EP4387863A1 - Verfahren zum betrieb eines nutzfahrzeugs mit einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines nutzfahrzeugs mit einer brennstoffzelle

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EP4387863A1
EP4387863A1 EP22758227.7A EP22758227A EP4387863A1 EP 4387863 A1 EP4387863 A1 EP 4387863A1 EP 22758227 A EP22758227 A EP 22758227A EP 4387863 A1 EP4387863 A1 EP 4387863A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
journey
interruption
break
travel
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Pending
Application number
EP22758227.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Janik RICKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a utility vehicle, which has an electric motor drive, an electric storage device with a maximum charge capacity and a variable charge level for supplying the electric motor drive, and a fuel cell for supplying the electric storage device.
  • a fuel cell can be operated most effectively if it is exposed to as few dynamic load changes as possible, i.e. if it can be operated as evenly as possible at an efficient working point. For this reason, the fuel cell is usually not connected directly to the electric motors, but to the electrical storage device, which serves as a buffer. The fuel cell feeds the electrical energy it generates into the electrical storage unit, and the electric motors are supplied with the electrical energy required for propulsion generation from the electrical storage unit.
  • the fuel cell systems of such commercial vehicles are also subject to signs of wear.
  • the high-speed mechanical parts of the fuel cell system for example within the compressor and/or expander, are particularly susceptible to wear.
  • the invention is based on the object of specifying a method of the type described at the outset, which enables wear and tear on the fuel cell system of the vehicle to be reduced as far as possible.
  • the invention solves the task on which it is based with the method of the type described at the beginning, in which this has the steps:
  • the invention is based on the knowledge that wear and tear on the high-speed parts of the fuel cell system occurs above all when the fuel cell system is being run up or shut down, ie when the fuel cell system is started or stopped.
  • Commercial vehicles are rarely used primarily for short-distance journeys, but usually for long-distance journeys. Long-distance journeys are inevitably subject to breaks due to fatigue, the need to wait and/or refuel, and/or government regulations.
  • Regulation (EG) 561/2006 for example, prescribes a maximum daily driving time of 9 to 10 hours, with a break of at least 45 minutes having to be taken after a maximum of 4.5 hours of uninterrupted driving time. With shorter driving intervals, shorter breaks of 30 or 15 minutes are permissible.
  • the fuel cell system was also shut down and had to be restarted after the interruption to the journey.
  • these processes cause wear to a particular degree, while the fuel cell system is in operation with comparatively little wear is.
  • the invention is therefore based on the knowledge that compliance with these legally required idle times leads to signs of wear on the fuel cell system. Accordingly, the invention proposes reducing wear and tear by not automatically shutting down the fuel cell system when the vehicle is stopped, but by charging the electrical storage device for as long as possible while the journey is interrupted. This reduces the number of wear events and the overall wear accordingly.
  • the invention includes one or both of the following steps:
  • the trip planning which is almost obligatory in fleet management anyway, in which the trip breaks are defined by the driver or the fleet management system, is included in the operating strategy of the fuel cell system: the trip information is created and made available either by manual input or by means of a fleet management system of the commercial vehicle, which the driver receives after processing the route information, can suggest a stopping strategy, which the driver can acknowledge or modify.
  • a lower threshold value for the charge level of the electrical storage device is preferably defined, which should be reached at the beginning of the break in driving, and then regulated towards this when the fuel cell is activated while driving .
  • the amount of energy that can be supplied during the break in travel is then determined from the difference between the lower threshold value of the charge level and the desired predetermined charge level of the electrical storage device, which is the same or less is than the maximum loading capacity. Unless otherwise stated, the maximum charging capacity is the nominal capacity of the electrical storage unit.
  • the journey information includes one, several or all of the following information:
  • the details of the length and duration of the journey, as well as the calendar information, in particular about working days and days off, and the time interval to the last previous journey are indicators that are used to determine a reasonable distribution of breaks in the journey for the driver.
  • the route topography provides additional information on which route sections more energy is required or less energy is required, which influences the predicted amount of energy required on the respective route sections and thus also the position of the breaks in the journey along the route.
  • the time interval from the previous journey can in turn have an impact on the maximum length of the next journey, taking into account legal regulations on the rest times to be observed.
  • the intermediate stops, which also occur independently of the driving times to be observed, also represent potential wear and tear events Travel breaks are so that they can be advantageously considered as travel information.
  • the above parameters are preferably evaluated in a computer program, and from them a stopping strategy, ie distribution of the interruptions to the journey, is worked out.
  • the travel interruption information includes one, several, or all of the following information:
  • the amount of energy during the interruption to the journey is preferably defined as a function of the information about the interruption to the journey, in particular as a function of the duration of the interruption to the journey and the power that the fuel cell can provide at a predetermined operating point.
  • the creation of the trip interruption information includes one, several or all of the following, and preferably by means of a data query from a vehicle-internal or vehicle-external database, in particular a fleet management system or a tachograph, or by manual data entry:
  • the invention makes use of the fact that a large amount of information for route planning and for the operation of various vehicle systems is already present in the fleet management system of the commercial vehicle. For example, it is possible to view the entire route planning from the fleet management system. If, for example, the driver has to take a break after a predicted exceeding of the driving time, but can only drive 30 minutes afterwards, or it would only be 30 minutes to the destination, the fuel cell system can be switched off immediately and remain switched off after the end of the break.
  • the mass of the load can advantageously also be determined via the fleet management system, independently of any use of vehicle sensors, because each item that is part of the load is recorded with a mass in the fleet management system.
  • the fleet management system also stores data on the driving style of the drivers, such as average energy consumption.
  • Determining whether a trailer is connected or should be connected is preferably also determined as trip interruption information from the fleet management system. The same applies to swap bodies that are loaded onto a trailer. It is thus possible to determine not only the current but also the future mass of the commercial vehicle.
  • Determining the weather data makes it possible, within the scope of the forecast accuracy, to include road conditions, severe weather conditions and/or temperature developments when planning the breaks in travel. For example, during a break in driving at temperatures below freezing point, the problem of freezing water can be reduced in a targeted manner by the continued activation of the fuel cell system, and/or the Charging rate of the electrical storage can be adapted to the temperature at the location and time of the break in the journey, and so that the charging behavior and the length of the break in the journey can also be adapted to one another depending on the weather.
  • the creation of the travel interruption information includes one, several or all of the following:
  • Creating a trip interruption plan in which the duration of the trip interruption is distributed over a number of trip interruptions over the duration of the trip, preferably evenly, modifying and/or confirming the created trip interruption plan by means of a user input.
  • the fuel cell is preferably actuated as a function of the trip interruption plan.
  • the fuel cell is set up to be operated at different operating points, and the method further comprises the step:
  • the operating point of the fuel cell is adjusted such that the control of the fuel cell during the entire journey interruption is continued, preferably in a range from 10% to 70% of the nominal power of the fuel cell, preferably 15% to 60% of the nominal power of the fuel cell, particularly preferably and 20% to 50% of the nominal power of the fuel cell.
  • the fuel cell has at least one compressor, which has a rotationally driven compressor shaft
  • the method further comprises the step: continuing to drive the compressor shaft at a predetermined speed, preferably above the lift-off speed, even if the predetermined state of charge of the electrical memory has been reached before the interruption to the journey ends.
  • the operating strategy according to the invention already prevents the compressor shaft from coming to a standstill by continuing the operation of the fuel cell system.
  • it can happen, for example in the case of very long journey breaks, that the fuel cell system cannot be operated at a sensible operating point over the entire journey break, but has to end the charging process at a time when the journey break has not yet ended.
  • it is particularly preferred to shut down the fuel cell, but nevertheless continue to drive the compressor in rotation, in order to avoid the compressor shaft touching down.
  • the method then also includes guiding the fluid flow generated by the compressor into the environment by means of a bypass. This avoids the compressed air that is then not needed having to flow through the other system components.
  • the activation of the fuel cell while driving is carried out in such a way that a lower amount of energy is provided permanently or in sections while driving than is required by the electric motor of the vehicle, so that the remaining amount of energy required is given to the electric motor from the electric storage device while the charge level drops is supplied. If the electrical storage device is permanently "undersupplied", the full performance potential of the fuel cell is never exhausted, but the fuel cell is operated very consistently at the same working point. With regard to the management of the charging cycles of the energy store, it can be advantageous to keep the energy store at a constant state of charge for periods of time while driving in order to increase the service life of the electrical store.
  • the fuel cell is controlled in sections to provide such an amount of energy that the electrical storage device is kept at a substantially constant energy level, for example at the level of its predetermined charge level, and that only when the next When the journey break is approaching, the fuel cell is controlled to release a smaller amount of energy, and from that point in time the charge level of the electrical storage device is lowered in a targeted manner.
  • the point in time from which the fuel cell provides a lower amount of energy is preferably a function of one, several or all of the following parameters are set:
  • the desired lower charging threshold value of the electrical storage device at the start of the journey breaks is preferably the threshold value that is also used to determine the amount of energy used for the journey breaks. If the maximum discrepancy between the required energy requirement of the electric motor and the minimum amount of electrical energy that can be provided by the fuel cell is limited, which will be the case in most cases, this defines a maximum discharge rate for the electrical storage device while driving.
  • the point in time can be defined from which discharging must start at the latest, so that when the journey is interrupted, the electrical storage device has been discharged to such an extent that charging during the journey interruption with a desired operating point of the fuel cell exceeds the can be carried out over the entire duration.
  • the target charging threshold value of the electrical storage device is 15% of the maximum charging capacity or more, preferably 20% or more, particularly preferably 33% or more. This avoids an unwanted deep discharge of the electrical storage device and keeps wear and tear on the electrical storage device within limits.
  • the charging rate C has the unit 1/time, usually 1/h. When charging, C indicates the reciprocal of the time required to charge the nominal capacity.
  • a charging rate of 2C means, for example, during the charging process that the electrical storage device should be charged from empty to full over a period of at least 2 hours.
  • the route tomography on the remaining route up to the next break in the journey can advantageously be included in the determination of the point in time, since less drive power is required for downhill stretches and the electrical storage device can also be replenished using recuperation modes.
  • next break in the journey is shortly after a longer downhill gradient, the point in time at which the targeted discharging of the electrical storage device can be started while driving can move forward. If the next break in the journey is at the end of a longer incline, or shortly thereafter, the point in time at which targeted discharging is initiated by shutting down the fuel cell can be postponed, for example.
  • the predetermined charge level of the electrical accumulator described above at various points is understood as the charge level at which the electrical accumulator should have its charge level in normal operation. This will not usually be at 100% of the maximum charge capacity, but rather in the area below, around the electric To conserve memory, and to have a certain buffer available at the top if, for example, electrical energy is to be transferred to the electrical storage device through recuperation or other operating states.
  • the predetermined charge level of the electrical accumulator is preferably below the maximum charge capacity, more preferably in a range from 50% to 80%, in particular in a range from 60-70% of the maximum charge capacity.
  • the invention has been described above with reference to the method according to the invention in a first aspect.
  • the invention relates to a fuel cell system of a commercial vehicle, which has an electric motor drive, with an electrical storage device, with a maximum charging capacity in a variable charging state for supplying the electric motor drive, a fuel cell for supplying the electrical storage device, and a control unit which is signal-conducting with connected to the fuel cell and set up to control the fuel cell.
  • the invention solves the problem on which it is based in such a fuel cell system in that the control unit is set up to carry out the method according to one of the preferred embodiments described above.
  • the fuel cell system according to the second aspect utilizes the same advantages as the method according to the first aspect.
  • the preferred embodiments of the method according to the invention are therefore at the same time the preferred embodiments of the fuel cell system according to the second aspect and vice versa. To avoid repetition, reference is made to the above statements.
  • the fuel cell system preferably has at least one compressor, which has a rotationally driven compressor shaft, the control unit being set up to drive the compressor shaft at a predetermined speed, preferably above the lift-off speed, to continue, even if the predetermined state of charge of the electrical storage has been reached before the interruption to the journey has ended.
  • the invention also relates to a control unit for a fuel cell system of a commercial vehicle, in particular for a fuel cell system according to one of the preferred embodiments described above.
  • control unit the invention achieves the object specified at the outset in that the control unit is set up to carry out the method according to one of the preferred embodiments described above.
  • the control unit is set up to be connected to the fuel cell system in a signal-conducting manner and has, for example, a data memory in which the commands and, if necessary, control parameters for executing the method of the preferred embodiments described above are stored, or can be connected to such a data memory in a data-conducting manner , and further preferably has a processor which is set up to execute the method according to one of the preferred embodiments described above by means of the commands stored in the data memory.
  • control unit also makes use of the same advantages as the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention. Preferred embodiments of the method and of the fuel cell system are therefore also preferred embodiments of the control device and vice versa. To avoid repetition, reference is also made to the above statements in this regard.
  • the invention relates to a computer program product containing instructions which, when executed on a computer, cause the computer to form a control unit.
  • the invention solves the task described at the outset in that the commands result in a control unit being formed according to one of the preferred embodiments described above and/or the method being carried out according to one of the preferred embodiments described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a commercial vehicle according to a preferred exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a method for operating the commercial vehicle according to FIG. 1 .
  • 3a, b, c flow charts over time of the variable charge level of the energy store of the utility vehicle.
  • a commercial vehicle 1 is shown schematically.
  • the illustration is limited to the components essential to the invention, it being understood that the commercial vehicle can and will have other components required for operation, such as a braking system, etc., in addition to the components shown.
  • Such elements were not presented in favor of a concise presentation.
  • the commercial vehicle 1 has a fuel cell system 3 which is set up and is connected in an energy-transmitting manner to an electrical storage device 5 which has a maximum charging capacity of, for example, 120 kWh and is set up for this at a predetermined charge level of 90 kWh to be kept in normal operation.
  • the fuel cell system 3 has, for example, a rated output of 300 kW with an efficiency of 40%.
  • the electrical storage device 5 is connected for energy transmission and is accordingly set up to supply electrical energy to the electric motor drive 7 .
  • the electric motor drive 7 has one or more electric motors 8 which are correspondingly connected to the drive train of the vehicle in order to convert the electrical energy supplied into propulsion.
  • the utility vehicle 1 has a control device 9 .
  • the control unit 9 preferably has a data memory 11 or an interface (not shown) to such a data memory, and a processor 13.
  • the control unit 9 is connected to the fuel cell system 3 in a signal-conducting manner and is set up to control the fuel cell 17 of the fuel cell system 3 and the compressor 19 of the fuel cell system 3 to generate electrical energy.
  • the control device can be a dedicated control device or can be assigned to another structural unit in terms of hardware or software, for example the fuel cell system 3, for example part of the fuel cell control system, or as part of the compressor control system.
  • the control unit 9 can also be integrated into a control unit of the commercial vehicle, such as the brake control unit of the commercial vehicle.
  • the compressor 19 is set up to suck in air (O2), to compress it and to feed it to the fuel cell 17 on the cathode side.
  • O2 is used as a reference for the processed air, although it should be understood that the supplied air does not have to be pure oxygen, but a mixture of substances which, in addition to oxygen, also has other components, such as nitrogen, noble gases and other components.
  • the air used can be ambient air, for example.
  • Hydrogen (H2) is supplied to the fuel cell on the anode side, and electrical energy is generated by the fuel cell reaction, which energy is then supplied to the electrical storage device 5 .
  • the control unit 9 is set up to control the fuel cell system 3 in such a way that the method according to the preferred embodiments described above is carried out.
  • the control device 9 is preferably connected to a fleet management system 15 of the commercial vehicle 1 or set up to receive trip information and/or trip interruption information from the fleet management system.
  • Commands are stored in the data memory 11 of the control unit, which, when executed, carry out the method according to the invention, which will be discussed below.
  • Processor 13 is responsible for executing the commands.
  • trip information F about the forthcoming trip is provided or created in a method step 101, for example containing: trip length, trip duration, calendar information, in particular information about working days or days off, route topography, and/or time interval to previous trip.
  • a trip interruption information Fu about at least one of the upcoming trip planned trip break is created or provided in a step 103, for example, containing route position of the trip break, time of the start of the trip break, time of the end of the trip break, duration of the trip break, time interval and/or route distance between adjacent ones travel breaks.
  • a travel break energy quantity FE ZU in a step 105, with the travel break energy quantity FE being that Represents the amount of energy that can be made available by the fuel cell 3 to the electrical storage device 5 during the break in travel or breaks in travel. If one assumes, for example, that the aim is to operate the fuel cell at a reasonable efficiency of, for example, 30% of its nominal power during the break in travel, and the break in travel should be 45 minutes, the amount of energy for the break in travel of the fuel cell would be 17, which has a nominal power of 300 kW has possible approx. 70 kWh.
  • the driving interruption energy quantity FE it can also be determined how far the electrical storage device 5 should be empty at the start of the driving interruption, so that the electrical storage device 5 has reached its predetermined charge level again at the end of the driving interruption without the fuel cell system 3 must be shut down.
  • the fuel cell 17 is activated to operate the commercial vehicle 1 and supplies electrical energy to the electrical storage device 5.
  • the reduction of the power output from the fuel cell 17 is, for example, in a step 109 by adjusting the operating point of the Fuel cell 17 reached.
  • the point in time at which the operating point is adjusted during the journey, i.e. during step 107, is preferably determined as a function of one, several or all of the following parameters P: Falling below a predetermined remaining travel time until the next stop, Falling below a predetermined remaining distance until the next break in the journey, route topography on the remaining route until the next break in the journey.
  • a step 111 the commercial vehicle 1 is parked at the location where the trip was interrupted, but the activation of the fuel cell 17 is continued, whereupon the charge level of the electrical accumulator 5 begins to rise again.
  • the operating point of the fuel cell 17 is optionally adjusted in a step 113 such that the energy quantity FE during the interruption to the journey is supplied over the duration of the interruption to the journey, so that the compressor shaft 21 of the compressor 19 can be operated above its lift-off speed during the entire interruption to the journey, and a related wear is almost completely avoided.
  • a duration tges of the forthcoming trip is determined, preferably by means of a database query from a vehicle-internal or vehicle-external database, in particular from a fleet management system 15 of the commercial vehicle 1, or a tachograph (not shown) or by means of manual data entry.
  • a required trip interruption duration tu, tot is determined as a function of the determined trip duration.
  • the driving interruption duration tu, ges can preferably be taken from a lookup table.
  • a trip interruption plan Fp is created, in which the trip interruption duration tu, tot is distributed over a number of trip interruptions tun over the duration of the trip, preferably evenly.
  • the trip interruption plan Fp is displayed to the driver of the utility vehicle 1, preferably on a graphic display or a graphic user interface.
  • the driver of the commercial vehicle 1 optionally modifies and/or confirms the trip interruption plan Fp by means of a user input, and then feeds it to the method as trip interruption information.
  • the charging process in step 1 1 1 can be scaled within the framework of the physical limits specified by the fuel cell 17 and the electrical storage device 5 and sensible working areas for specific periods of the break in travel so that the charging process also extends over the entire duration of the break in travel. In the case of particularly long breaks in the journey, however, it will happen that the charging process has to be ended before the break in the journey is over. In such a case it is possible, optionally in a method step 115, to shut down the fuel cell 17, but to continue to drive the compressor shaft 19 of the compressor 21.
  • the compressed air O2 can be diverted via a bypass, for example, which is not shown in detail here. In this way, despite the fuel cell 17 being switched off, wear on the bearings on the compressor shaft 21 of the compressor 19 can be avoided.
  • this process can be continued until the break in travel is over and the commercial vehicle 1 continues its journey in step 1 17, either to the destination or to a next break in the journey, in which case from step 1 17 the Method steps 107ff. would be executed again.
  • FIGS. 3a, 3b, 3c various journeys are explained by way of example, which are covered by the commercial vehicle according to FIG. 1 using the method according to the invention.
  • a first trip is shown in FIG. 3a.
  • a total travel time tges of 10 hours provided.
  • the driving time of 10 hours results in a driving interruption duration tuges of 1.5 hours.
  • the first journey is designed so that the longest possible uninterrupted journeys can be covered. For this reason, the time of the first interruption to the journey is set after a journey time ti of 4.5 hours.
  • the journey thus consists of three driving segments Fi, F2, F3 and two journey interruptions Ui, U2.
  • trip interruption information and, if necessary, determining the amount of energy for the trip interruptions Ui, U2 for the trip interruptions Ui, U2, step 107, 109 of the method is carried out in a time segment I in the driving segment Fi for the duration ti:
  • the fuel cell 17 supplies less energy to the electrical storage device 5 than the electric motor 8 requires, as a result of which the state of charge, which is plotted over time in FIG.
  • the lower threshold value Lu corresponds to that charge level which differs from the predetermined charge level by the driving interruption energy quantity FE, which can be supplied during the driving interruption Ui in time segment II.
  • the electric motor 8 of the commercial vehicle 1 is switched off and the fuel cell 17 feeds the electrical storage device 5 with energy.
  • Method section 111, optionally 113, is carried out for this purpose.
  • the electrical accumulator 5 reaches its predetermined charge level Lv again at the very moment when the interruption to the journey Ui has ended and the vehicle continues its journey in the direction of the destination in time segment III. After t2, another driving interruption U2 is carried out in time segment IV.
  • the electrical storage device 5 has dropped back to the predetermined threshold value Lu at the time of the transition to time segment IV, and the duration tu2 of the interruption to the journey U2 in time segment IV is again fully used to recharge the electrical storage device 5 to the predetermined charge level Lv.
  • the lower threshold value is 20 kWh
  • the duration tui, tu2 of the break in travel Ui, U2 is 0.75 hours in each case, and the energy quantity for the break in travel is accordingly 70 kWh.
  • a fuel cell with a nominal output of 300 kW could efficiently carry out this charging process with an efficiency of 30%.
  • the utility vehicle 1 continues its journey. The fuel cell is activated, although in contrast to periods I and III the charge level does not have to be lowered because at the end of period V the final destination of the journey has been reached.
  • the method according to the invention can also be usefully used with other pause strategies, as shown in FIG. 3b, for example.
  • the trip information in the form of the total duration of the trip is also 10 hours, and the resulting necessary break in the trip is also 1.5 hours, as in FIG. 3a.
  • An alternative break strategy has been selected here, either by computer suggestion or user input, namely four driving segments F1-F4 with durations ti-t4 and three breaks in the journey tui - tu3 with durations tui - tu4. This results in a different duration of the respective journey breaks and thus also a slightly different charging strategy.
  • the electrical storage device 5 is lowered to a first lower threshold value Lui in method step 107, 109. Since the first driving interruption Ui only has a duration tui of 0.25 hours, the driving interruption energy quantity FEI is lower than in the driving interruptions according to FIG. 3a.
  • the charge level Lui at the beginning of the first break in the journey in period II is therefore comparatively high at just over 60 kWh. In any case, this makes it possible to increase the charge level again to the predetermined charge level Lv within the short breaks in travel in time segment II, and the journey can be continued without switching off the fuel cell system 3 .
  • the fuel cell 17 is then again in a method according to step 107 so controlled that the electrical storage 5 is gradually emptied.
  • the second journey interruption U2 is twice as long as the first journey interruption Ui, so that a larger amount of energy can be supplied in the available journey interruption duration t U 2 .
  • the driving interruption energy quantity FE2 is correspondingly higher, so that the lower threshold value Lu2 falls further at the beginning of time segment IV to just over 40 kWh in the present case. It is therefore also possible in time segment IV to fully use the duration tu2 of the travel interruption U2 to charge the electrical storage device 5 to the predetermined charge level Lv before the journey can be continued in the fifth time segment V.
  • the electrical storage device 5 is again gradually discharged to a lower threshold value Lus, which, again adapted to the duration of the interruption to the journey in period VI, is lower than the threshold values Lui and LU2.
  • a total of approx. 70 kWh can be added until the predetermined charge level Lv is reached at the end of the trip interruption, so that in the last trip segment VII the commercial vehicle 1 continues its journey with a constant charge memory level can continue to the goal.
  • a journey interruption duration of 1.5 hours is again taken as a basis for a total journey time of 10 hours, which according to the journey interruption plan according to FIG. but is distributed over five travel segments F1-F5 and four travel breaks Ui to U4. Accordingly, the individual journey breaks Ui to L can be shorter.
  • a first route section I has a travel time ti of 2 hours, followed by a second time section II with a travel interruption time tui of 0.25 hours. This is followed by a time segment III with a journey time t2 of 2.5 hours, which is followed by a journey interruption tu2 in a time segment IV with a duration of 0.5 hours. This is followed by another two-hour trip t3, F3 in a time segment V, followed in turn by a trip interruption U3 with a length tu3 of 0.25 hours in a time segment VI.
  • the electrical storage device 5 is slowly emptied by appropriate activation of the fuel cell 17 for ti while driving Fi until a lower threshold value Lui of the charge level of the electrical storage device 5, adapted to the duration tui of the interruption to the journey Ui in time segment II, is reached is.
  • the threshold value Lui is about 65 kWh in FIG. 3c.
  • the electrical accumulator 5 is charged to Lv during the times tui, tu2, and in the driving segments Fi and F2 it has previously been correspondingly discharged during the times ti, t2.
  • the scheme of the time sections I to IV is repeated accordingly in the time sections V to VIII for the driving segments F3, t3 and F4, t4.
  • the utility vehicle 1 can continue its journey Fs for the time ts with a constant charge level Lv to the destination.
  • the fuel cell system 3 can basically be operated for the entire time tges+tu,ges without the compressor shaft 21 of the compressor 19 having to stand still once.
  • the wear and tear for such a journey is significantly reduced since, in the example journey according to FIG. 3a, a total of two shutdown processes and two start-up processes of the fuel cell system 3 can be avoided.
  • FIG. 3b there are six such wear processes, and in the driving example in FIG. 3c there are even eight such wear processes that can be avoided.
  • the advantage of the invention is therefore all the greater, the more journey breaks are necessary on a journey. As a result, the The invention also becomes more effective the longer it is used over the lifetime of a vehicle, since the number of "avoided" events of wear adds up.
  • FIGS. 3a-c operation is shown in which the fuel cell supplies less energy during the entire journey than the electric motor 8 requires for operation.
  • the electric motor can be kept constant for a period of e.g by the fuel cell 17 providing the energy required by the electric motor. In the diagrams this is shown with a horizontal line. Discharging would then only take place in the last part of the respective time segment before the announced interruption to the journey, with a correspondingly steeper sloping line in the diagram.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nutzfahrzeugs (1), welches einen Elektromotorantrieb (7), einen elektrischen Speicher (5) zur Versorgung des Elektromotorantriebs (7) und eine Brennstoffzelle (17) zur Versorgung des elektrischen Speichers (5) aufweist, umfassend die Schritte: Ansteuern (107) der Brennstoffzelle (17) während der Fahrt derart, dass der Ladestand (L) des elektrischen Energiespeichers (5) bei Eintritt einer Fahrtunterbrechung (Un) unterhalb eines vorbestimmten Ladestands (LV)liegt, und Fortsetzen des Ansteuerns (111) der Brennstoffzelle (17) während der Fahrtunterbrechung (Un), bis der elektrische Speicher den vorbestimmten Ladestand (LV) erreicht hat und/oder die Fahrtunterbrechung (Un) beendet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem für das Verfahren und ein Steuergerät und Computerprogrammprodukt, die das Verfahren ausüben.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Nutzfahrzeugs mit einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nutzfahrzeugs, welches ein Elektromotorantrieb, einen elektrischen Speicher mit einer maximalen Ladekapazität und einem veränderlichen Ladezustand zur Versorgung des Elektromotorantriebs und eine Brennstoffzelle zur Versorgung des elektrischen Speichers aufweist.
Nutzfahrzeuge mit Elektromotor und Brennstoffzelle zur Stromversorgung des Elektromotors sind allgemein bekannt. Die in den Fahrzeugen verbauten Elektromotoren sind im Prinzip sehr dynamisch ansteuerbar, können also in sehr kurzer Zeit sehr unterschiedliche Leistungsmengen abgeben.
Demgegenüber ist eine Brennstoffzelle aber dann am effektivsten betreibbar, wenn sie möglichst wenig dynamischen Lastwechseln ausgesetzt wird, d.h. wenn sie möglichst gleichmäßig auf einem effizienten Arbeitspunkt betrieben werden kann. Aus diesem Grund ist die Brennstoffzelle in der Regel nicht unmittelbar mit den Elektromotoren verbunden, sondern mit dem elektrischen Speicher, der als Puffer dient. Die Brennstoffzelle speist die von ihr erzeugte elektrische Energie in den elektrischen Speicher ein, und die Elektromotoren werden aus dem elektrischen Speicher heraus mit der nötigen elektrischen Energie zur Vortriebserzeugung versorgt.
Auch die Brennstoffzellensysteme solcher Nutzfahrzeuge sind Verschleißerscheinungen unterworfen. Insbesondere die schnelldrehenden mechanischen Teile des Brennstoffzellensystems, beispielsweise innerhalb der Verdichter und/oder Expander, sind hierbei im besonderen Maße verschleißanfällig. Vor dem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das eine möglichst weitgehende Verschleißminderung am Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs ermöglicht.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs bezeichneten Art, in dem dies die Schritte aufweist:
- Ansteuern der Brennstoffzelle während der Fahrt derart, dass der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bei Eintritt einer Fahrtunterbrechung, unterhalb seines vorbestimmten Ladestands liegt, und
- Fortsetzen des Ansteuerns der Brennstoffzelle während der Fahrtunterbrechung, bis der Energiespeicher den vorbestimmten Ladestand erreicht hat und/oder die Fahrtunterbrechung beendet ist und vorzugsweise die Fahrt fortgesetzt wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Verschleiß an den schnelldrehenden Teilen des Brennstoffzellensystems vor allen Dingen dann auftritt, wenn das Brennstoffzellensystem hochgefahren wird oder heruntergefahren wird, also beim Start oder Stopp des Brennstoffzellensystems. Nutzfahrzeuge werden selten schwerpunktmäßig für Kurzstreckenfahrten eingesetzt, sondern üblicherweise für Langstreckenfahrten. Auf Langstreckenfahrten kommt es aufgrund von Ermüdungserscheinungen, der Erfordernis zum Warten und/oder Auftanken, und/oder aufgrund gesetzlicher Regelungen zwangsläufig zu Fahrtunterbrechungen. Die VO (EG) 561/2006 schreibt beispielsweise maximale Tageslenkzeiten von 9 bis 10 Stunden vor, wobei innerhalb einer Fahrt nach spätestens 4,5 Stunden ununterbrochener Lenkzeit eine Pause von mindestens 45 Minuten eingelegt werden muss. Bei kürzeren Fahrintervallen sind auch kürzere Pausen von 30 oder 15 Minuten zulässig. Jedes Mal, wenn die Fahrt unterbrochen wird, kam es im Stand der Technik dazu, dass auch das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wurde, und nach Ende der Fahrtunterbrechung wieder hochgefahren werden musste. Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass diese Vorgänge im besonderen Maß Verschleiß hervorrufen, während der laufende Betrieb des Brennstoffzellensystems vergleichsweise verschleißarm ist. Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass das Einhalten dieser gesetzlich erforderlichen Ruhezeiten zu Verschleißerscheinungen am Brennstoffzellensystem führt. Die Erfindung schlägt dementsprechend vor, den Verschleiß zu reduzieren, indem das Brennstoffzellensystem nicht automatisch beim Stoppen des Fahrzeugs abgeschaltet wird, sondern möglichst über die gesamte Dauer der Fahrtunterbrechung mit dem Aufladen des elektrischen Speichers beschäftigt wird. Dadurch wird die Anzahl der Verschleißereignisse reduziert, und der Verschleiß insgesamt entsprechend auch.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Erfindung einen oder beide der Schritte:
- Erstellen oder Bereitstellen einer Fahrtinformation über eine bevorstehende Fahrt, und einer Fahrtunterbrechungsinformation über mindestens eine während der bevorstehenden Fahrt vorgesehene Fahrtunterbrechung, und
- Bestimmen einer Fahrtunterbrechungs-Energiemenge, die während der Fahrtunterbrechung dem elektrischen Speicher von der Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Hiermit wird die ohnehin im Flottenmanagement beinahe obligatorische Fahrtplanung, in der die Fahrtunterbrechungen vom Fahrer oder vom Flottenmanagementsystem festgelegt werden, in die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems einbezogen: Das Erstellen und Bereitstellen der Fahrtinformation erfolgt entweder durch manuelle Eingabe oder mittels eines Flottenmanagementsystems des Nutzfahrzeugs, welches dem Fahrer nach Verarbeitung der Streckeninformation eine Stoppstrategie vorschlagen kann, welche der Fahrer quittieren kann, oder modifizieren kann.
Zum Bestimmen der Fahrtunterbrechungs-Energiemenge, die während der Fahrtunterbrechung zugeführt werden kann, wird vorzugsweise ein unterer Schwellwert für den Ladestand des elektrischen Speichers definiert, der bei Beginn der Fahrtunterbrechung erreicht sein soll, und auf den beim Ansteuern der Brennstoffzelle während der Fahrt dann hin geregelt. Die während der Fahrtunterbrechung zuführbare Energiemenge bestimmt sich dann aus der Differenz des unteren Schwellwerts des Ladestands und des angestrebten vorbestimmten Ladestands des elektrischen Speichers, die gleich oder geringer ist als die maximale Ladekapazität. Die maximale Ladekapazität ist, soweit nicht anders angegeben, die Nennkapazität des elektrischen Speichers. Mit diesen Erkenntnissen kann die Brennstoffzelle dann nach Eintritt der Fahrtunterbrechung weiter betrieben werden, ohne dass sie heruntergefahren werden muss, was die Anzahl der Ereignisse, die Verschleiß erzeugen, stark reduziert. Im Idealfall wird der Ladevorgang während der Fahrtunterbrechung so terminiert, dass er bis zum Fortsetzen der Fahrt andauert, dann muss die Brennstoffzelle auch nicht wieder hochgefahren werden, weil sie bereits von vor der Fahrtunterbrechung in Betrieb befindlich ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Fahrtinformation eine, mehrere oder sämtliche der folgenden Informationen:
- Fahrtlänge,
- Fahrtdauer,
- kalendarische Information, insbesondere Angabe über Werk- oder Ruhetage,
- Streckentopographie,
- Zeitabstand zu zurückliegender Fahrt,
- Zwischenstopps auf der bevorstehenden Fahrt, insbesondere Lade- und Entladevorgänge für die Fracht des Nutzfahrzeugs.
Die Angaben über Fahrtlänge und Fahrtdauer, sowie die kalendarische Information, insbesondere über Werk- und Ruhetage, sowie der Zeitabstand zu der letzten zurückliegenden Fahrt sind Indikatoren, die zum Ermitteln einer für den Fahrer sinnvollen Aufteilung der Fahrtunterbrechungen auf die Fahrt genutzt werden. Die Streckentopografie liefert hierüber zusätzliche Informationen, auf welchen Streckenabschnitten mehr Energie benötigt wird, oder weniger Energie benötigt wird, was die prognostizierte benötigte Energiemenge auf den jeweiligen Streckenabschnitten beeinflusst und damit auch die Position der Fahrtunterbrechungen entlang der Strecke. Der Zeitabstand zur zurückliegenden Fahrt kann wiederrum Einflüsse darauf haben, wie lang die nächste Fahrtstrecke maximal sein darf, unter Berücksichtigung wiederum gesetzlicher Vorschriften zu den einzuhaltenden Ruhezeiten. Die Zwischenstopps, die ja unabhängig von den einzuhaltenden Lenkzeiten auch vorkommen, stellen ebenso potentielle Verschleißereignisse dar, und stellen Fahrtunterbrechungen dar, so dass sie als Fahrtinformation vorteilhaft berücksichtigt werden können. Die vorstehenden Parameter werden vorzugsweise in einem Computerprogramm ausgewertet, und aus ihnen eine Stoppstrategie, d.h. Aufteilung der Fahrtunterbrechungen auf die Fahrt erarbeitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Fahrtunterbrechungsinformation eine, mehrere, oder sämtliche der folgenden Informationen:
- Streckenposition der Fahrtunterbrechung,
- Zeitpunkt des Beginns der Fahrtunterbrechung,
- Zeitpunkt des Endes der Fahrtunterbrechung,
- Dauer der Fahrtunterbrechung,
- Zeitabstand und/oder Streckenentfernung zwischen benachbarten Fahrtunterbrechungen.
Die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge ist vorzugsweise definiert als Funktion der Fahrtunterbrechungsinformation, insbesondere als Funktion der Dauer der Fahrtunterbrechung und der Leistung, welche die Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Arbeitspunkt zur Verfügung stellen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Erstellen der Fahrtunterbrechungsinformation eines, mehrere oder sämtliche der Folgenden, und vorzugsweise mittels einer Datenabfrage von einer fahrzeuginternen oder fahrzeugexternen Datenbank, insbesondere einem Flottenmanagementsystem oder einem Fahrtenschreiber, oder mittels manueller Dateneingabe:
Ermitteln der Dauer einer bevorstehenden Fahrt,
Ermitteln einer verbleibenden Streckenlänge nach der nächsten Fahrtunterbrechung,
Ermitteln einer Masse der vom Fahrzeug geladenen Fracht,
Ermitteln von Informationen, die repräsentativ für das Fahrverhalten des Fahrpersonals sind, insbesondere Durchschnitts-Energieverbrauch, Ermitteln, der Anwesenheit eines Trailers am Nutzfahrzeug für die bevorstehende Fahrt, Ermitteln von Wetterdaten für den Zeitraum der bevorstehenden Fahrt, insbesondere entlang der Strecke.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass in dem Flottenmanagementsystem des Nutzfahrzeugs eine Vielzahl an Informationen bereits zur Streckenplanung und für den Betrieb diverser Fahrzeugsysteme vorhanden ist. So ist es beispielsweise möglich, aus dem Flottenmanagementsystem die gesamte Streckenplanung einzusehen. Falls bspw. das Fahrpersonal nach einer prognostizierten Lenkzeitüberschreitung eine Pause machen muss, aber danach nur noch 30 min fahren dürfte, oder es bis zum Ziel nur noch 30 min wären, kann das Brennstoffzellensystem gleich ausgeschaltet werden und nach Ende der Fahrtunterbrechung ausgeschaltet bleiben.
Über das Flottenmanagementsystem kann vorteilhaft auch die Masse der Ladung unabhängig von einer etwaigen Verwendung von Fahrzeugsensoren ermittelt werden, weil jede Ware, die Teil der Ladung ist, im Flottenmanagementsystem mit einer Masse erfasst ist.
Im Flottenmanagementsystem sind auch Daten bezüglich der Fahrweise des Fahrpersonals gespeichert, so etwa der Durchschnittsenergieverbrauch.
Das ermitteln, ob ein Anhänger verbunden ist oder verbunden werden soll, wird vorzugsweise ebenfalls als Fahrtunterbrechungsinformation aus dem Flottenmanagementsystem ermittelt. Gleiches gilt für Wechselbrücken, die auf einem Anhänger verladen werden. Es ist damit möglich, nicht nur die aktuelle, sondern auch die zukünftige Masse des Nutzfahrzeugs zu ermitteln.
Das Ermitteln der Wetterdaten erlaubt es im Rahmen der Prognosegenauigkeit, für die Planung der Fahrtunterbrechungen Straßenverhältnisse, Unwetterlagen und/oder Temperaturentwicklungen einzubeziehen. Beispielsweise kann während einer Fahrtunterbrechung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt durch das fortgesetzte Ansteuern des Brennstoffzellensystems gezielt das Problem einfrierenden Wassers vermindert werden, und/oder es kann die Laderate des elektrischen Speichers an die Temperatur an Ort und Zeit der Fahrtunterbrechung angepasst werden, und damit das Ladeverhalten und die Länge der Fahrtunterbrechung auch wetterabhängig aneinander angepasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Erstellen der Fahrtunterbrechungsinformation eines, mehrere oder sämtliche der Folgenden:
Bestimmen einer benötigten Fahrtunterbrechungs-Dauer als Funktion der ermittelten Fahrtdauer, und
Erstellen eines Fahrtunterbrechungsplans, in welchem die Fahrtunterbrechungsdauer auf eine Anzahl von Fahrtunterbrechungen über die Dauer der Fahrt verteilt ist, vorzugsweise gleichmäßig, Modifizieren und/oder Bestätigen des erstellten Fahrtunterbrechungsplans mittels einer Benutzereingabe.
Vorzugsweise erfolgt das Ansteuern der Brennstoffzelle als Funktion des Fahrtunterbrechungsplans.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle dazu eingerichtet, bei verschiedenen Arbeitspunkten betrieben zu werden, und das Verfahren umfasst ferner den Schritt:
- Anpassen des Arbeitspunkts der Brennstoffzelle während der Fahrtunterbrechung in Abhängigkeit der Fahrtunterbrechungsinformation, insbesondere in Abhängigkeit der Dauer der Fahrtunterbrechung. Durch Anpassen des Arbeitspunkts der Brennstoffzelle kann in bestimmten Grenzen die dem elektrischen Speicher zugeführte Ladungsmenge während der Fahrtunterbrechung so eingeregelt werden, dass die Fahrtunterbrechung vollständig für den Ladevorgang ausgeschöpft wird, ohne das die Brennstoffzelle den elektrischen Speicher vollständig angefüllt hat, bevor die Fahrtunterbrechung beendet ist.
In bevorzugten Ausführungsformen wird der Arbeitspunkt der Brennstoffzelle derart angepasst, dass die Ansteuerung der Brennstoffzelle während der gesamten Fahrtunterbrechung fortgesetzt wird, vorzugsweise in einem Bereich von 10 % bis 70 % der Nennleistung der Brennstoffzelle, wobei vorzugsweise 15 % bis 60 % der Nennleistung der Brennstoffzelle, besonders bevorzugt und 20 % bis 50 % der Nennleistung der Brennstoffzelle.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Brennstoffzelle wenigstens einen Verdichter auf, der eine rotatorisch angetriebene Verdichterwelle aufweist, und das Verfahren umfasst ferner den Schritt: Fortsetzen des Antriebs der Verdichterwelle bei einer vorbestimmten Drehzahl, vorzugsweise oberhalb der Abhebedrehzahl, auch wenn der vorbestimmte Ladezustand des elektrischen Speichers erreicht worden ist, bevor die Fahrtunterbrechung beendet ist. Es ist erkannt worden, dass von den Komponenten des Brennstoffzellensystems besonders die Lager der Verdichteranordnungen verschleißanfällig sind. Selbst bei der Verwendung von Luftlagern tritt nämlich Verschleiß auf, und zwar insbesondere beim Vorgang des Hochfahrens und Herunterfahrens der Brennstoffzelle, wenn nämlich die Abhebedrehzahl der jeweiligen Lager unterschritten wird, und die Lagerkomponenten aufeinander abgleiten.
Die erfindungsgemäße Betriebsstrategie verhindert bereits durch das Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellensystems, dass die Verdichterwelle zum Stillstand kommt. Es kann aber in bevorzugten Ausführungsformen dazu kommen, beispielsweise bei sehr langen Fahrtunterbrechungen, dass das Brennstoffzellensystem nicht in einem sinnvollen Arbeitspunkt über die gesamte Fahrtunterbrechung hinweg betrieben werden kann, sondern den Ladevorgang zu einem Zeitpunkt beenden muss, zu dem die Fahrtunterbrechung noch nicht beendet ist. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, zwar die Brennstoffzelle herunterzufahren, den Verdichter aber trotzdem weiterhin rotatorisch anzutreiben, um ein Aufsetzen der Verdichterwelle zu vermeiden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren dann ferner das Führen des vom Verdichter erzeugten Fluidstroms mittels eines Bypasses in die Umgebung. Dadurch kann vermieden werden, dass die dann akut nicht benötigte verdichtete Luft durch die weiteren Systemkomponenten hindurchströmen muss. In bevorzugten Ausführungsformen wird das Ansteuern der Brennstoffzelle während der Fahrt derart ausgeführt, dass permanent oder abschnittsweise während der Fahrt eine geringere Energiemenge bereitgestellt wird, als vom Elektromotor des Fahrzeugs angefordert wird, sodass die verbleibende benötigte Energiemenge dem Elektromotor aus dem elektrischen Speicher unter Absinken des Ladestands zugeführt wird. Beim permanenten „Unterversorgen“ des elektrischen Speichers wird das volle Leistungspotential der Brennstoffzelle zu keinem Zeitpunkt ausgeschöpft, dafür wird die Brennstoffzelle sehr konsistent auf dem gleichen Arbeitspunkt betrieben. Mit Blick auf das Management der Ladezyklen des Energiespeichers kann es vorteilhaft sein, den Energiespeicher während der Fahrt über Zeitabschnitte auf einem konstanten Ladestand zu halten, um die Lebensdauer des elektrischen Speichers zu erhöhen. Daher ist in einer bevorzugten Variante vorgesehen, dass die Brennstoffzelle abschnittsweise zum Bereitstellen einer solchen Energiemenge angesteuert wird, dass der elektrische Speicher auf einem im Wesentlichen konstanten Energieniveau, beispielsweise auf dem Niveau seines vorbestimmten Ladestands, gehalten wird, und dass erst dann, wenn die nächste Fahrtunterbrechung näher rückt, die Brennstoffzelle zum Abgeben einer geringeren Energiemenge angesteuert wird, und ab jenem Zeitpunkt der Ladestand des elektrischen Speichers gezielt abgesenkt wird.
In Ausführungsformen, in denen das Ansteuern der Brennstoffzelle so ausgeführt wird, dass nur abschnittsweise während der Fahrt eine geringere Energiemenge bereitgestellt wird als vom Elektromotor angefordert wird, wird der Zeitpunkt, ab welchem die Brennstoffzelle eine geringere Energiemenge bereitstellt, vorzugsweise als Funktion eines, mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter festgelegt:
Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Fahrzeit bis zur nächsten Fahrtunterbrechung,
Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung, Streckentopographie auf der verbleibenden Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung,
Der angestrebte untere Lade-Schwellwert des elektrischen Speichers zu Beginn der Fahrtunterbrechungen ist vorzugsweise derjenige Schwellwert, der auch für das Bestimmen der Fahrtunterbrechungs-Energiemenge verwendet wird. Wenn die maximale Diskrepanz, die zwischen dem angeforderten Energiebedarf des Elektromotors und der von der Brennstoffzelle minimal bereitstellbaren elektrischen Energie begrenzt ist, was praktisch in den meisten Fällen der Fall sein wird, ist hierdurch eine maximale Entladerate für den elektrischen Speicher während der Fahrt definiert. Mit dem angestrebten unteren Lade-Schwellwert ist dadurch der Zeitpunkt definierbar, ab welchem spätestens mit dem Entladen angefangen werden muss, damit bei Erreichen der Fahrtunterbrechung der elektrische Speicher so weit entladen wurde, dass die Beladung während der Fahrtunterbrechung mit einem gewünschten Arbeitspunkt der Brennstoffzelle über die gesamte Dauer hinweg durchgeführt werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt der angestrebte Lade-Schwellwert des elektrischen Speichers bei 15% der maximalen Ladekapazität oder darüber, vorzugsweise bei 20% oder darüber, besonders bevorzugt bei 33% oder darüber. Hierdurch wird eine ungewollte Tiefentladung des elektrischen Speichers vermieden und der Verschleiß des elektrischen Speichers in Grenzen gehalten.
In bevorzugten Ausführungsformen wird der angestrebte untere Lade- Schwellwert in Abhängigkeit der maximalen Kapazität Cmax und einer maximalen Laderate C=lmax/Cmax des elektrischen Speichers bestimmt, wobei C vorzugsweise in einem Bereich von 1 ,5C oder langsamer, weiter vorzugsweise 2C oder langsamer liegt. Die Laderate C trägt die Einheit 1 /Zeit, üblicherweise 1/h. C gibt beim Laden den Kehrwert der Zeit an, die zum Aufladen der Nennkapazität erforderlich ist. Eine Laderate von 2C bedeutet also beispielsweise im Ladevorgang, dass der elektrische Speicher über einen Zeitraum von mindestens 2 Stunden von leer auf voll geladen werden soll. Daraus leitet sich der maximal zulässige Ladestrom ab: Ein elektrischer Speicher mit einer maximalen Kapazität Cmax von 10.000 mAh und einer Laderate 2C dürfte also innerhalb von zwei Stunden mit einem Ladestrom von maximal lmax= 5 A von leer auf voll geladen werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Brennstoffzelle erst zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Erreichen der nächsten Fahrtunterbrechung in ihrer Energieabgabe zu drosseln, beispielsweise bei einer vorbestimmten restlichen Fahrzeit von einer Stunde oder weniger. Alternativ oder zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Brennstoffzelle so zu steuern, dass sie automatisch mit dem Abgeben einer geringeren Energiemenge als angefordert beginnt, wenn das Nutzfahrzeug in eine bestimmte Entfernung zum Ziel der nächsten Fahrtunterbrechung gelangt, wenn also beispielsweise eine vorbestimmte restliche Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung von 80 Kilometer oder weniger erreicht ist. Die Streckentomographie auf der verbleibenden Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung kann insofern vorteilhaft in die Bestimmung des Zeitpunkts einbezogen werden, als dass bei Bergabstrecken zum Einen weniger Antriebsleistung erforderlich ist, zum Anderen der elektrische Speicher auch über Rekuperationsmodi aufgefüllt werden kann. Auf einer längeren Gefällestrecke lässt sich häufig nicht so viel Energie aus dem elektrischen Speicher entziehen, wie es bei ebener Fahrt oder an Steigungen der Fall wäre. Beispielsweise dann, wenn die nächste Fahrtunterbrechung kurz nach einem längeren Gefälle liegt, kann der Zeitpunkt nach vorne rücken, zu dem mit dem gezielten Entladen des elektrischen Speichers während der Fahrt begonnen werden kann. Liegt die nächste Fahrtunterbrechung am Ende einer längeren Steigung, oder kurz danach, kann beispielsweise der Zeitpunkt nach hinten verschoben werden, zu dem eine gezielte Entladung durch Herunterfahren der Brennstoffzelle eingeleitet wird.
Der vorstehend an verschiedenen Stellen beschriebene vorbestimmte Ladestand des elektrischen Speichers wird verstanden als derjenige Ladestand, bei welchem der elektrische Speicher im Normalbetrieb seinen Ladestand haben sollte. Dies wird in der Regel nicht bei 100 % der maximalen Ladekapazität sein, sondern eher im Bereich darunter, um den elektrischen Speicher zu schonen, und um nach oben einen bestimmten Puffer zur Verfügung zu haben, falls beispielsweise durch Rekuperation oder andere Betriebszustände elektrische Energie in den elektrischen Speicher überführt werden soll. Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Ladestand des elektrischen Speichers unterhalb der maximalen Ladekapazität, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 50 % bis 80 %, insbesondere in einem Bereich von 60-70 % der maximalen Ladekapazität.
Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren in einem ersten Aspekt beschrieben worden. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem eines Nutzfahrzeugs, welches einen Elektromotorantrieb aufweist, mit einem elektrischen Speicher, mit einer maximalen Ladekapazität in einem veränderlichen Ladezustand zum Versorgen des Elektromotorantriebs, einer Brennstoffzelle zur Versorgung des elektrischen Speichers, und einem Steuergerät, welches signalleitend mit der Brennstoffzelle verbunden und dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzelle anzusteuern.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Brennstoffzellensystem, indem das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt macht sich dieselben Vorteile zunutze wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind demnach zugleich die bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems gemäß dem zweiten Aspekt und umgekehrt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird insoweit auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Das Brennstoffzellensystem weist vorzugsweise wenigstens einen Verdichter auf, der eine rotatorisch angetriebene Verdichterwelle aufweist, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Antrieb der Verdichterwelle bei einer vorbestimmten Drehzahl, vorzugsweise oberhalb der Abhebedrehzahl, fortzusetzen, auch wenn der vorbestimmte Ladezustand des elektrischen Speichers erreicht worden ist, bevor die Fahrtunterbrechung beendet worden ist.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ferner ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem eines Nutzfahrzeugs, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Die Erfindung löst bei diesem Steuergerät die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen.
Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, signalleitend mit dem Brennstoffzellensystem verbunden zu werden und weist beispielsweise einen Datenspeicher auf, in dem die Befehle und, soweit erforderlich, Steuerparameter zur Ausführung des Verfahrens der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hinterlegt sind, oder ist mit einem solchen Datenspeicher datenleitend verbindbar, und weist weiter vorzugsweise einen Prozessor auf, der dazu eingerichtet ist, mittels der im Datenspeicher hinterlegten Befehle das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen.
Auch das Steuergerät macht sich dieselben Vorteile zunutze wie das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des Brennstoffzellensystems sind somit auch bevorzugte Ausführungsformen des Steuergeräts und umgekehrt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auch diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Computerprogrammprodukt enthaltend Befehle, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Steuergerät zu bilden.
Die Erfindung löst bezüglich des Computerprogrammprodukts die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem die Befehle dazu führen, dass ein Steuergerät nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gebildet wird und/oder das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb des Nutzfahrzeugs gemäß Fig. 1 , und
Fig.3a, b, c zeitliche Ablaufdiagramme des veränderlichen Ladestands des Energiespeichers des Nutzfahrzeugs.
In Fig. 1 ist ein Nutzfahrzeug 1 schematisch dargestellt. Die Darstellung beschränkt sich auf die für die Erfindung wesentlichen Komponenten, wobei verstanden werden soll, dass das Nutzfahrzeug neben den abgebildeten Komponenten weitere, für den Betrieb erforderliche Komponenten wie beispielsweise ein Bremssystem etc. aufweisen kann und wird. Auf die Darstellung solcher Elemente wurde zugunsten einer knappen Darstellung verzichtet.
Das Nutzfahrzeug 1 weist ein Brennstoffzellensystem 3 auf, welches dazu eingerichtet ist und energieübertragend verbunden ist mit einem elektrischen Speicher 5, der eine maximale Ladekapazität von beispielsweise 120 kWh aufweist, dazu eingerichtet ist bei einem vorbestimmten Ladestand von 90 kWh im Normalbetrieb gehalten zu werden. Das Brennstoffzellsystem 3 hat beispielsweise eine Nennleistung von 300 kW bei einem Wirkungsgrad von 40 %.
Der elektrische Speicher 5 ist zu Energieübertragung verbunden und dementsprechend dazu eingerichtet, elektrische Energie an den Elektromotorantrieb 7 zu liefern. Der Elektromotorantrieb 7 weist einen oder mehrere Elektromotoren 8 auf, die entsprechend mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden sind, um die gelieferte elektrische Energie in Vortrieb umzusetzen.
Das Nutzfahrzeug 1 weist ein Steuergerät 9 auf. Das Steuergerät 9 weist vorzugsweise einen Datenspeicher 1 1 auf oder eine (nicht dargestellte) Schnittstelle zu einem solchen Datenspeicher, und einen Prozessor 13. Das Steuergerät 9 ist signalleitend mit dem Brennstoffzellensystem 3 verbunden und dazu eingerichtet, die Brennstoffzelle 17 des Brennstoffzellensystems 3 sowie den Verdichter 19 des Brennstoffzellensystems 3 zum Erzeugen elektrischer Energie anzusteuern.
Das Steuergerät kann ein dediziertes Steuergerät sein, oder hardwaremäßig oder softwaremäßig einer anderen Baueinheit zugeordnet sein, beispielsweise dem Brennstoffzellensystem 3, etwa Teil der Brennstoffzellensteuerung, oder als Teil der Verdichtersteuerung. Das Steuergerät 9 kann aber auch in ein Steuergerät des Nutzfahrzeugs integriert sein, wie beispielsweise dem Bremssteuergerät des Nutzfahrzeugs.
Der Verdichter 19 ist dazu eingerichtet, Luft (O2) anzusaugen, zu verdichten und kathodenseitig der Brennstoffzelle 17 zuzuführen. Als Bezugszeichen für die bearbeitete Luft wird das Symbol O2 benutzt, wenn gleich verstanden werden soll, das die zugeführte Luft kein reiner Sauerstoff sein muss, sondern ein Stoffgemisch, welches neben Sauerstoff noch weitere Bestandteile aufweist, etwa Stickstoff, Edelgase und weitere Bestandteile. Die verwendete Luft kann beispielsweise Umgebungsluft sein. Anodenseitig wird der Brennstoffzelle Wasserstoff (H2) zugeführt, und im Wege der Brennstoffzellenreaktion wird elektrische Energie erzeugt, die dann dem elektrischen Speicher 5 zugeführt wird.
Das Steuergerät 9 ist dazu eingerichtet, das Brennstoffzellensystem 3 derart anzusteuern, dass das Verfahren gemäß der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt wird. Vorzugsweise ist das Steuergerät 9 mit einem Flottenmanagementsystem 15 des Nutzfahrzeugs 1 verbunden oder dazu eingerichtet, Fahrtinformationen und/oder Fahrtunterbrechungsinformationen vom Flottenmanagementsystem zu empfangen.
In dem Datenspeicher 1 1 des Steuergeräts sind Befehle hinterlegt, die bei Ausführung das erfindungsgemäße Verfahren ausführen, auf das nachfolgend im Weiteren eingegangen wird. Für die Ausführung der Befehle ist der Prozessor 13 zuständig.
Der Betrieb des Nutzfahrzeugs anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand Fig. 2 näher erläutert. Soll das Nutzfahrzeug gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, wird eine Fahrtinformation F über die bevorstehende Fahrt in einem Verfahrensschritt 101 bereitgestellt oder erstellt, beispielsweise enthaltend: Fahrtlänge, Fahrtdauer, kalendarische Information, insbesondere Angabe über Werk- oder Ruhetage, Streckentopographie, und/oder Zeitabstand zu zurückliegender Fahrt. Ferner wird eine Fahrtunterbrechungsinformation Fu über mindestens eine der bevorstehenden Fahrt vorgesehen Fahrtunterbrechung erstellt oder bereitgestellt in einem Schritt 103, beispielsweise enthaltend Streckenposition der Fahrtunterbrechung, Zeitpunkt des Beginns der Fahrtunterbrechung, Zeitpunkt des Endes der Fahrtunterbrechung, Dauer der Fahrtunterbrechung, Zeitabstand und/oder Streckenentfernung zwischen benachbarten Fahrtunterbrechungen.
Mit Kenntnis der einen oder mehreren vorgesehenen Fahrtunterbrechungen ist es möglich, eine Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE ZU bestimmen in einem Schritt 105, wobei die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE diejenige Energiemenge darstellt, die während der Fahrtunterbrechung oder Fahrtunterbrechungen dem elektrischen Speicher 5 der von der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung gestellt werden kann. Geht man beispielsweise davon aus, dass angestrebt ist, die Brennstoffzelle bei einem sinnvollen Wirkungsgrad um beispielsweise 30 % ihrer Nennleistung, zu betreiben während der Fahrtunterbrechung, und soll die Fahrtunterbrechung 45 Minuten betragen, wäre die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge der Brennstoffzelle 17, die eine Nennleistung von 300 kW aufweist möglich ca. 70 kWh.
Ist die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE bekannt, kann ferner auch bestimmt werden, wie weit der elektrische Speicher 5 bei Beginn der Fahrtunterbrechung entleert sein soll, damit zum Ende der Fahrtunterbrechung hin der elektrische Speicher 5 wieder seinen vorbestimmten Ladestand erreicht hat, ohne dass das Brennstoffzellensystem 3 heruntergefahren werden muss.
Ist die Dauer der Fahrtunterbrechung kurz, kann die von der Brennstoffzelle 17 abgegebene Leistung in den Grenzen sinnvoller Arbeitspunkte erhöht werden. Ist die Fahrtunterbrechung länger, kann die abgegebene Leistung der Brennstoffzelle 17 im Rahmen jener Grenzen reduziert werden. In einem Verfahrensschritt 107 wird nach Bestimmung der Fahrtunterbrechungen die Brennstoffzelle zum Betrieb des Nutzfahrzeugs 1 angesteuert und liefert elektrische Energie an den elektrischen Speicher 5. Sie tut dies entweder derart, dass der elektrische Speicher 5 permanent wenige Energie von der Brennstoffzelle 17 zugeführt bekommt, als der Elektromotor 8 entnimmt, siehe Skizzen der Figuren 3a bis 3c, oder die Brennstoffzelle 17 wird zunächst so angesteuert, dass der Ladestand des elektrischen Speichers auf dem vorbestimmten Ladestand Lv konstant gehalten wird, und erst bei Näherrücken der Fahrtunterbrechung die Leistung der Brennstoffzelle 17 so reduziert wird, dass der Ladestand des elektrischen Speichers 5 auf einen angestrebten unteren Schwellwert Lu zu Beginn der Fahrtunterbrechung absinkt.
Das Herabsetzen der von der Brennstoffzelle 17 abgegebenen Leistung wird beispielsweise in einem Schritt 109 durch Anpassen des Arbeitspunkts der Brennstoffzelle 17 erreicht. Der Zeitpunkt, zu dem während der Fahrt, also während Schritt 107, der Arbeitspunkt angepasst wird, wird vorzugsweise als Funktion eines, mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter P bestimmt:, Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Fahrzeit bis zur nächsten Fahrtunterbrechung, Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung, Streckentopographie auf der verbleibenden Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung.
Wenn das Ereignis der Fahrtunterbrechung eintritt, wird in einem Schritt 111 das Nutzfahrzeug 1 an dem Ort der Fahrtunterbrechung abgestellt, das Ansteuern der Brennstoffzelle 17 jedoch fortgesetzt, woraufhin der Ladestand des elektrischen Speichers 5 wieder zu steigen beginnt. Auch hierfür wird optional in einem Schritt 113 der Arbeitspunkt der Brennstoffzelle 17 so angepasst, dass die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE über die Dauer der Fahrtunterbrechung hinweg zugeführt wird, sodass die Verdichterwelle 21 des Verdichters 19 während der gesamten Fahrtunterbrechung oberhalb ihrer Abhebedrehzahl betrieben werden kann, und ein diesbezüglicher Verschleiß nahezu vollständig vermieden wird.
Der Betrieb der Brennstoffzelle 17 während der Schritte 107 und 111 erfolgt vorzugsweise als Funktion der Fahrtinformationen F und Fahrtunterbrechungsinformationen Fu, wobei das Erstellen der Fahrtunterbrechungsinformation Fu vorzugsweise eine Subroutine mit den folgenden Schritten umfasst: In einem Schritt 103a wird eine Dauer tges der bevorstehenden Fahrt ermittelt, vorzugsweise mittels einer Datenbankabfrage von einer fahrzeuginternen oder fahrzeugexternen Datenbank, insbesondere von einem Flottenmanagementsystem 15 des Nutzfahrzeugs 1 , oder einem Fahrtenschreiber (nicht dargestellt) oder mittels manueller Dateneingabe. In einem Verfahrensschritt 103b wird als Funktion der ermittelten Fahrtdauer eine benötigte Fahrtunterbrechungsdauer tu, ges bestimmt. Die Fahrtunterbrechungsdauer tu, ges kann vorzugsweise einer Lookup-Tabelle entnommen werden. In einem Schritt 103c wird ein Fahrtunterbrechungsplan Fp erstellt, in welchem die Fahrtunterbrechungsdauer tu, ges auf eine Anzahl von Fahrtunterbrechungen tun über die Dauer der Fahrt verteilt ist, vorzugsweise gleichmäßig. Der Fahrtunterbrechungsplan Fp wird dem Fahrer des Nutzfahrzeugs 1 angezeigt, vorzugsweise auf einer graphischen Anzeige oder einer graphischen Benutzeroberfläche. In einem Schritt 103d wird der Fahrtunterbrechungsplan Fp von dem Fahrer des Nutzfahrzeugs 1 wahlweise modifiziert und/oder bestätigt mittels einer Benutzereingabe, und dann als Fahrtunterbrechungsinformation dem Verfahren zugeführt.
Der Ladevorgang in Schritt 1 1 1 kann im Rahmen der durch die Brennstoffzelle 17 und den elektrischen Speicher 5 vorgegebenen physikalischen Grenzen und sinnvollen Arbeitsbereiche für bestimmte Zeitdauern der Fahrtunterbrechung so skaliert werden, dass der Ladevorgang sich auch über die gesamte Dauer der Fahrtunterbrechung erstreckt. Bei besonders langen Fahrtunterbrechungen wird es aber dazu kommen, dass der Ladevorgang beendet werden muss, bevor die Fahrtunterbrechung beendet ist. In einem solchen Fall ist es möglich, optional in einem Verfahrensschritt 1 15 die Brennstoffzelle 17 herunterzufahren, aber die Verdichterwelle 19 des Verdichters 21 weiterhin anzutreiben. Die verdichtete Luft O2 kann beispielsweise über einen Bypass umgeleitet werden, der hier nicht näher dargestellt ist. Auf diese Weise kann trotz Abschaltens der Brennstoffzelle 17 ein Verschleiß der Lager an der Verdichterwelle 21 des Verdichters 19 vermieden werden. Abhängig vom Energieverbrauch für den Antrieb der Verdichterwelle 21 kann dieser Vorgang fortgesetzt werden, bis die Fahrtunterbrechung vorbei ist und das Nutzfahrzeug 1 in einem Schritt 1 17 seine Fahrt fortsetzt, entweder zum Fahrtziel oder zu einer nächsten Fahrtunterbrechung, wobei dann ab dem Schritt 1 17 die Verfahrensschritte 107ff. erneut ausgeführt würden.
In den Fig. 3a, 3b, 3c werden exemplarisch verschiedene Fahrten erläutert, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren von dem Nutzfahrzeug gemäß Fig. 1 zurückgelegt werden. In Fig. 3a ist eine erste Fahrt gezeigt. Für diese Fahrt wird als Fahrtinformation F eine gesamte zurückzulegende Fahrtzeit tges von 10 Stunden bereitgestellt. Aus der Fahrtzeit von 10 Stunden ergibt sich eine Fahrtunterbrechungsdauer tuges von 1 ,5 Stunden. Die Fahrtunterbrechungsdauer wird aufgeteilt auf zwei einzelnen Fahrtunterbrechungen tui ,tu2 = 0,75 Stunden. Die erste Fahrt ist darauf ausgelegt, dass jeweils möglichst lange ununterbrochene Fahrtstrecken zurückgelegt werden können. Deswegen ist der Zeitpunkt der ersten Fahrtunterbrechung nach einer Fahrtzeit ti von 4,5 Stunden angesetzt. Der zweite Fahrtunterbrechungszeitpunkt ist wiederrum am Ende eine Fahrzeit t2=ti von ununterbrochenen 4,5 Stunden Fahrtzeit angesetzt. Damit besteht die Fahrt aus drei Fahrsegmenten Fi, F2, F3, und zwei Fahrtunterbrechungen Ui, U2. Nach Start des Brennstoffzellensystems 3 und Erstellen beziehungsweise Bereitstellen der entsprechenden Fahrtinformationen, Fahrtunterbrechungsinformationen und soweit erforderlichen Bestimmen der Fahrtunterbrechungs-Energiemenge für die Fahrtunterbrechungen Ui, U2 wird in einem Zeitabschnitt I in dem Fahrsegment Fi für die Dauer ti der Schritt 107, 109 des Verfahrens durchgeführt: Die Brennstoffzelle 17 liefert weniger Energie an den elektrischen Speicher 5, als der Elektromotor 8 benötigt, wodurch der Ladestand, der in Fig. 3a über der Zeit aufgetragen ist, kontinuierlich von dem vorbestimmten Ladestand Lv (90 kWh) auf den unteren Schwellwert Lu absinkt. Der untere Schwellwert Lu entspricht hierbei demjenigen Ladestand, der sich um die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE von dem vorbestimmten Ladestand unterscheidet, die während der Fahrtunterbrechung Ui im Zeitabschnitt II zugeführt werden kann. In jenem Zeitabschnitt II wird der Elektromotor 8 des Nutzfahrzeugs 1 abgeschaltet, und die Brennstoffzelle 17 führt dem elektrischen Speicher 5 Energie zu. Hierzu wird Verfahrensabschnitt 111 , optional 113, durchgeführt. Der elektrische Speicher 5 erreicht just in dem Moment seinen vorbestimmten Ladestand Lv wieder, indem die Fahrtunterbrechung Ui beendet ist, und das Fahrzeug in Zeitabschnitt III seine Fahrt in Richtung des Fahrtziels fortsetzt. Nach t2 wird eine erneute Fahrunterbrechung U2 in Zeitabschnitt IV durchgeführt. Der elektrische Speicher 5 ist zum Zeitpunkt des Übertritts in Zeitabschnitt IV wieder auf den vorbestimmten Schwellwert Lu abgesunken, und die Dauer tu2 der Fahrtunterbrechung U2 in Zeitabschnitt IV wird erneut vollständig dazu genutzt, den elektrischen Speicher 5 wieder auf den vorbestimmten Ladestand Lv aufzuladen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a beträgt der untere Schwellwert 20 kWh, die Dauer tui, tu2 der Fahrtunterbrechung Ui, U2 beträgt jeweils 0,75 Stunden, und die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge beträgt dementsprechend 70 kWh. Eine Brennstoffzelle mit 300 kW Nennleistung könnte diesen Ladevorgang bei einem Wirkungsgrad von 30 % effizient durchführen. In einem letzten Zeitabschnitt V setzt das Nutzfahrzeug 1 seine Fahrt fort. Die Brennstoffzelle wird angesteuert, wobei allerdings im Unterschied zu den Zeitabschnitten I und III der Ladestand nicht abgesenkt werden muss, denn am Ende des Zeitabschnitt V ist das Endziel der Fahrt erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit anderen Pausenstrategien sinnvoll eingesetzt werden, wie beispielsweise Fig. 3b zeigt. In der Fahrt gemäß Fig. 3b beträgt die Fahrtinformation in Form der gesamten Fahrtdauer ebenfalls 10 Stunden, und die darauf resultierende notwendige Fahrtunterbrechungsdauer beträgt ebenfalls 1 ,5 Stunden wie in Fig. 3a. Hier ist, entweder per Computervorschlag oder Benutzereingabe, eine alternative Pausenstrategie gewählt worden, nämlich vier Fahrsegmente F1-F4 mit Zeitdauern ti-t4 und drei Fahrtunterbrechungen tui - tu3 mit Zeitdauern tui - tu4. Daraus ergibt sich eine unterschiedliche Dauer der jeweiligen Fahrtunterbrechungen und damit auch eine etwas andere Ladestrategie. In einem Zeitabschnitt I wird der elektrische Speicher 5 im Verfahrensschritt 107, 109 auf einem ersten unteren Schwellwert Lui abgesenkt. Da die erste Fahrunterbrechung Ui nur eine Zeitdauer tui von 0,25 Stunden aufweist, ist die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FEI geringer als bei den Fahrtunterbrechungen gemäß Fig. 3a. Der Ladestand Lui zu Beginn der ersten Fahrtunterbrechung in Zeitabschnitt II ist daher mit etwas über 60 kWh vergleichsweise hoch. Jedenfalls ist es dadurch aber möglich, den Ladestand innerhalb der kurzen Fahrtunterbrechungen in Zeitabschnitt II wieder auf den vorbestimmten Ladestand Lv anzuheben, und die Fahrt kann ohne Abschalten des Brennstoffzellensystems 3 fortgesetzt werden. In Zeitabschnitt III wird dann erneut in einem Verfahren gemäß Schritt 107 die Brennstoffzelle 17 so angesteuert, dass der elektrische Speicher 5 allmählich entleert wird. Die zweite Fahrtunterbrechung U2 ist allerdings mit tu2=0,5 h doppelt so lang wie die erste Fahrtunterbrechung Ui, sodass eine größere Energiemenge in der zur Verfügung stehenden Fahrtunterbrechungsdauer tU2 zugeführt werden kann. Die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge FE2 ist entsprechend höher, sodass der untere Schwellwert Lu2 zu Beginn des Zeitabschnitts IV weiter absinkt bis auf vorliegend etwas über 40 kWh. Auch im Zeitabschnitt IV gelingt es daher, die Dauer tu2 der Fahrtunterbrechung U2 vollständig zum Aufladen des elektrischen Speichers 5 auf dem vorbestimmten Ladestand Lv zu nutzen, bevor die Fahrt im fünften Zeitabschnitt V fortgesetzt werden kann. Auch im fünften Zeitabschnitt V, der eine Länge von 4,5 Stunden aufweist, wird der elektrische Speicher 5 wieder allmählich entladen auf einen unteren Schwellwert Lus, der, wiederum angepasst an die Dauer der Fahrtunterbrechung in Zeitabschnitt VI, niedriger liegt als die Schwellwerte Lui und LU2. In Zeitabschnitt VI, der eine Dauer tu3 von 0,75 Stunden aufweist, können insgesamt ca. 70 kWh zugefügt werden, bis wiederum der vorbestimmte Ladestand Lv am Ende der Fahrtunterbrechung erreicht ist, sodass im letzten Fahrtabschnitt VII das Nutzfahrzeug 1 seine Fahrt mit konstantem Ladespeicherstand bis zum Ziel fortsetzen kann.
In einer dritten Fahrt gemäß Fig. 3c ist wiederum für eine gesamte Fahrtdauer von 10 Stunden eine Fahrtunterbrechungsdauer von 1 ,5 Stunden zugrunde gelegt, die gemäß dem Fahrtunterbrechungsplan gemäß Fig. 3c allerdings nicht auf zwei oder drei Fahrtunterbrechungen wie in Fig. 3a oder 3b, sondern auf fünf Fahrsegmente F1-F5 und vier Fahrtunterbrechungen Ui bis U4 verteilt ist. Dementsprechend können die einzelnen Fahrtunterbrechungen Ui bis L kürzer ausfallen.
Ein erster Streckenabschnitt I hat eine Fahrtdauer ti von 2 Stunden, gefolgt von einem zweiten Zeitabschnitt II mit einer Fahrtunterbrechungsdauer tui von 0,25 Stunden. Daran schließt sich ein Zeitabschnitt III mit einer Fahrtdauer t2 von 2,5 Stunden an, auf den eine Fahrtunterbrechung tu2 in einem Zeitabschnitt IV mit einer Dauer von 0,5 Stunden folgt. Daran anschließend folgt erneut eine zweistündige Fahrt t3, F3 in einem Zeitabschnitt V, gefolgt wiederum von einer Fahrtunterbrechung U3 mit einer Länge tu3 von 0,25 Stunden in einem Zeitabschnitt VI. An diesen schließt sich wieder eine Fahrt F4 von t4=2,5 Stunden Dauer in einem Zeitabschnitt VII an, gefolgt von einer 0,5-stündigen (tu4) Fahrtunterbrechung L in einem achten Zeitabschnitt VIII und einer Fahrt Fs mit Ts=1 Stunde zum Ziel in einem letzten Zeitabschnitt IX.
Im ersten Zeitabschnitt I wird gemäß Schritt 107 der elektrische Speicher 5 durch entsprechendes Ansteuern der Brennstoffzelle 17 für ti während der Fahrt Fi langsam entleert, bis ein an die Dauer tui der Fahrtunterbrechung Ui in Zeitabschnitt II angepasster unterer Schwellwert Lui des Ladestands des elektrischen Speichers 5 erreicht ist. Der Schwellwert Lui liegt in Fig. 3c bei ca. 65 kWh. In den Fahrtunterbrechungen Ui und U2 wird wie in den vorigen Fahrten der elektrische Speicher 5 während der Zeiten tui, tu2 auf Lv aufgeladen, und in den Fahrsegmenten Fi und F2 ist er zuvor während der Zeiten ti, t2 entsprechend entladen worden. Der untere Schwellwert Lu2 am Ende des Zeitabschnitts III liegt bei Lu2 = 45 kWh. Das Schema der Zeitabschnitte I bis IV wiederholt sich in den Zeitabschnitten V bis VIII für die Fahrsegmente F3, t3 und F4, t4 entsprechend. Im letzten Streckenabschnitt IX kann das Nutzfahrzeug 1 seine Fahrt Fs für die Zeit ts bei konstantem Ladestand Lv bis zum Ziel fortsetzen.
Den Fahrten der Figuren 3a bis 3c ist gemein, dass das Brennstoffzellensystem 3 dem Grunde nach die ganze Zeit tges+tu, ges hindurch betrieben werden kann, ohne dass die Verdichterwelle 21 des Verdichters 19 ein einziges Mal stillstehen muss. Der Verschleiß für eine solche Fahrt wird signifikant reduziert, da bei dem Fahrtenbeispiel gemäß Fig. 3a insgesamt zwei Herunterfahrvorgänge und zwei Anfahrvorgänge des Brennstoffzellensystems 3 umgangen werden können. Beim Fahrtenbeispiel der Fig. 3b sind es gleich sechs solcher Verschleißvorgänge, und beim Fahrtenbeispiel der Fig. 3c sind es sogar acht solcher Verschleißvorgänge, die vermieden werden können. Die Erfindung spielt ihren Vorteil folglich umso stärker aus, je mehr Fahrtunterbrechungen auf einer Fahrt notwendig sind. Demzufolge ist die Erfindung auch umso wirkungsvoller, je länger sie über die Wirkungsdauer eines Fahrzeugs eingesetzt wird, da sich die Anzahl der „vermiedenen“ Verschleißereignisse aufsummiert.
In den Figuren 3a-c ist jeweils ein Betrieb gezeigt, in dem die Brennstoffzelle während der gesamten Fahrt weniger Energie zuführt als der Elektromotor 8 für den Betrieb anfordert. In einer bevorzugten Variante kann (nicht dargestellt) der Elektromotor zumindest in den längeren Fahrstreckenetappen, wie beispielsweise den Etappen der Zeitabschnitte I und III gemäß Fig. 3a oder in Zeitabschnitt V gemäß Fig. 3b zunächst für einen Zeitraum von beispielsweise 2-3 Stunden konstant gehalten werden, indem die Brennstoffzelle 17 die vom Elektromotor angeforderte Energie bereitstellt. In den Diagrammen wurde dies mit einer horizontalen Linie dargestellt. Erst in dem letzten Teil des jeweiligen Zeitabschnitts vor der avisierten Fahrtunterbrechung würde dann eine Entladung stattfinden, mit einer entsprechend steiler abfallenden Linie im Diagramm.
Es soll verstanden werden, dass neben den exemplarisch gezeigten Fahrtenbeispielen auch andere Ladestrategien und Fahrtunterbrechungsstrategien angewandt werden können. Die Fahrtunterbrechungsstrategien können sich auch je nach Örtlichkeit der Fahrt - vor allem Betrieb des Nutzfahrzeugs in mehreren Jurisdiktionen - und je nach den jeweils geltenden gesetzlichen Bestimmungen ändern. Fahrzeitregeln umfassend maximale Lenkzeiten und vorgeschriebene Erholungspausen unterscheiden sich international teils deutlich. Entsprechende Datenbankinformationen werden daher vorzugsweise im Datenspeicher 11 des Steuergeräts 9 für unterschiedliche örtliche Positionen des Nutzfahrzeugs 1 bereitgehalten oder im Bedarfsfall in das Steuergerät 9 eingespielt. Bezugszeichenliste (Teil der Beschreibung)
I Nutzfahrzeug
3 Brennstoffzellensystem
5 Elektrischer Speicher
7 Elektromotorantrieb
8 Elektromotor
9 Steuergerät
I I Datenspeicher
13 Prozessor
15 Flottenmanagementsystem
17 Brennstoffzelle
19 Verdichter
21 Verdichterwelle
101 , 103, 103a, 103b, 103c, 103d, 105, 107, 109, 111 , 113, 115, 117 Verfahrensschritte
O2 Luft
H2 Wasserstoff
Ln Ladestand
F Fahrtinformation
FU Fahrtunterbrechungsinformation
FE Fahrtunterbrechungs-Energiemenge
FP Fahrtunterbrechungsplan
P Parameter tn Zeit

Claims

- 26 - Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines Nutzfahrzeugs (1 ), welches einen Elektromotorantrieb (7), einen elektrischen Speicher (5) zur Versorgung des Elektromotorantriebs (7) und eine Brennstoffzelle (17) zur Versorgung des elektrischen Speichers (5) aufweist, umfassend die Schritte:
Ansteuern (107) der Brennstoffzelle (17) während der Fahrt derart, dass der Ladestand (L) des elektrischen Energiespeichers (5) bei Eintritt einer Fahrtunterbrechung (Un) unterhalb eines vorbestimmten Ladestands (Lv)liegt, und
Fortsetzen des Ansteuerns (111 ) der Brennstoffzelle (17) während der Fahrtunterbrechung (Un), bis der elektrische Speicher den vorbestimmten Ladestand (Lv) erreicht hat und/oder die Fahrtunterbrechung (Un) beendet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend einen, mehrere oder sämtliche der Schritte:
Erstellen oder Bereitstellen (101 ) einer Fahrtinformation (F) über eine bevorstehende Fahrt, und (103) einer Fahrtunterbrechungsinformation (FU) über mindestens eine während der bevorstehenden Fahrt vorgesehene Fahrtunterbrechung (Un),
Bestimmen (105) einer Fahrtunterbrechungs-Energiemenge (FE), die während der Fahrtunterbrechung (Un) dem elektrischen Speicher (5) von der Brennstoffzelle (17) zugeführt werden kann, wobei die Brennstoffzelle (17) während der Fahrt vorzugsweise derart angesteuert wird, dass der Ladestand (L) des elektrischen Speichers zu Beginn der Fahrtunterbrechung (Un) wenigstens um die Fahrtunterbrechungs-Energiemenge (FE) unterhalb seines vorbestimmten Ladestands (Lv) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Fahrtinformation (F) eine, mehrere oder sämtliche der folgenden Informationen umfasst:
- Fahrtlänge,
- Fahrtdauer (tg es), - kalendarische Information, insbesondere Angabe über Werk- oder Ruhetage,
- Streckentopographie,
- Zeitabstand zu zurückliegender Fahrt,
- Zwischenstopps auf der bevorstehenden Fahrt, insbesondere Lade- und Entladevorgänge für die Fracht des Nutzfahrzeugs.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Fahrtunterbrechungsinformation (Fu) eine, mehrere oder sämtliche der folgenden Informationen umfasst:
- Streckenposition der Fahrtunterbrechung,
- Zeitpunkt des Beginns der Fahrtunterbrechung,
- Zeitpunkt des Endes der Fahrtunterbrechung,
- Dauer der Fahrtunterbrechung (tun),
- Zeitabstand (tn) und/oder Streckenentfernung zwischen benachbarten Fahrtunterbrechungen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Erstellen (103) der Fahrtunterbrechungsinformation (Fu) umfasst:
- Ermitteln (103a) der Dauer (tges) einer bevorstehenden Fahrt,
- Ermitteln einer verbleibenden Streckenlänge nach der nächsten Fahrtunterbrechung,
- Ermitteln einer Masse der vom Fahrzeug geladenen Fracht,
- Ermitteln von Informationen, die repräsentativ für das Fahrverhalten des Fahrpersonals sind, insbesondere Durchschnitts-Energieverbrauch,
- Ermitteln, der Anwesenheit eines Trailers am Nutzfahrzeug für die bevorstehende Fahrt,
- Ermitteln von Wetterdaten für den Zeitraum der bevorstehenden Fahrt, insbesondere entlang der Strecke.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Erstellen der Fahrtunterbrechungsinformation eines, mehrere oder sämtliche der Folgenden umfasst: - Bestimmen (103b) einer benötigten Fahrtunterbrechungs-Dauer (tu. ges) als Funktion der ermittelten Fahrtdauer (tges), und
- Erstellen (103c) eines Fahrtunterbrechungsplans (Fp), in welchem die Fahrtunterbrechungsdauer (tu, ges) auf eine Anzahl von Fahrtunterbrechungen (Un) über die Dauer (tges) der Fahrt verteilt ist, und
- Modifizieren und/oder Bestätigen (103d) des erstellten Fahrtunterbrechungsplans (Fp) mittels einer Benutzereingabe.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ansteuern der Brennstoffzelle (17) als Funktion des Fahrtunterbrechungsplans (Fp) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (17) dazu eingerichtet ist, bei verschiedenen Arbeitspunkten betrieben zu werden, und das Verfahren den Schritt umfasst:
- Anpassen (113) des Arbeitspunkts der Brennstoffzelle (17) während der Fahrtunterbrechung (Un) in Abhängigkeit der Fahrtunterbrechungsinformation (Fu), insbesondere in Abhängigkeit der Fahrtunterbrechungsdauer (tun).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Arbeitspunkt der Brennstoffzelle (17) derart angepasst wird, dass die Ansteuerung der Brennstoffzelle (17) während der gesamten Fahrtunterbrechung (Un) fortgesetzt wird, vorzugsweise in einem Bereich von 10% bis 70 % der Nennleistung der Brennstoffzelle (17), weiter vorzugsweise 15% bis 60% der Nennleistung der Brennstoffzelle (17), besonders bevorzugt 20% bis 50% der Nennleistung der Brennstoffzelle (17).
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (17) wenigstens einen Verdichter (19) aufweist, der eine rotatorisch angetriebene Verdichterwelle (21 ) aufweist, und das Verfahren den Schritt umfasst: - 29 -
- Fortsetzen (115) des Antriebs der Verdichterwelle (21 ) bei einer vorbestimmten Drehzahl, vorzugsweise oberhalb der Abhebedrehzahl, wenn der vorbestimmte Ladestand (Lv) des elektrischen Speichers erreicht worden ist, bevor die Fahrtunterbrechung (Un) beendet ist.
11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern der Brennstoffzelle (17) während der Fahrt derart ausgeführt wird dass, permanent oder abschnittsweise, während der Fahrt eine geringere Energiemenge bereitgestellt wird, als vom Elektromotorantrieb (7) des Nutzfahrzeugs (1 ) angefordert wird, so dass die verbleibende benötigte Energiemenge dem Elektromotorantrieb (7) aus dem elektrischen Speicher (5) unter Absinken des Ladestands (L) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das Ansteuern der Brennstoffzelle (17) während der Fahrt derart ausgeführt wird, dass abschnittsweise während der Fahrt eine geringere Energiemenge bereitgestellt wird, als vom Elektromotor (5) des Nutzfahrzeugs (1 ) angefordert wird, und wobei der Zeitpunkt, ab welchem die Brennstoffzelle (17) eine geringere Energiemenge bereitstellt, als Funktion eines, mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter (P) festgelegt wird:
- Angestrebter unterer Ladestands-Schwellwert (Lu) des elektrischen Speichers (5) zu Beginn der Fahrtunterbrechung (Un),
- Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Fahrzeit bis zur nächsten Fahrtunterbrechung (Un),
- Unterschreiten einer vorbestimmten restlichen Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung (Un),
- Streckentopographie auf der verbleibenden Strecke bis zur nächsten Fahrtunterbrechung (Un).
13. Verfahren nach einem der vorbestimmten Ansprüche, wobei der vorbestimmte Ladestand (Lv) des elektrischen Speichers (5) unterhalb dessen maximaler Ladekapazität liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 80%, besonders in einem Bereich von 60% bis 70%. - 30 -
14. Brennstoffzellensystem (3) eines Nutzfahrzeugs (1 ), welches einen Elektromotorantrieb (7) aufweist, mit
- einem elektrischen Speicher (5) mit einem veränderlichen Ladestand (L) zur Versorgung des Elektromotorantriebs (7),
- einer Brennstoffzelle (17) zur Versorgung des elektrischen Speichers (5), und
- einem Steuergerät (9), welches signalleitend mit der Brennstoffzelle (17) verbunden und dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzelle (17) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, mit wenigstens einem Verdichter (19), der eine rotatorisch angetriebene Verdichterwelle (21 ) aufweist, wobei das Steuergerät (9) dazu eingerichtet ist, den Antrieb der Verdichterwelle (21 ) bei einer vorbestimmten Drehzahl, vorzugsweise oberhalb der Abhebedrehzahl, fortzusetzen, wenn der vorbestimmte Ladestand (Lv) des elektrischen Speichers (5) erreicht worden ist, bevor die Fahrtunterbrechung (Un) beendet ist.
16. Steuergerät (9) für ein Brennstoffzellensystem (3) eines Nutzfahrzeugs (1 ), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
17. Computerprogrammprodukt enthaltend Befehle, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Steuergerät (9) nach Anspruch 16 zu bilden und/oder das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
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