DE19703171A1 - Fahrzeug mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einem Antriebs- Verbrennungsmotor oder einem Brennstoffzellen-Antriebssystem und einer diesem zugeordneten Energiequelle sowie mit elektrischen Verbrauchern, die durch eine Stromerzeugungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden.

In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die elektrische Energieversorgung durch einen mechanisch angetriebenen Generator sichergestellt. Eine Starterbat­ terie puffert bei Motorstillstand, Motorstart und niedrigen Motordrehzahlen die für das Bordnetz notwendige Stromversorgung. Bei Fahrzeugen mit einem Elektromo­ tor als Antrieb ist es bekannt, ein Brennstoffzellenaggregat als Stromquelle für den Antriebsmotor zu verwenden. Zum Versorgen der Bordnetzverbraucher muß die von diesem Aggregat gelieferte Spannung auf den Bordnetzspannungswert trans­ formiert werden (DE 44 12 453 A1).

Die Stromabgabe eines Generator ist abhängig von der Drehzahl. Wird im Fahr­ zeug mehr Strom verbraucht, als der Generator liefern kann, wird die Starterbatte­ rie entladen. Dies führt dazu, daß Verbraucher abgeschaltet werden müssen bzw. im Extremfall auch zu einem Fahrzeugausfall durch "Absterben" des Verbren­ nungsmotors mit der Folge, diesen aufgrund des zu geringen Energievorrats in der Startebatterie nicht mehr an lassen zu können.

Bei Stillstand des Verbrennungsmotors wird das Bordnetz nur aus der Starterbat­ terie versorgt. Auch hier kommt es zu einem Entladen der Starterbatterie bei ein­ geschalteten Verbrauchern, aber auch zu Stillstandsverlusten und Selbstentladung durch den Ruhestrombedarf verschiedener Verbraucher.

Der Gesamtwirkungsgrad bei einem Generator ist sehr niedrig, da thermische Energie zuerst in mechanische und anschließend in elektrische Energie umgewan­ delt wird.

Die eingangs genannte Verwendung eines Brennstoffzellenaggregats sowohl zur Stromversorgung des Elektromotors für den Antrieb sowie der Bordnetzverbrau­ cher führt zu einem geringen Wirkungsgrad der Brennstoffzellen in bezug auf die Bordnetzverbraucher, da Brennstoffzellen-Systeme bei Teillast wegen der für den Betrieb notwendigen Hilfsaggregate zu einem geringen Wirkungsgrad führen. Werden die Bordnetzverbraucher selbst in Teillast betrieben, so besitzen diese zusätzlich einen niedrigen Wirkungsgrad mit der Folge eines insgesamt sehr nied­ rigen Wirkungsgrads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art so einzurichten, daß die elektrischen Verbraucher unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors oder des Brennstoffzellen-Systems mit gutem Wirkungsgrad mit Energie versorgt werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Stromversorgung der Verbraucher erfolgt nunmehr mit Brennstoffzellen. Diese erzeugen aus Wasserstoff und Luftsauerstoff Strom und Wasserdampf. Durch eine Anpassung der von den Brennstoffzellen gelieferten Ausgangsspannung an den Spannungsbedarf der Verbraucher durch Festlegung der Zellenzahl (Einzelzellen) ist eine Transformation auf das Spannungsniveau der Verbraucher nicht erforder­ lich oder nur mit geringem Aufwand möglich. Dadurch entfallen auch die Wir­ kungsgradverluste. Da Brennstoffzellen unabhängig vom Verbrennungsmotor be­ trieben werden können, steht auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor je­ derzeit und schnell die notwendige elektrische Energie zur Verfügung. Die Ener­ gieversorgung der Stromverbraucher beeinträchtigt den Betrieb und insbesondere die Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors in keiner Weise. Es handelt sich bei den Brennstoffzellen gegenüber dem Verbrennungsmotor um ein völlig autarkes System. Eine irgendwie geartete Wirkverbindung, wie bei konventionellen Fahr­ zeugen mit Verbrennungsmotoren und einem elektrischen Generator bzw. einem Elektrofahrzeug mit Energieversorgung, der Verbraucher mit Hilfe der Brennstoff­ zellen, die auch den Antriebsmotor mit elektrischer Energieversorgung, besteht dabei nicht.

Da nunmehr die Brennstoffzellen in ihrer Funktion ausschließlich auf die Bord­ netzverbraucher abgestimmt sind, ist es auch möglich, den möglicherweise unter­ schiedlichen Energiebedarf der insgesamt vorgesehenen Bordnetzverbraucher durch eine Verbesserung der Anpassung zu decken. So ist es beispielsweise mög­ lich, zwei Brennstoffzellenstapel vorzusehen und die Stapel parallel oder in Serie zu schalten. Auch ist es möglich, mit jedem der Stapel jeweils eine eigene Gruppe von Bordnetzverbrauchern zu versorgen. Dadurch wird es möglich, auch ein ex­ trem weites Spektrum des Energiebedarfs bei einer Vielzahl von Bordnetzverbrau­ chern auf schaltungstechnisch einfache Weise zu befriedigen.

Um kurzzeitige Spitzenbelastungen abzudecken, ist es ergänzend auch möglich, eine Pufferbatterie vorzusehen. Diese wird beispielsweise dann betrieben, wenn der Verbrennungsmotor angelassen wird. Im Gegensatz zu konventionellen Fahr­ zeugen mit einem Generator ist die dann erforderliche Pufferbatterie wesentlich kleiner dimensioniert und dient ausschließlich dazu, kurzzeitige Belastungsspitzen abzudecken.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau eines Bordnetzes eines Fahrzeugs mit einem Verbren­ nungsmotor, bei dem als Stromerzeugungseinrichtung ein Brennstoffzellenaggre­ gat 1 und 2 dient. Das Aggregat besteht aus zwei Brennstoffzellenstapel 1 und 2, die wahlweise in Reihe und parallel geschaltet werden können. An dem Aggregat sind elektrische Verbraucher angeschlossen, die schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 3 versehen sind. Parallel zu den Verbrauchern ist eine Puffer­ batterie 4 geschaltet. Ferner ist ein Spannungsregler 5 wie dargestellt vorgesehen.

Mit Hilfe der Brennstoffzellenstapel 1 und 2 ist es möglich, den Bedarf an elektri­ scher Energie für die Verbraucher 3 jederzeit und unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) zu decken. Mit Hilfe der Pufferbatterie 4 werden kurzzeitige Bedarfsspitzen, wie sie beispielsweise beim Anlassen des Ver­ brennungsmotors auftreten, abgedeckt. Durch den Spannungsregler 5 erfolgt eine Anpassung der von den Brennstoffzellenstapeln 1 und 2 gelieferten Ausgangs­ spannung.

Bei den Verbrauchern 3 handelt es sich beispielsweise um eine Klimaanlage, de­ ren Bedarf an elektrischer Energie ausschließlich mit Hilfe der Brennstoffzellensta­ pel 1 und 2 gedeckt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Klimaanlage auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors zu betreiben. Schematisch dargestellt ist die Versorgung der Brennstoffzellenstapel 1 und 2 mit Wasserstoff. Diese kann direkt aus einem H₂-Tank im Fahrzeug oder indirekt durch Reformierung flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe, beispielsweise in Form von Benzin oder Methanol erfolgen. Wasserstoff wird über eine gesteuerte Drossel 6 den Stapeln 1 und 2 zugeführt. Die hierfür vorgesehene Steuerung 7 beeinflußt die für die Versorgung mit Reaktionsluft notwendige Verdichter (8a) und Drossel (8b). Die Abführung der Restluft, schematisch als 10 dargestellt und des Reaktionswassers (11) wird ebenfalls über die Steuerung 7 geregelt.

Mit Hilfe des dargestellten in sich geschlossenen Systems ist es möglich, die im Bordnetz vorgesehen Verbraucher bedarfsgerecht mit elektrischer Energie zu ver­ sorgen. Durch die Auslegung der von den Stapeln 1 und 2 gelieferten Ausgangs­ spannung entsprechend der Betriebsspannung der Verbraucher ist ein hoher Wir­ kungsgrad des Brennstoffzellenaggregats gewährleistet.

Claims (3)

1. Fahrzeug mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor und einer diesem zugeordne­ ten Energiequelle sowie mit elektrischen Verbrauchern, die durch eine Stromer­ zeugungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromerzeugungseinrichtung ein Brennstoffzellenag­ gregat (1, 2) ist, das unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors aktivier­ bar ist.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff­ zellenaggregat zwei Brennstoffzellenstapel (1 und 2) enthält, die wahlweise parallel und in Serie schaltbar sind.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzellenaggregat mit einer Pufferbatterie (4) verbunden ist.