,
- • Optimierter Wasserstoffverbrauch, usw.
-
Besondere Vorteile kann das Verfahren in einem Teillastbetrieb, vorzugsweise in einem unteren Teillastbetrieb, des Brennstoffzellensystems entfalten, weil es dort bei dem Wassermangement oft zu einem Zielkonflikt kommt, insbesondere zwischen einer minimalen Feuchte bzw. Aktivität, damit die Membran nicht austrocknet, und einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit, damit das Wasser abtransportiert werden kann. Durch die Koordinierung und/oder Optimierung des intermittierenden Betriebs auf unterschiedlichen Systemebenen (innerhalb und/oder oberhalb der einzelnen Stacks) sowie eine systemübergreifende Leistungsverzweigung (innerhalb und/oder oberhalb des gesamten Brennstoffzellensystems) können sämtliche Betriebsziele des Wassermanagements möglichst gleichmäßig und komponentenschonend berücksichtig werden.
-
Das Verfahren kann vorteilhafterweise vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von einer geplanten und/oder erwarteten Lasttrajektorie des Brennstoffzellensystems, geplant, eingeleitet und/oder durchgeführt werden. Wenn z. B. bekannt ist, dass auf einer voraussichtlichen Strecke des Fahrzeuges nur in Teillast gefahren werden kann, so kann die erforderliche Leistung abwechselnd zwischen dem Brennstoffzellensystem (insbesondere den mehreren Stacks) und Energiespeicher (z.B. HV-Batterie, LV-Batterie, Supercaps) aufgeteilt werden. Zugleich kann die erforderliche Leistung zwischen den mehreren Stacks (symmetrisch oder asymmetrisch) aufgeteilt werden. Außerdem kann der intermittierende Betrieb abwechselnd (asynchron oder synchron) in den einzelnen Stacks eingeleitet werden. Vorzugsweise kann dabei darauf geachtet werden, dass die zu trockenen Phasen oder die zu feuchten Phasen möglichst gleichmäßig über die einzelnen Stacks verteilt werden, indem insbesondere die Leistungsänderung durch das Toggeln jeweils durch die anderen Stacks bzw. anderen Energiespeicher ausgeglichen/kompensiert werden kann.
-
Das Verfahren kann vorsehen, dass bei dem intermittierenden Betrieb mindestens zwei oder drei (bspw. B1, B2, B3 oder B1, B3, B4) von den unterschiedlichen Betriebszielen in dem jeweils aktuellen Betriebsmodus erfüllt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Betriebsziele zumindest im Mittel eingehalten werden.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des korrespondierenden Stacks und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels, vorzugsweise wiederholt, bspw. synchron oder asynchron, umgeschaltet wird. Hierbei ist es denkbar, dass der Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und der Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie aufweist. Der Trockenbetrieb kann vorteilhafterweise kurzzeitig eingeschaltet werden, um das Wasser abzutragen, sollte das System über längere Zeiten in einem Teillastbetrieb betrieben werden. Der Feuchtebetrieb kann wiederum über längere Zeiten in einem Teillastbetrieb eingeschaltet bleiben und nur kurzzeitig unterbrochen werden, um den Trockenbetrieb durchzuführen.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei dem intermittierenden Betrieb in einem Trockenbetrieb dem Ziel, Einhalten einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit, gegenüber dem Ziel, Einhalten einer minimalen Aktivität im Betrieb des korrespondierenden Stacks, eine höhere Priorität erteilt wird. Auf diese Weise kann auch im Teillastbetrieb des Systems das Produktwasser sicher abtransportiert werden.
-
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass bei dem intermittierenden Betrieb in einem Feuchtebetrieb dem Ziel, Einhalten einer minimalen Aktivität im Betrieb des korrespondierenden Stacks, gegenüber dem Ziel, Einhalten einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit, eine höhere Priorität erteilt wird. Auf diese Weise können auch im Teillastbetrieb des Systems die Grenzen, insbesondere die untere Grenze, für die Feuchtigkeit eingehalten werden.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass bei dem intermittierenden Betrieb ein Trockenbetrieb des korrespondierenden Stacks zeitgesteuert und/oder Integrator-gesteuert, insbesondere im Hinblick auf eine Wasseransammlung, eingeleitet wird. Auf diese Weise kann eine einfache und/oder gezielte Einleitung des Trockenbetriebes ermöglicht werden.
-
Zudem kann vorgesehen sein, dass beim Betreiben des mindestens einen Stacks von den mehreren Stacks in einem intermittierenden Betrieb weitere Betriebsziele von mindestens einem weiteren System des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden:
- • Thermomanagementsystem,
- • Energiemanagementsystem,
- • Leistungsmanagementsystem, usw.
-
Auf diese Weise können die Freiheitsgrade innerhalb des jeweiligen Stacks, z.B. zwischen Kathodendruck im Stack vs. Luftüberschuss bzw. Stöchiometrie, Temperaturniveau und die elektrische Leistung auf eine vorteilhafte Weise ausgenutzt werden, um die Betriebsziele des Wassermanagements möglichst effizient zu verfolgen. Eine der Aufgaben der Steuerung/Regelung des Stacks ist das Wassermanagement bzw. Feuchtemanagement der Membran. Da die Temperatur eine wichtige Rolle dabei spielt kann dieses mit dem Thermomanagement bzw. den Kühlkreisen auf eine vorteilhafte Weise gekoppelt werden. Weitere Bedingungen können dazukommen, z.B. ausreichend Wasserstoff auf der Anodenseite.
-
Die Parameter, die dabei gesteuert/geregelt werden können, sind z. B.:
- • Druck am Kathodeneintritt in den Stack,
- • Luftüberschuss bzw. Massenfluss am Kathodeneintritt,
- • Stromstärke,
- • Temperatur des Kühlmittels,
- • Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen dem Kathodeneintritt und dem Kathodenaustritt,
- • Feuchtigkeit am Kathodeneintritt,
- • Impedanzantwort, usw.
-
Aus den oben gezeigten Parametern kann außerdem eine Aktivität am Kathodenausgang des Stacks berechnet werden, die als eine Regelgröße verwendet werden kann. Für jeden Betriebsmodus bzw. Betriebszustand (Trockenbetrieb, Feuchtebetrieb, usw.) kann ein bestimmter Bereich für die Aktivität vorgesehen sein. Dieser (Toleranz-)Bereich kann vorteilhafterweise als Freiheitsgrad für die Optimierung genutzt werden.
-
Folgender Freiheitsgrad kann beispielsweise mit einer hohen Dynamik genutzt werden:
- Kathodendruck im Stack vs. Luftüberschuss:
- • Im Normalbetrieb ist Luftüberschuss immer über 1 damit im Ausgangsbereich des Stacks noch ausreichend Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung steht und die komplette Stackfläche für die Leistungserzeugung genutzt werden kann.
- • Um gleiche Austrittsaktivität actCathout zu erhalten kann:
- - Kathodendruck im Stack erhöht werden und Luftüberschuss erniedrigt werden.
- - Kathodendruck im Stack erniedrigt werden und Luftüberschuss erhöht werden.
-
Damit ist innerhalb Top3ctl bereits ein Freiheitsgrad zur Optimierung gegeben. Weitere Freiheitsgrade zur Optimierung erfolgen z.B. über Änderungen der Temperatur und/oder elektrischer Größen, wie z. B. der Stromstärke, Stackleistung, Einspeisung ins Bordnetz usw..
-
Die Subsysteme erhalten entsprechende Vorgaben und setzen diese Vorgaben um, darunter:
- • Luftsystem bzw. Kathodensystem,
- • Anodensystem,
- • Kühlmittelsystem, für Medienversorgung Kühlpfad Stack
- • elektrisches System.
-
Sind die Subsysteme gekoppelt bzw. verteilt (d.h. nicht jeder Stack hat sein eigenes Subsystem), so werden die Kopplungsgrößen als weitere Bedingung in den Optimierungen berücksichtigt
-
Zudem kann vorgesehen sein, dass beim Verzweigen einer erforderlichen Leistung zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks die Aufteilung symmetrisch oder asymmetrisch erfolgt, sodass insbesondere bei dem intermittierenden Betrieb eine Leistungsaufteilung und/oder Leistungskompensation zwischen den mehreren Stacks erfolgenden kann. Die angeforderte Gesamtleistung an das System kann auf die Stacks in Form von Teil-Anforderungen aufgeteilt werden. Die Aufteilung kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Dieser Freiheitsgrad der Aufteilung kann auf eine vorteilhafte Weise bei einem stackübergreifend intermittierenden Betrieb genutzt werden. Die Aufteilung der Leistungen kann somit zum Intermittieren bzw. Toggeln der Leistungen eingesetzt bzw. moduliert werden, sodass bspw.:
- • ein Teil der Betriebsziele des Wassermanagements und ggf. weitere Bedingungen zeitlich abwechselnd erfüllt und im Mittel insgesamt erfüllt werden.
- • gleichzeitig auch die angeforderten Leistungen erfüllt werden.
- • für Stacks, die in höherer Last betrieben werden (Mittellast, Hochlast), fällt das Betriebsziel B4 weg bzw. ist automatisch aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten erfüllt.
-
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass beim Verzweigen einer erforderlichen Leistung zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks und mindestens einem Energiespeicher des Fahrzeuges unterschiedliche Energiespeicher und/oder Verbraucher des Fahrzeuges berücksichtigt werden, sodass insbesondere bei dem intermittierenden Betrieb eine Leistungsaufteilung und/oder Leistungskompensation zwischen den mehreren Stacks und/oder den unterschiedlichen Energiespeichern und/oder Verbrauchern des Fahrzeuges erfolgenden kann.
-
Von der Gesamtfahrzeugsteuerung bzw. vom Antriebsstrang (Powertrain/Drivetrain) kann eine Anforderung für eine elektrische Gesamtleistung (die erforderliche Leistung) ermittelt werden, die bspw. zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. zur Versorgung weiterer Verbraucher im Fahrzeug erforderlich ist. Diese Leistung kann entweder von Energiespeichern (meist HV-Batterie, LV-Batterie und/oder Supercaps usw.) und/oder von einem oder mehreren Stacks geliefert werden. Abhängig von den Betriebsbedingungen und der Höhe der Leistungsanforderung kann der Betrieb der Stacks entsprechend angesteuert werden. Die Energiespeicher können bspw. bei Beschleunigungen und zur Energierekuperation eingesetzt werden. Dieser Freiheitsgrad der Aufteilung zwischen den Stacks und den Energiespeichern kann auf eine vorteilhafte Weise genutzt werden. Vorteilhafterweise können die Energiespeicher auch zum Intermittieren bzw. Toggeln der Leistungen eingesetzt werden, sodass bspw.:
- ◯ ein Teil der Betriebsziele des Wassermanagements und ggf. weitere Bedingungen zeitlich abwechselnd erfüllt und im Mittel insgesamt erfüllt werden.
- ◯ gleichzeitig auch die angeforderten Leistungen erfüllt werden.
-
Die Leistungsaufteilung kann vorteilhafterweise so geplant und umgesetzt werden, sodass der Teillastbetrieb des mindestens einen Stacks bzw. der relevanten Stacks so moduliert wird, dass alle relevanten Anforderungen aus verschiedenen Systemebenen erfüllt werden.
-
Die Anforderungen von der Fahrzeugsteuerung können auch - anstatt elektrische Leistung - auf andere Zielgrößen z.B. eine angeforderte Abwärme bzw. Heizleistung (z.B. für Standheizung Fahrzeug bzw. Kabinenheizung) umgeschaltet werden.
-
Eine entsprechende Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Die Steuereinheit kann dabei vorteilhafterweise die Rolle eines Energiemanagementsystems bzw. Leistungs- und Energie-Koordinators für die Schritte Toplctl und Top2ctl erfüllen. Weiterhin kann die Steuereinheit dazu ausgeführt sein, den intermittierenden Betrieb für den Schritt Top3ctl innerhalb und/oder außerhalb der Stacks entsprechend einzuleiten. Die Steuereinheit kann dabei zumindest zum Teil in einer zentralen Steuereinheit des Brennstoffzellensystems oder zumindest zum Teil in einer zentralen Steuereinheit des Fahrzeuges implementiert sein.
-
Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit einer korrespondierenden Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. Mithilfe des Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
-
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem,
- 2 eine beispielhafte Darstellung unterschiedlicher Betriebsziele eines Wassermanagementsystems mithilfe einer Darstellung einer Kathodenstöchiometrie über Druck im Kathodenpfad eines Stacks, und
- 3 einen schematischen Ablauf des Verfahrens.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
-
Die 1 bis 3 dienen zum Erklären eines Verfahrens, welches zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 mit mehreren Stacks 101 (vgl. 1), insbesondere in einem Teillastbetrieb, vorzugsweise in einem unteren Teillastbetrieb, entwickelt wurde.
-
Das Brennstoffzellensystem 100 kann dabei als ein Energielieferant, insbesondere ein Hauptenergielieferant und/oder ein Nebenenergielieferant, für ein elektrisches Bordnetz und/oder eine E-Maschine des Fahrzeuges dienen.
-
Wie es die 1 andeutet, können die Stacks 101 mehrere Subsysteme 10, 20, 30, darunter bspw. ein Luft- bzw. Kathodensystem 10, ein Anodensystem 20 und/oder ein Kühlsystem 30 und/oder ein elektrisches System (nicht dargestellt) umfassen.
-
Das Kathodensystem 10 ist mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101 ausgeführt. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
-
In der Zuluftleitung 11 wird zumeist mindestens eine Gasfördermaschine V, bspw. in Form eines Verdichters, angeordnet, um die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer verdichteten Zuluft L1 an den jeweiligen Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft L2 aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen.
-
Wie es die 1 andeutet, kann in der Abluftleitung 12 eine Turbine T vorgesehen sein, die bspw. die Druckenergie der Abluft L2 in die mechanische Energie umwandeln kann.
-
Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil vorgesehen sein. Die Bypassleitung 13 kann bspw. zur Massenstromsteuerung im Kathodensystem 10 und/oder zur Verdünnung der, ggf. wasserstoffhaltigen, Abluft von dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 genutzt werden.
-
Das Kühlmittelsystem 30 dient zum Temperieren des jeweiligen Stacks 101.
-
Das Anodensystem 20 weist zumeist mindestens einen Brennstofftank 21 und weitere Komponenten (nicht dargestellt), um ein Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, an den jeweiligen Stack 101 bereitzustellen.
-
Jeder Stack 101 weist jeweils ein Wassermanagementsystem 102 auf, wobei jedes Wassermanagementsystem 102 unterschiedliche Betriebsziele B1, B2, B3, B4 (vgl. hierzu 2) aufweist, die ebenfalls als Anforderungen/Bedingungen bezeichnet werden können.
-
Die unterschiedlichen Betriebsziele B1, B2, B3, B4 können umfassen:
- B1) Einhalten einer maximalen Feuchte und/oder maximalen Aktivität aMax im Betrieb eines korrespondierenden Stacks 101.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Stack (Membran, etc...) nicht zu feuchte Bedingungen herrschen, z.B. bewertbar durch Aktivität a, die kleiner als Schwelle sein kann, a < aMax.
-
Die unterschiedlichen Betriebsziele B1, B2, B3, B4 können ferner umfassen:
- B2) Einhalten einer minimalen Feuchte und/oder minimalen Aktivität aMin im Betrieb des korrespondierenden Stacks 101.
-
Dabei ist es berücksichtigen, dass im Stack (Membran, etc...) nicht zu trockene Bedingungen herrschen, z.B. bewertbar durch Aktivität a, die größer als Schwelle sein kann, a > aMin.
-
Die unterschiedlichen Betriebsziele B1, B2, B3, B4 können ferner umfassen:
- B3) Einhalten eines minimalen Sauerstoffpartialdrucks pO2Min in einem zugehörigen Kathodensystem 10, insbesondere an einem Ausgang aus einem Kathodenpfad, des korrespondierenden Stacks 101.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Sauerstoffpartialdruck ausreichend hoch sein soll, um die Reaktion bzw. die O2-Versorgung sicherzustellen, z.B. bewertbar durch den Sauerstoffpartialdruck am Kathodenausgang pO2 > pO2Min.
- B4) Einhalten einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit vCathMin im zugehörigen Kathodensystem 10 des korrespondierenden Stacks 101 und ggf. einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit vAnodMin im zugehörigen Anodensystem 20 des korrespondierenden Stacks 101.
-
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Strömungsgeschwindigkeit(en) ausreichend hoch sein sollen, damit das Produktwasser (oder einfach Wasser) ausreichend abtransportiert wird, insbesondere Geschwindigkeit der Zuluft L1 vCath > vCathMin und ggf. auch Geschwindigkeit des brennstoffhaltigen Reaktanten vAnod > vAnodMin. Vorzugsweise soll das Wasser als ein dünner Wasserfilm durch die Gasströmungen abtransportiert werden. Ist die Gasströmung zu gering, bilden sich Wasserstropfen und können die Kanäle in dem Stack 101 und/oder in den jeweiligen Subsystemen 10, 20 verstopfen und/oder Flutung einzelner Zellen innerhalb der Stacks 101 verursachen.
-
Das Verfahren sieht vor:
- Top3ctl Betreiben mindestens eines Stacks 101 von den mehreren Stacks 101 in einem intermittierenden Betrieb TOG, bei dem bestimmte Betriebsziele B1, B2, B3, B4 eines korrespondierenden Wassermanagementsystems 102 in unterschiedlichen Betriebsmodi M1, M2 abwechselnd verfolgt werden.
- Top3ctl kann vorzugsweise ein Wassermanagement, ggf. kombiniert mit Kühlsystemsteuerung bzw. Thermomanagement in den einzelnen Stacks vorsehen.
- Top2ctl Verzweigen (bzw. Verteilen) einer erforderlichen Leistung P gemeint ist dabei die elektrische Leistung zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks 101, sodass die Stacks 101 abwechselnd synchron oder asynchron in unterschiedlichen Betriebsmodi M1, M2 bei dem intermittierenden Betrieb TOG betrieben werden können,
- Top2ctl kann vorzugsweise eine Leistungsverzweigung zwischen den mehreren Stacks vorsehen.
- Toplctl Verzweigen (bzw. Verteilen) der erforderlichen Leistung P zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks 101 und mindestens einem Energiespeicher des Fahrzeuges, sodass der mindestens eine Energiespeicher bei dem intermittierenden Betrieb TOG eingesetzt werden kann.
- Toplctl kann vorzugsweise eine Leistungsverzweigung zwischen Energiewandlern (insbesondere den mehreren Stacks) und Energiespeicher (z.B. HV-Batterie, LV-Batterie, Supercaps) vorsehen.
-
Die Schritte Toplctl, Top2ctl, Top3ctl sind in der 3 angedeutet. Die Schritte Top1ctl, Top2ctl, Top3ctl können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. Gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen.
-
Die 2 zeigt in der oberen Darstellung eine Situation bei einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100. Dabei können im Bereich S alle oben genannten Betriebsziele B1, B2, B3, B4 des jeweiligen Wassermanagementsystems 102 erfüllt werden.
-
Die 2 zeigt in der unteren Darstellung eine Situation bei einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems 100. Dabei können nicht alle oben genannten Betriebsziele B1, B2, B3, B4 des jeweiligen Wassermanagementsystems 102 erfüllt werden, insbesondere nicht die Ziele B2 und B4 können nicht gleichzeitig eingehalten werden. Folglich ist es ersichtlich, dass sich bei einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 ein Zielkonflikt zwischen den Zielen B2 und B4 ergeben kann, insbesondere zwischen Ziel B2 bzw. einer minimalen Feuchte bzw. Aktivität a, damit die Membran nicht austrocknet, und Ziel B4 bzw. einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit, damit das Wasser abtransportiert werden kann.
-
Wie es die 2 andeutet kann dieser Zielkonflikt durch den intermittierenden Betrieb TOG adressiert werden, bei dem abwechselnd entweder dem einen oder dem anderen Betriebsziel B2 oder B4 Priorität verliehen werden kann. Dies ist zulässig bzw. möglich, weil der Stack und die Materialien eine gewisse Kapazität Wasserspeicherfähigkeit und damit eine Trägheit/Kompensation besitzen.
-
Beispielsweise kann der intermittierende Betrieb TOG vorsehen:
- • Kathoden-Drain-Vorgang. Dabei kann von Zeit zu Zeit im Kathodensystem ein Drain-Vorgang ausgelöst werden.
-
Dabei kann, zumindest kurzzeitig, der Luft-Massenstrom durch den jeweiligen Stack 101 so erhöht werden, dass eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden kann, um das Wasser abzutransportieren, vorzugsweise bevor es die Kanäle verstopft. Zum Durchführen des Kathoden-Drain-Vorganges kann ein stationärer Teillastbetrieb zumindest zeitweise unterbrochen werden.
-
Im Allgemeinen kann der intermittierende Betrieb TOG vorsehen:
- • Umschalten bzw. Toggeln zwischen zwei Betriebsmodi
-
Der intermittierende Betrieb TOG kann vorteilhafterweise ein Umschalten bzw. Toggeln zwischen zwei Betriebsmodi bzw. Betriebszustände (trocken vs. feucht) in jeweils einem Stack 101 oder stackübergreifend, bspw. abwechselnd, ermöglichen. Der intermittierende Betrieb TOG kann zeitgesteuert oder auch Integrator-gesteuert (Berechnung Wasseransammlung in dem jeweiligen Stack) getriggert werden.
-
Auf diese Weise können die Zielkonflikte (trocken vs. feucht) zur Einhaltung aller relevanten Betriebsziele B1, B2, B3, B4 des Wassermanagements 102 der einzelnen Stacks 101 zumindest im Mittel eingehalten werden.
-
Das Verfahren ermöglicht auf eine vorteilhafte Weise, dass die Leistungsverzweigung systemübergreifend Top1ctl sowie auf unterschiedlichen Ebenen Top1ctl, Top2ctl verteilt wird, und/oder dass der intermittierende Betrieb TOG koordiniert/optimiert auf unterschiedlichen Ebenen Top2ctl, Top3Ctl ausgeführt wird.
-
Die Betriebsmodi M1, M2 bzw. Betriebszustände mit einer eher trockenen und/oder feuchten Stöchiometrie können vorzugsweise abwechselnd über die einzelnen Stacks 101 verteilt werden.
-
Wie es die 3 andeutet, können bei dem Verfahren die Freiheitsgrade FG sowie Limitierungen LM in den jeweiligen Systemebenen berücksichtigt werden.
-
Auch gewisse Kopplungsgrößen KG innerhalb der Ebenen und/oder zwischen den Ebenen können dabei adressiert werden.
-
Mithilfe des Verfahrens können mehrere wesentliche Vorteile erreicht werden:
- • Erfüllung der Betriebsziele des Wassermanagements auf verschiedenen Ebenen, z.B. sowohl Leistungsanforderungen des Fahrers als auch Anforderungen der Stacks über einen großen Betriebsbereich weltweite Bedingungen von Heißland, Bergfahrt, Kaltland, etc.,
- • Vermeidung von Flutung im Teillast-Betrieb,
- • Vermeidung bzw. Minimierung von Alterung der Stacks,
- • Vermeidung von Austrocknung der Stacks und Leistungseinbußen bzw. Leistungsderating,
- • Optimierter Wasserstoffverbrauch, usw.
-
Das Verfahren kann vorteilhafterweise vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von einer geplanten und/oder erwarteten Lasttrajektorie des Brennstoffzellensystems 100, geplant, eingeleitet und/oder durchgeführt werden. Wenn z. B. bekannt ist, dass auf einer voraussichtlichen Strecke des Fahrzeuges nur in Teillast gefahren werden kann, so kann die erforderliche Leistung abwechselnd zwischen dem Brennstoffzellensystem 100 (insbesondere den mehreren Stacks 101) und Energiespeicher (z.B. HV-Batterie, LV-Batterie, Supercaps) aufgeteilt werden. Zugleich kann die erforderliche Leistung zwischen den mehreren Stacks 101 (symmetrisch oder asymmetrisch) aufgeteilt werden. Außerdem kann der intermittierende Betrieb TOG abwechselnd (asynchron oder synchron) in den einzelnen Stacks 101 eingeleitet werden. Vorzugsweise kann dabei darauf geachtet werden, dass die zu trockenen Phasen oder die zu feuchten Phasen möglichst gleichmäßig über die einzelnen Stacks 101 verteilt werden, sodass die Stacks 101 möglichst gleichmäßig altern.
-
Wie es die 2 andeutet, können bei dem intermittierenden Betrieb TOG drei Betriebsziele (bspw. B1, B2, B3 oder B1, B3, B4) von den unterschiedlichen Betriebszielen B1, B2, B3, B4 in dem jeweils aktuellen Betriebsmodus M1, M2 erfüllt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Betriebsziele B1, B2, B3, B4 zumindest im Mittel eingehalten werden.
-
Wie aus der 2 erkannt werden kann, kann bei dem intermittierenden Betrieb TOG zwischen einem Trockenbetrieb M1 des korrespondierenden Stacks 101 und einem Feuchtebetrieb M2 des Brennstoffzellenstapels 101, vorzugsweise wiederholt, bspw. synchron oder asynchron, umgeschaltet werden. Der Trockenbetrieb M1 kann eine gegenüber dem Feuchtebetrieb M2 erhöhte Stöchiometrie λ und der Feuchtebetrieb M2 eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie λ aufweisen. Der Trockenbetrieb M1 kann vorteilhfterweise kurzzeitig bei einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 eingeschaltet werden, um das Wasser auszutragen. Der Feuchtebetrieb M2 kann wiederum über längere Zeiten in einem Teillastbetrieb eingeschaltet bleiben und nur kurzzeitig unterbrochen werden, um den Trockenbetrieb M1 durchzuführen.
-
Weiterhin deutet die 2 an, dass bei dem intermittierenden Betrieb TOG in einem Trockenbetrieb M1 dem Ziel B4, Einhalten einer minimalen Strömungsgeschwindigkeit vCathMin, gegenüber dem Ziel B2, Einhalten einer minimalen Aktivität aMin im Betrieb des korrespondierenden Stacks 101, eine höhere Priorität erteilt wird.
-
Des Weiteren deutet die 2 an, dass bei dem intermittierenden Betrieb TOG in einem Feuchtebetrieb M2 dem Ziel B2, Einhalten einer minimalen Aktivität aMin im Betrieb des korrespondierenden Stacks 101, gegenüber dem Ziel B4, Einhalten eines minimaler Strömungsgeschwindigkeit vCathMin, eine höhere Priorität erteilt wird.
-
Der Trockenbetrieb M1 des korrespondierenden Stacks 101 kann bspw. zeitgesteuert und/oder Integrator-gesteuert, insbesondere im Hinblick auf eine Wasseransammlung, eingeleitet werden.
-
Beim Betreiben Top3ctl des mindestens einen Stacks 101 von den mehreren Stacks 101 in einem intermittierenden Betrieb TOG werden weitere Betriebsziele von mindestens einem weiteren System des Brennstoffzellensystems 100 berücksichtigt:
- • Thermomanagementsystem,
- • Energiemanagementsystem,
- • Leistungsmanagementsystem, usw.
-
Auf diese Weise können die Freiheitsgrade FG innerhalb des jeweiligen Stacks 101 auf eine verbesserte Weise ausgenutzt werden, z.B. zwischen Kathodendruck im Stack pStack vs. Luftüberschuss bzw. Stöchiometrie lambdaStack, Temperaturniveau, die durch ein gemeinsames oder mehrere gekoppelte oder separate Kühlsysteme 30 eingeregelt werden kann, die elektrische Leistung usw.
-
Die Parameter, die dabei gesteuert/geregelt werden können, sind z. B.:
- • Druck am Kathodeneintritt in den Stack pCath,
- • Luftüberschuss lambdaCath bzw. Massenfluss am Kathodeneintritt mfCath,
- • Stromstärke iStack,
- • Temperatur des Kühlmittels TCool,
- • Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen dem Kathodeneintritt und dem Kathodenaustritt dTCool,
- • Feuchtigkeit am Kathodeneintritt fiCath,
- • Impedanzantwort EIS, usw.
-
Aus den gezeigten Parametern kann außerdem eine Aktivität a am Kathodenausgang des Stacks berechnet werden, die als eine Regelgröße verwendet werden kann. Für jeden Betriebsmodus bzw. Betriebszustand (Trockenbetrieb M1, Feuchtebetrieb M2, usw.) kann ein bestimmter Bereich für die Aktivität a vorgesehen sein. Dieser Toleranz-Bereich kann vorteilhafterweise als Freiheitsgrad für die Optimierung genutzt werden.
-
Folgender Freiheitsgrad kann bspw. genutzt werden:
- Kathodendruck im Stack pStack vs. Luftüberschuss lambdaCath:
- • Um gleiche Austrittsaktivität actCathout zu erhalten kann:
- • Kathodendruck im Stack pStack erhöht werden und Luftüberschuss lambdaCath erniedrigt werden.
- • Kathodendruck im Stack pStack erniedrigt werden und Luftüberschuss lambdaCath erhöht werden.
-
Damit ist innerhalb Top3ctl bereits ein Freiheitsgrad zur Optimierung gegeben. Weitere Freiheitsgrade zur Optimierung erfolgen z.B. über Änderungen der Temperatur und/oder elektrischer Größen, wie z. B. der Stromstärke, Stackleistung, Einspeisung ins Bordnetz usw.
-
Die Subsysteme 10, 20, 30 erhalten entsprechende Vorgaben und setzen diese Vorgaben um, vgl. 3.
-
Sind die Subsysteme 10, 20, 30 gekoppelt bzw. verteilt, sodass nicht jeder Stack sein eigenes Subsystem hat, so können die Kopplungsgrößen KG als weitere Bedingung in den Optimierungen berücksichtigt werden.
-
Beim Verzweigen Top2Ctl einer erforderlichen Leistung P zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks 101 kann die Aufteilung symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Die angeforderte Gesamtleistung an das System 100 kann auf die Stacks 101 in Form von Teil-Anforderungen aufgeteilt werden. Dieser Freiheitsgrad FG der Aufteilung kann auf eine vorteilhafte Weise bei einem stackübergreifend intermittierenden Betrieb genutzt werden. Die Aufteilung der Leistungen kann somit zum Intermittieren bzw. Toggeln der Leistungen eingesetzt bzw. moduliert werden, sodass bspw.:
- • ein Teil der Betriebsziele B1, B2, B3, B4 des Wassermanagements und ggf. weitere Bedingungen zeitlich abwechselnd erfüllt und im Mittel insgesamt erfüllt werden.
- • gleichzeitig auch die angeforderten Leistungen erfüllt werden.
- • für Stacks, die in höherer Last betrieben (Mittellast, Hochlast) fällt das Betriebsziel B4 weg bzw. ist automatisch aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten erfüllt.
-
Beim Verzweigen Top1Ctl einer erforderlichen Leistung P zum Betrieb des Fahrzeuges zwischen den mehreren Stacks 101 und mindestens einem Energiespeicher des Fahrzeuges können unterschiedliche Energiespeicher und/oder Verbraucher des Fahrzeuges berücksichtigt werden.
-
Von der Gesamtfahrzeugsteuerung bzw. vom Antriebsstrang (Powertrain/Drivetrain) kann eine Anforderung für eine elektrische Gesamtleistung (die erforderliche Leistung) ermittelt werden, die bspw. zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. zur Versorgung weiterer Verbraucher im Fahrzeug erforderlich ist. Diese Leistung kann entweder von Energiespeichern (meist HV-Batterie, LV-Batterie und/oder Supercaps usw.) und/oder von einem oder mehreren Stacks 101 geliefert werden. Dieser Freiheitsgrad der Aufteilung zwischen den Stacks 101 und den Energiespeichern kann auf eine vorteilhafte Weise auch für den intermittierenden Betrieb TOG eingesetzt werden, sodass bspw.:
- ◯ ein Teil der Betriebsziele B1, B2, B3, B4 des Wassermanagements und ggf. weitere Bedingungen zeitlich abwechselnd erfüllt und im Mittel insgesamt erfüllt werden.
- ◯ gleichzeitig auch die angeforderten Leistungen erfüllt werden.
-
Die Anforderungen von der Fahrzeugsteuerung können auch - anstatt erforderliche Leistung P- auf andere Zielgrößen z.B. eine angeforderte Abwärme bzw. Heizleistung z.B. für Standheizung Fahrzeug bzw. Kabinenheizung umgeschaltet werden.
-
Eine entsprechende Steuereinheit 110 stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. Die Steuereinheit 110 kann dabei vorteilhafterweise die Rolle eines Energiemanagementsystems bzw. Leistungs- und Energie-Koordinators für die Schritte Top1ctl und Top2ctl erfüllen. Weiterhin kann die Steuereinheit 110 dazu ausgeführt sein, den intermittierenden Betrieb für den Schritt Top3ctl innerhalb und/oder außerhalb der Stacks entsprechend einzuleiten. Die Steuereinheit 110 kann dabei zumindest zum Teil in einer zentralen Steuereinheit des Brennstoffzellensystems 100 oder zumindest zum Teil in einer zentralen Steuereinheit des Fahrzeuges implementiert sein.
-
Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem 100 mit einer korrespondierenden Steuereinheit 110 stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit.
-
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
-
Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
