DE10236739A1 - Regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

Regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug

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Abstract

Ein regeneratives Bremssystem und -verfahren für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, eine Vielzahl von Nebenlasten und eine regenerative Bremsvorrichtung, die mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die regenerative Bremsvorrichtung betreibt Nebenlasten, wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst. Die Brennstoffzelle betreibt die Lasten, wenn das Fahrzeug beschleunigt oder mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird. Die regenerative Bremsvorrichtung dissipiert Energie in einem Luftversorgungskompressor, wenn das Fahrzeug bergab fährt, um eine Bremsenunterstützung vorzusehen. Der Kompressor kann mit hohem Luftdurchsatz und hohem Druck betrieben werden, um eine künstlich hohe Last zu erzeugen. Ein Bypassventil wird moduliert, um die künstlich hohe Last des Kompressors einzustellen. Ein Rückschlagventil schützt den Brennstoffzellenstapel vor dem hohen Luftdurchsatz und Druck. Eine Steuerung steuert ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und moduliert das Bypassventil.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere Brennstoffzellen, die ein regeneratives Bremsen/Rückgewinnungsbremsen verwenden.
  • Brennstoffzellensysteme werden bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen zunehmend als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind auch zum Gebrauch bei Fahrzeugen als ein Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Eine Brennstoffzelle mit einem Festpolymerelektrolyten umfasst eine Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode schichtartig angeordnet ist. Um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, wird Wasserstoff (H2) an die Anode und Sauerstoff (O2) an die Kathode geliefert. Die Quelle für Wasserstoff ist typischerweise reiner Wasserstoff, reformiertes Methanol oder andere reformierte Kohlenwasserstoff-Brennstoffe.
  • Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt eine Dissoziation des Wasserstoffs (H2) an der Anode Wasserstoffprotonen (H+) und Elektronen (e-). Die Membran ist protonenleitend und dielektrisch. Als Ergebnis werden die Protonen durch die Membran transportiert, während die Elektronen durch eine elektrische Last fließen, die über die Membran geschaltet ist. Die elektrische Last ist typischerweise ein Motor, der die Räder des Fahrzeugs antreibt, oder eine oder mehrere Speicherbatterien. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O2) an der Kathode mit Protonen (H+), und Elektronen (e-) werden aufgenommen, um Wasser (H2O) zu bilden. Daher besitzen Brennstoffzellenfahrzeuge wenig oder gar keine Emissionen.
  • Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren und Hybridfahrzeuge verwenden manchmal eine regenerative Bremsung/Nutzbremsung, um den Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern. Bei Fahrzeugen ohne regenerative Bremsung bewirkt das durch die Bremsen erzeugte Drehmoment eine Reibung, die die Räder des Fahrzeugs verlangsamt. Die Reibung erzeugt Abwärme, die die Temperatur der Bremsen erhöht. Vorrichtungen zur regenerativen Bremsung wandeln ein mechanisches Bremsdrehmoment, das während einer Fahrzeugverlangsamung auftritt, in Energie um. Die Energie, die durch das Bremsdrehmoment erzeugt wird, wird typischerweise dazu verwendet, ein Batteriepaket wieder aufzuladen, das Fahrzeugzubehörlasten antreibt, wie beispielsweise die Lampen/Leuchten, das Radio, Pumpen, die Klimaanlage, Lüfter/Gebläse und andere Vorrichtungen.
  • Bei dem U.S. Patent Nr. 4,489,242 von Worst, umfasst ein Fahrzeugantriebssystem einen Verbrennungsmotor und eine regenerative Bremsvorrichtung/Energierückgewinnungsbremsvorrichtung, die ein Batteriepaket lädt. Das Batteriepaket betreibt eine oder mehrere Fahrzeugzubehöreinrichtungen, wie beispielsweise die Fahrzeugleuchten, Pumpen der Servolenkungsanlage und Bremsanlage, die Klimaanlage, das Kühlgebläse, die Wasserpumpe, etc. Bei dem U.S. Patent Nr. 5,345,761 von King et al. wird eine regenerative Bremsung dazu verwendet, einen elektrisch erwärmten Hochspannungskatalysator anzutreiben, der das Abgas eines Verbrennungsmotors behandelt. In dem U.S. Patent Nr. 6,122,588 wird eine regenerative Bremsung dazu verwendet, Energie zu liefern, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu erhöhen und/oder verschiedene elektrische Lasten anzutreiben, wie beispielsweise Fahrzeugzubehöreinrichtungen.
  • Eine regenerative Bremsung wird allgemein durch einen Motor/Generator vorgesehen, der der Drehung der Räder durch Anlegen eines negativen oder fordernden Drehmomentes an die Räder des Fahrzeugs entgegenwirkt. Da das negative Drehmoment das Fahrzeug verlangsamt und oftmals dazu verwendet wird, die Bremsen zu unterstützen, reduzieren regenerative Bremssysteme allgemein die Abnutzung der Bremsen des Fahrzeugs, was die Wartungskosten verringert.
  • Da Brennstoffzellenfahrzeuge in dem Kraftfahrzeugbereich relativ neu sind, erzeugen derzeitige Brennstoffzellen nicht so viel Leistung wie Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellenfahrzeuge sind auch teurer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Bevor es zu einer breiten Akzeptanz von Brennstoffzellen kommt, müssen diese Leistungsfähigkeits- und Kostenbelange gelöst werden. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle steht in Verbindung mit dem Gewicht der Brennstoffzelle. Aufgrund des erhöhten Gewichts und der erhöhten Kosten von Batteriepaketen und DC/DC-Wandlern, die bei regenerativen Bremssystemen erforderlich sind, sind Fahrzeuge mit Brennstoffzellen bisher nicht mit regenerativen Bremssystemen ausgerüstet worden.
  • Ein regeneratives Bremssystem und -verfahren für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, eine Nebenlast und eine regenerative Bremsvorrichtung/Energierückgewinnungsbremsvorrichtung, die mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die regenerative Bremsvorrichtung betreibt die Nebenlast, wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst. Die Brennstoffzelle betreibt die Nebenlast, wenn das Fahrzeug beschleunigt oder mit einer konstanten Geschwindigkeit betrieben wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das regenerative Bremssystem einen Luftkompressor. Die regenerative Bremsvorrichtung dissipiert Energie in dem Luftkompressor, wenn das Fahrzeug bergab fährt, um eine Bremsenunterstützung vorzusehen. Ein Bypassventil besitzt einen Einlass, der mit dem Luftkompressor verbunden ist. Wenn das Fahrzeug bergab fährt, wird der Luftkompressor mit einem hohen Luftdurchsatz und hohem Druck betrieben, um eine künstliche Last zu erzeugen. Das Bypassventil wird moduliert, um die künstliche Last des Luftkompressors einzustellen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die regenerative Bremsvorrichtung ein elektrisches Traktionssystem. Ein Rückschlagventil ist mit einer Kathode des Brennstoffzellenstapels verbunden. Das Rückschlagventil schützt den Brennstoffzellenstapel vor dem hohen Luftdurchsatz und Druck. Eine Steuerung steuert ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und moduliert das Bypassventil, um die künstliche Last zu variieren.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend vorgesehenen detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Ausführungsbeispiele, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen sind und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • Die Erfindung wird nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • Fig. 1 einen Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung einer beispielhaften Brennstoffzelle zeigt;
  • Fig. 2 ein funktionelles Blockdiagramm ist, das einen Verbrennungsmotor mit Batterien und einer regenerativen Bremsvorrichtung zeigt;
  • Fig. 3 ein funktionelles Blockdiagramm ist, das ein batterieloses Brennstoffzellensystem mit einer regenerativen Bremsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 4 Schritte zum Betrieb des batterielosen Brennstoffzellensystems von Fig. 3 zeigt;
  • Fig. 5A, 5B und 5C Wellenformen sind, die ein regeneratives Bremsen bei dem batterielosen Brennstoffzellensystem von Fig. 3 zeigen;
  • Fig. 6 Wellenformen sind, die eine Gesamtenergie und regenerative Energie eines Abschnittes der Wellenform in Fig. 5 detaillierter zeigen; und
  • Fig. 7 eine beispielhafte alternative Position für ein Bypassventil und ein Rückschlagventil zeigt.
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendbarkeit oder ihre Verwendungen zu beschränken.
  • In Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10 gezeigt, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 umfasst. Bevorzugt ist die MEA 12 eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die MEA 12 umfasst eine Membran 14, eine Kathode 16 und eine Anode 18. Die Membran 14 ist zwischen einer inneren Fläche der Kathode 16 und einer inneren Fläche der Anode 18 schichtartig angeordnet.
  • Ein Kathodendiffusionsmedium 20 ist benachbart einer Außenfläche der Kathode 16 angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 24 ist benachbart einer Außenfläche der Anode 18 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst ferner eine Kathodendurchflussleitung 26 und eine Anodendurchflussleitung 28. Die Kathodendurchflussleitung 26 empfängt und lenkt Sauerstoff (O2) oder Luft von einer Quelle an das Kathodendiffusionsmedium 20. Die Anodendurchflussleitung 28 empfängt und lenkt Wasserstoff (H2) oder Reformat von einer Quelle an das Anodendiffusionsmedium 24. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass die Quelle für Wasserstoff bevorzugt reiner Wasserstoff, reformiertes Methanol, reformierter Kohlenwasserstoff-Brennstoff oder eine andere geeignete Wasserstoffquelle ist.
  • Bei der Brennstoffzellenanordnung 10 ist Membran 14 eine für Kationen durchlässige, protonenleitfähige Membran mit H+-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H2), und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff (O2). Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff in Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 18 und der Kathode 16 sind wie folgt:

    H2 = 2H+ + 2e-

    0,5 O2 + 2H+ + 2e- = H2O
  • Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Wasser, das erzeugt wird, an der Kathode 16 abgewiesen, die eine poröse Elektrode mit einer Elektrokatalysatorlage auf der Sauerstoffseite ist. Das Wasser kann, wenn es gebildet wird, gesammelt und von der MEA 12 der Brennstoffzellenanordnung 10 auf eine herkömmliche Art und Weise weggeführt werden. Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 24 zu dem Kathodendiffusionsmedium 20. Auf diese Art und Weise erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 10 Elektrizität. Eine elektrische Last 30, wie beispielsweise ein Motor, Fahrzeugzubehör oder eine andere Vorrichtung, ist elektrisch mit der MEA 12 mit einer Platte 32 und einer Platte 34 verbunden. Wenn die Platten 32 und 34 benachbart einer anderen Brennstoffzelle angeordnet sind, sind die Platten 32 und/oder 34 bipolar. Wenn keine andere Brennstoffzelle benachbart angeordnet ist, sind die Platten 32 und/oder 34 Endplatten.
  • In Fig. 2 ist ein Fahrzeug 50 gezeigt, das eine Speicherbatterie 52 umfasst. Eine regenerative Bremsvorrichtung 54 ist mit einem oder mehreren Rädern 56 des Fahrzeugs 50 gekoppelt. Die regenerative Bremsvorrichtung 54 erzeugt Energie, wenn das Fahrzeug ausrollt (wodurch eine geringfügige Verlangsamung bewirkt wird), bergab fährt und/oder wenn der Fahrer die Bremsen betätigt (um das Fahrzeug zu verlangsamen). Eine Energieverteilungsvorrichtung 60, wie beispielsweise ein Hochspannungsbus, verteilt die Energie, die durch die regenerative Bremsvorrichtung 54 erzeugt wird. Die Energieverteilungsvorrichtung 60 verteilt Energie direkt an eine oder mehrere Lasten 64 und/oder lädt die Speicherbatterie 52 abhängig von den jeweiligen Umständen wieder auf.
  • Wenn der Fahrer das Gaspedal drückt, erzeugt ein Verbrennungsmotor 70 Energie aus Luft 72 und Kraftstoff 74, der an den Motor 70 geliefert wird. Wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst, um die Geschwindigkeit zu verringern, erzeugt die regenerative Bremsvorrichtung 54 Energie, die dazu verwendet werden kann, die Speicherbatterie 52 zu laden und/oder die Lasten 64 zu betreiben. Oftmals liefert die Speicherbatterie 52 Energie an die Zubehöreinrichtungen bei niedrigeren Geschwindigkeiten und wenn das Fahrzeug gestoppt ist, um den Kraftstoffwirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern.
  • In Fig. 3 ist ein regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug gezeigt und allgemein mit 100 bezeichnet. Das regenerative Bremssystem 100 umfasst eine regenerative Bremsvorrichtung 102, die mit zumindest einem Rad 104 des Brennstoffzellenfahrzeugs gekoppelt ist. Die regenerative Bremsvorrichtung 102 ist bevorzugt ein elektrisches Traktionssystem. Das regenerative Bremssystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 106, der eine Anodendurchflussleitung mit einem Einlass 110 und einem Auslass 112 umfasst. Die Brennstoffzelle 106 umfasst auch eine Kathodendurchflussleitung 114 mit einem Einlass 116 und einem Auslass 118.
  • Das regenerative Bremssystem 100 umfasst ferner einen Luftkompressor 124, ein Rückschlagventil 126 und ein Bypassventil 128. Das Bypassventil 128 ist mit einem Auslass des Luftkompressors 124, einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 106 und der Umgebung verbunden. Eine Leistungsabgabe der regenerativen Bremsvorrichtung 102 ist mit einer Energieverteilungsvorrichtung 130 verbunden, die mit Lasten 134 verbunden ist. Die Lasten 134 umfassen bevorzugt Lüfter/Gebläse, Pumpen, einen Kompressor für eine Klimaanlage, Heizeinrichtungen, eine 12 Volt-Batterie und andere Vorrichtungen. Das Bremsdrehmoment (und die Bremsenergie), die durch die regenerative Bremsvorrichtung 102 vorgesehen wird, wird bevorzugt als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt.
  • Der Luftkompressor 124 setzt Versorgungsluft 140 unter Druck und gibt die unter Druck stehende Luft an das Bypassventil 128 aus. Eine Steuerung 144 ist mit dem Rückschlagventil 126, dem Bypassventil 128, dem Kompressor 124 und einem Fahrzeugdatenbus 148 verbunden. Die Steuerung 144 moduliert das Bypassventil 128, um die Luft selektiv an den Einlass 116 der Kathodendurchflussleitung 114 zu lenken, die Luft auszutragen und/oder die Luft an eine andere Vorrichtung zu lenken.
  • Während einer normalen Fahrt, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer als Null ist und das Fahrzeug nicht beschleunigt, oder wenn sich das Fahrzeug bei konstanter Geschwindigkeit befindet, erzeugt die regenerative Bremsvorrichtung 102 Energie, und die Lasten 134 dissipieren die Energie. Während eines Bremsens und Ausrollens werden Luft und Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 106 bevorzugt abgeschaltet, und es erfolgt kein Brennstoffverbrauch. Als Ergebnis ist der Ausgang des Brennstoffzellenstapels während des Bremsens und Ausrollens 0 kW.
  • Bei einer Bergabfahrt (detektiert durch Überwachung der Fahrzeugbeschleunigung und der Stellung des Gaspedals durch den Fahrzeugdatenbus 148) treibt das regenerative Bremssystem 102 die Nebenlasten an. Bei einer bevorzugten Ausführungsform betreibt die Steuerung 144 den Kompressor mit hohem Luftdurchsatz und hohem Druck, um einen künstlichen Verlust zu erzeugen. Während dieses Zustandes ist das Rückschlagventil 126 entweder geschlossen oder teilweise geöffnet (wenn zusätzliche Energie von dem Brennstoffzellenstapel gefordert wird). Die Steuerung 144 steuert das Rückschlagventil 126, um zu verhindern, dass die unter hohem Druck stehende Luft, die durch den Luftkompressor 124 erzeugt wird, den Brennstoffzellenstapel 106 erreicht. Die Steuerung 144 moduliert das Bypassventil 128, um eine Kompressorlast des Luftkompressors 124 zu regulieren und das Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung 102 zu regulieren.
  • In Fig. 4 sind Schritte zum Betrieb der Steuerung 144 gezeigt. Die Steuerung beginnt mit Schritt 160. Bei Schritt 164 bestimmt die Steuerung 144, ob die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 0 km/h überschreitet. Mit anderen Worten bestimmt die Steuerung 144, ob sich das Fahrzeug bewegt. Wenn nicht, fährt die Steuerung zu Schritt 164 fort. Ansonsten fährt die Steuerung mit Schritt 168 fort, bei dem die Steuerung 144 bestimmt, ob das Fahrzeug ausrollt oder bremst. Wenn nicht, fährt die Steuerung mit Schritt 164 fort. Ansonsten fährt die Steuerung 144 mit Schritt 172 fort, bei dem der Brennstoffzellenstapel 106 durch Abschalten von Luft und Brennstoff, der an dem Brennstoffzellenstapel 16 geliefert wird, abgeschaltet wird. Bei Schritt 176 wird das Bremsdrehmoment als eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs eingestellt. Bei Schritt 180 werden die Lasten 134 unter Verwendung der regenerativen Bremsung angetrieben.
  • Bei Schritt 184 bestimmt die Steuerung 144 durch Überwachung der Stellung des Gaspedals und der Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Fahrzeugs über den Fahrzeugdatenbus 148, ob das Fahrzeug bergab fährt. Wenn das Fahrzeug nicht bergab fährt, fährt die Steuerung mit Schritt 164 fort. Andernfalls fährt die Steuerung mit Schritt 184 fort. Bei Schritt 184 setzt die Steuerung 144 den Kompressor 124 auf eine Einstellung für hohen Luftdurchsatz und hohen Druck, um einen künstlichen Verlust zu erzeugen, der die Energie dissipiert, die durch das regenerative Bremsen erzeugt wird (und der eine Bremsunterstützung vorsieht). Bei Schritt 186 bestimmt die Steuerung, ob Energie von dem Brennstoffzellenstapel 106 erforderlich ist. Wenn nicht, schließt die Steuerung 144 das Rückschlagventil 126 bei Schritt 190. Wenn Energie von der Brennstoffzelle erforderlich ist, moduliert (regelt) die Steuerung 144 das Rückschlagventil 126 dementsprechend bei Schritt 192.
  • Die Steuerung fährt von den Schritten 190 und 192 zu Schritt 194 fort. Bei Schritt 194 verwendet die Steuerung 144 das Bypassventil 128, um die Last des Luftkompressors 124 zu regulieren und das Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung 102 zu regulieren. Die Steuerung fährt von Schritt 194 mit Schritt 164 fort.
  • In den Fig. 5A, 5B und 5C sind beispielhafte Wellenformen gezeigt, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gesamtenergie, die regenerative Energie und das mechanische Drehmoment an der Achse des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellen. In Fig. 5A steigt die Fahrzeuggeschwindigkeit von Null (bei 200) auf 20 km/h (bei 204). Nachfolgend verlangsamt das Fahrzeug zurück auf Null (bei 206) und beschleunigt dann auf 40 km/h (bei 208). Das Fahrzeug verlangsamt auf 20 km/h (bei 210), beschleunigt auf 40 km/h (bei 212) und verlangsamt anschließend auf 20 km/h (bei 214). In Fig. 5B ist die Gesamtenergie mit einer gestrichelten Linie gezeigt (bei 220). Die regenerative Energie ist mit den durchgezogenen Linien 224, 226 und 228 gezeigt. Die regenerative Energie wird erzeugt, wenn das Fahrzeug sich verlangsamt oder bremst. Bei Fig. 5C ist das mechanische Drehmoment an der Achse durch eine durchgezogene Linie 230 gezeigt. Das Drehmoment wird erzeugt, wenn das Fahrzeug beschleunigt, bei konstanter Geschwindigkeit fährt, ausrollt (infolge der regenerativen Bremsvorrichtung) oder bremst.
  • In Fig. 6 ist die Gesamtenergie und die regenerative Energie für das Gebiet detaillierter gezeigt, das durch die kreisförmige gestrichelte Linie 240 in Fig. 5B gezeigt ist. Die Energie, die durch den ersten Bereich 242 dargestellt wird, wird dazu verwendet, die Lasten anzutreiben. Die Energie, die durch den zweiten Bereich 244 dargestellt ist, wird für zur Fahrerwahrnehmung/Fahrergefühl oder eine Fahrerrückkopplung verwendet. Das batterielose regenerative Bremssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verringert das Gewicht und die Kosten des Brennstoffzellenfahrzeugs erheblich, während ausreichend Energie für die Lasten während eines Ausrollens des Fahrzeugs und eines Bremsens unter Verwendung existierender Komponenten vorgesehen wird. Bei einer Bergabfahrt wird der Kompressor mit hohem Druck und hohem Luftdurchsatz betrieben, um eine künstliche Last zu erzeugen und eine Bremsenunterstützung vorzusehen. Für Fachleute sei angemerkt, dass das batterielose Brennstoffzellenfahrzeug eine kleinere Batterie umfassen kann (die nicht den Elektromotor betreibt, der die Räder antreibt), die die Zubehöreinrichtungen betreibt, während das Fahrzeug gestoppt ist.
  • Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann das Dreiwege-Bypassventil 128 von Fig. 3 durch ein alternatives System 248 ersetzt werden, das in Fig. 7 gezeigt ist. Ein Einlass eines Zweiwege-Bypassventils 250 ist mit dem Einlass 116 der Kathode 114 und einem Auslass des Kompressors 124 verbunden. Ein Auslass des Bypassventils 250 ist mit einem Kathodenaustrag 252 verbunden. Ein Rückschlagventil 254 besitzt einen Einlass, der mit dem Auslass 118 der Kathode 114 verbunden ist, und einen Auslass, der mit dem Kathodenaustrag verbunden ist. Das alternative System 248 erzeugt eine künstliche Last durch Öffnen des Bypassventils 250 und durch Schließen des Rückschlagventils 254. Die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 106 befindet sich nun während des Betriebs der künstlichen Kompressorlast bei hohem Druck. Andere Vorteile umfassen den Gebrauch eines Zweiwege-Ventils, das typischerweise weniger teuer als das Dreiwege-Bypassventil ist. Für Fachleute sei angemerkt, dass die Bypass- und Rückschlagventile an anderen Orten ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung positioniert werden können.
  • Zusammengefasst umfasst ein regeneratives Bremssystem und -verfahren für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug einen Brennstoffzellenstapel, eine Vielzahl von Nebenlasten und eine regenerative Bremsvorrichtung, die mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die regenerative Bremsvorrichtung betreibt Nebenlasten, wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst. Die Brennstoffzelle betreibt die Lasten, wenn das Fahrzeug beschleunigt oder mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird. Die regenerative Bremsvorrichtung dissipiert Energie in einem Luftversorgungskompressor, wenn das Fahrzeug bergab fährt, um eine Bremsenunterstützung vorzusehen. Der Kompressor kann mit hohem Luftdurchsatz und hohem Druck betrieben werden, um eine künstlich hohe Last zu erzeugen. Ein Bypassventil wird moduliert, um die künstlich hohe Last des Kompressors einzustellen. Ein Rückschlagventil schützt den Brennstoffzellenstapel vor dem hohen Luftdurchsatz und Druck. Eine Steuerung steuert ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und moduliert das Bypassventil.

Claims (25)

1. Regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug, mit
einem Brennstoffzellenstapel;
einer Nebenlast; und
einer regenerativen Bremsvorrichtung, die mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt ist, wobei die regenerative Bremsvorrichtung die Nebenlast antreibt, wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst, und wobei die Brennstoffzelle die Nebenlast antreibt, wenn das Fahrzeug beschleunigt oder mit einer konstanten Geschwindigkeit fährt.
2. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 1, wobei die Nebenlast aus der Gruppe von Lüftern/Gebläsen, Pumpen, Kompressoren für Klimaanlagen, Innenraumheizungen, 12 Volt-Batterien und Luftkompressoren für den Brennstoffzellenstapel gewählt ist.
3. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Luftkompressor für den Brennstoffzellenstapel.
4. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 3, ferner mit einem Bypassventil.
5. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 4, wobei, wenn das Fahrzeug bergab fährt, der Luftkompressor mit hohem Luftdurchsatz und hohem Druck betrieben wird, um eine künstlich hohe Nebenlast zu erzeugen, und das Bypassventil moduliert wird, um die künstlich hohe Nebenlast des Luftkompressors zu variieren und damit eine Bremsenunterstützung vorzusehen.
6. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 1, wobei die regenerative Bremsvorrichtung ein elektrisches Traktionssystem ist.
7. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 5, ferner mit einem Rückschlagventil, das den Brennstoffzellenstapel vor dem hohen Luftdurchsatz und dem hohen Druck schützt.
8. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 5, ferner mit einer Steuerung.
9. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit steuert.
10. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 8, wobei die Steuerung das Bypassventil moduliert.
11. Regeneratives Bremssystem für ein batterieloses Brennstoffzellenfahrzeug, mit:
einem Brennstoffzellenstapel;
einem Luftkompressor, der Luft an den Brennstoffzellenstapel liefert;
einer regenerativen Bremsvorrichtung, die mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs und dem Luftkompressor gekoppelt ist; und
einem Bypassventil, wobei der Luftkompressor bei hohem Druck und hohem Luftdurchsatz betrieben wird, um eine künstliche Last an der regenerativen Bremsvorrichtung zu erzeugen, und wobei die künstliche Last durch das Bypassventil moduliert wird.
12. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 1, wobei, wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst, die Lieferung von Luft und Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel unterbrochen ist.
13. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 11, wobei die regenerative Bremsvorrichtung ein elektrisches Traktionssystem ist.
14. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 11, ferner mit einem Rückschlagventil zum Schützen des Brennstoffzellenstapels, wenn der Luftkompressor die Energie dissipiert.
15. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 12, ferner mit einer Steuerung.
16. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 15, wobei die Steuerung ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit einstellt.
17. Regeneratives Bremssystem nach Anspruch 15, wobei die Steuerung das Bypassventil moduliert.
18. Verfahren zum Betrieb eines batterielosen Brennstoffzellenfahrzeugs mit den Schritten, dass:
ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird;
Luft an den Brennstoffzellenstapel unter Verwendung eines Luftkompressors geliefert wird;
eine regenerative Bremsvorrichtung mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt wird;
eine regenerative Bremsvorrichtung mit dem Luftkompressor verbunden wird; und
Energie dissipiert wird, die durch die regenerative Bremsvorrichtung, wenn das Fahrzeug bergab fährt, unter Verwendung des Luftkompressors erzeugt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, ferner mit dem Schritt, dass ein Bypassventil moduliert wird, um die Energie einzustellen, die durch den Luftkompressor dissipiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit dem Schritt, dass der Luftkompressor mit hohem Luftdurchsatz und hohem Druck betrieben wird, um einen künstlichen Verlust zu erzeugen, wenn das Fahrzeug bergab fährt.
21. Verfahren nach Anspruch 18, ferner mit dem Schritt, dass eine Lieferung von Luft und Brennstoff an den Brennstoffzellenstapel unterbrochen wird, wenn das Fahrzeug bergab fährt.
22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die regenerative Bremsvorrichtung ein elektrisches Traktionssystem ist.
23. Verfahren nach Anspruch 20, ferner mit dem Schritt, dass ein Rückschlagventil moduliert wird, das mit einem Auslass einer Kathode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, um den Brennstoffzellenstapel zu schützen, wenn der Luftkompressor mit dem hohen Luftdurchsatz und dem hohen Druck betrieben wird.
24. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit dem Schritt, dass ein Bremsdrehmoment der regenerativen Bremsvorrichtung als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit unter Verwendung einer Steuerung eingestellt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Steuerung das Bypassventil moduliert.
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