WO2022111956A1 - Verfahren zum betreiben einer luftzuführvorrichtung - Google Patents

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WO2022111956A1
WO2022111956A1 PCT/EP2021/080448 EP2021080448W WO2022111956A1 WO 2022111956 A1 WO2022111956 A1 WO 2022111956A1 EP 2021080448 W EP2021080448 W EP 2021080448W WO 2022111956 A1 WO2022111956 A1 WO 2022111956A1
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WO
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motor vehicle
supply device
air supply
idle speed
load
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PCT/EP2021/080448
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French (fr)
Inventor
Felix FOERSTER
Benjamin Schaeuffele
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an air supply device in a motor vehicle, which includes a fuel cell system with at least one air supply device, which includes at least one gas bearing that works almost wear-free due to the formation of a gas film above a lift-off speed, the air supply device in operating states of the motor vehicle in which the fuel cell system requires little or no air from the air supply device is operated at an idle speed.
  • German patent application DE 10 2018221 531 A1 A method for operating an air compression system for a fuel cell system is known from German patent application DE 10 2018221 531 A1, with a rotor shaft running through a critical operating range during each starting or stopping process, in which the speed of the rotor shaft is below the lift-off speed, so that the rotor shaft comes into contact with the respective bearing component and thus causes significant friction, with various measures being taken to shorten the run-down time of the rotor shaft in start-stop operation.
  • German patent application DE 102014223 126 A1 discloses a method for operating a fluid delivery device of a motor vehicle with at least one aerodynamic bearing, comprising the steps: reducing the speed of the aerodynamic bearing to a rest speed, the rest speed being below the lifting speed at which the bearing has an air film for mixed-friction-free storage, and where the idle speed is above a lowering speed at which the bearing has reduced the air film in such a way that that mixed friction occurs, and operation of the bearing of the fluid delivery device at the idle speed.
  • the object of the invention is to improve the efficiency in the operation of a fuel cell system in a motor vehicle.
  • the task is in a method for operating an air supply device in a motor vehicle, which includes a fuel cell system with at least one air supply device, which includes at least one gas bearing that works almost wear-free due to the formation of a gas film above a lift-off speed, the air supply device in operating states of the motor vehicle in which the fuel cell system requires little or no air from the air supply device, is operated at a rest speed, solved in that the magnitude of the rest speed when the motor vehicle is in operation, depending on a dynamic load acting on the gas bearing from the outside, is increased to such an extent that the gas film is stably maintained in the dynamically loaded gas bearing.
  • the idle speed can also be referred to as the idle speed, with the English term idle meaning idle in German.
  • the air supply device is, for example, an electrically driven air compressor.
  • the speed of the air compressor can be changed via the preferably electric drive.
  • the air supply device comprising an air compressor for example, is also referred to as a turbomachine.
  • the air compressor is drivingly connected to, for example, a turbine powered by exhaust gas from the fuel cell system.
  • the gas bearings are advantageously operated with air and are therefore also referred to as air bearings.
  • a shaft for example, which is mounted radially and/or axially with gas bearings, serves to connect a compressor wheel to an electric motor used for the electrical drive. Depending on the relative speed between the shaft and the bearing, the shaft floats on the gas film as desired.
  • the gas film or air film only forms from the so-called lift-off speed.
  • a short range is created when the air supply device is started and stopped the mixed friction that causes wear in the bearings.
  • the bearing works almost wear-free.
  • the air film is more stable the higher the speed. If the machine is used in areas in which, for example, vibrations occur, such as those that occur when the motor vehicle is driven on a bad road, the air film is subjected to additional loads. This can lead to the air film collapsing, which is undesirable.
  • This is counteracted by the claimed method in that the rest speed or idle speed is increased until the air film is stable enough for the loads that occur or are to be expected.
  • the idle speed of the air supply device is adjusted to the current load.
  • the idle speed can be selected to be lower than in conventional fuel cell systems.
  • the power consumption or energy consumption of the air supply device can be significantly reduced in idle mode or idle mode.
  • higher, possibly unforeseen loads are also recognized and taken into account when adjusting, in particular increasing, the idle speed. In this way, the service life of the air supply device can be extended significantly.
  • a preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a minimum idle speed when the motor vehicle is in operation without any dynamic load acting on the gas bearing from outside is slightly greater than the boost speed with a comparatively small safety reserve.
  • the minimum resting speed is preferably between five thousand and twenty thousand revolutions per minute, possibly even lower in some machines.
  • the lift-off speed is slightly below the minimum idle speed, preferably a minimum of two thousand revolutions per minute.
  • the safety reserve should be from three thousand to five thousand revolutions per minute.
  • a further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the air supply device, in idle states in which the Vehicle is stationary, not stopped, but is operated at the minimum idle speed. These are preferably idle states that are limited in time. These can be traffic light phases or downtimes in a stop-and-go operation. Since the minimum idle speed is significantly lower than a conventional rest speed or idle speed, stopping the air supply device in the idle states can be dispensed with without the energy consumption increasing significantly.
  • a further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the dynamic load acting on the gas bearing from the outside includes accelerations/vibrations which are detected during operation of the motor vehicle.
  • the dynamic load acting on the gas bearing from the outside includes accelerations/vibrations which are detected during operation of the motor vehicle.
  • all external forces are advantageously measured which influence the operation of the gas-bearing, in particular air-bearing, air supply device with regard to a desired stable formation of the gas film, in particular the air film.
  • Acceleration sensors can be used here, which are attached directly to the air supply device, for example to a housing of the air supply device.
  • sensors that are already installed in the motor vehicle can also be used.
  • Current sensors of a speed control of an electric drive of the air supply device can advantageously be used for the load-dependent control of the idle speed of the air supply device.
  • the rest speed or idle speed of the air supply device is adapted to the current load during operation of the motor vehicle via a control unit of the fuel cell system, in particular the air supply device.
  • the minimum idle speed during normal operation of the motor vehicle can be set close to the floating limit of the gas bearing.
  • the idle speed is increased to such an extent that the gas film, in particular the air film, remains stable. In this way it can be achieved that an average power consumed in idle operation of the air supply device is much lower than in conventional fuel cell systems and the air supply device works more efficiently.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the dynamic acting on the gas bearing from the outside Load is detected with an existing bad road detection system in the motor vehicle.
  • Devices and methods for detecting a rough stretch of road are described, for example, in the German patent application DE 102008 042 550 A1 and EP 1 882 094 B1.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the dynamic load acting externally on the gas bearing during operation of the motor vehicle is detected with a suitable sensor system and used in a control unit of the fuel cell system in order to increase a or the minimum idle speed of the air supply device to a load-dependent load idle speed raise.
  • a stable gas film in particular an air film, can advantageously be maintained in the gas bearing, in particular an air bearing, in all operating states. This can be implemented particularly advantageously with a comparatively low energy requirement or power requirement.
  • a further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the load-dependent load idle speed during operation of the motor vehicle tracks the dynamic load detected inside the motor vehicle. This means that the load idle speed is lowered when the dynamic load detected inside the motor vehicle decreases. With a higher dynamic load, the load idle speed is increased. As a result, the efficiency in the operation of the fuel cell system can be further improved.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the load-dependent load idle speed of the air supply device is lowered back to the minimum idle speed as soon as the sensors detect that the dynamic load during operation of the motor vehicle has decreased. This can be the case, for example, when the motor vehicle is driven from a construction site or a dirt road back onto a level road surface. It is thus ensured in a simple manner that the air supply device is operated at its minimum idle speed for as long as possible.
  • the invention also relates to a control unit that is designed to carry out a method as described above. This is advantageously a control unit of the fuel cell system.
  • the invention also relates to a computer program product with a computer program that has software means for performing a method as described above when the computer program is executed on a computer.
  • the computer is, for example, a control device or a part of a control device with such a computer program product.
  • FIG. 1 shows three Cartesian coordinate diagrams with FIGS.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a compressor with a rotor which is mounted so that it can rotate radially and axially by means of three bearings;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a fuel cell system with an air compressor, as illustrated in FIG.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically in FIG. Fuel cell systems are known per se, for example from German patent application DE 10 2012 224052 A1.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 3, which is only indicated by a dashed rectangle is indicated.
  • the fuel cell 3 includes at least one stack 2, which is shown as a substitute with a valve symbol.
  • An air mass flow is indicated by an arrow 4 and is supplied to the fuel cell 3 via an air supply device 5 designed as an air compressor.
  • An arrow 6 indicates a compressed air mass flow 6 from which a cooling air mass flow 7 is branched off.
  • the cooling air mass flow 7 is also indicated only by an arrow and is part of a cooling air path 19 via which cooling air is supplied to the air compressor 5 via a cooling air inlet 23 .
  • the cooling air supplied via the cooling air path 19 is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted.
  • the cooling air mass flow 7 represents a loss in the compressed air mass flow 6 since the branched off cooling air mass flow 7 is no longer available in the stack 2 of the fuel cell 3 .
  • cooling air mass flow 7 is provided via the air compressor 5 for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is required to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is driven via the fuel cell system 1 .
  • the remaining air mass flow 6 is supplied to the fuel cell 3 via an air supply line 8 .
  • the fuel cell 3 is a galvanic cell that converts chemical reaction energy of fuel and an oxidant supplied through a fuel supply line, not shown, into electric energy.
  • the oxidizing agent is the air that is supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8 .
  • the fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas.
  • the exhaust gas is discharged in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust pipe 9, as indicated by an arrow 10.
  • the exhaust gas mass flow 10 is discharged via an exhaust gas turbine 11 to an exhaust gas outlet 12 which is indicated by an arrow.
  • the air compressor 5 is arranged in the air supply line 8 .
  • the exhaust gas turbine 11 is arranged in the exhaust pipe 9 .
  • the air compressor 5 and the exhaust gas turbine 11 are mechanically connected via a shaft.
  • the shaft can be driven electrically by an electric motor 14 .
  • the exhaust gas turbine 11 serves to support the electric motor 14 when driving the air compressor 5.
  • the air compressor 5, the exhaust gas turbine 11, the shaft and the electric motor 14 together form a turbo compressor 15, which is also referred to as a turbomachine.
  • the fuel cell system 1 also includes a bypass line 13 in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13 with the bypass valve 16 , a bypass air mass flow 17 for reducing the pressure can be discharged from the air supply line 8 , bypassing the stack 2 of the fuel cell 3 , into the exhaust line 9 . This is advantageous, for example, in order to bring about a pressure reduction in the air mass flow fed to the fuel cell 3 via the air feed line 8 .
  • the fuel cell system 1 also includes an intermediate cooler 18, which is indicated by a dashed rectangle.
  • the intercooler 18 serves to cool the compressed air mass flow 6 before the cooling air mass flow 7 is branched off via the cooling air path 19 .
  • a compressor 100 of a fuel cell system is shown schematically in FIG.
  • the compressor 100 includes a housing 101 in which an electric motor 102 is arranged.
  • the electric motor 102 is used to drive a rotor 103 of the compressor 100.
  • the rotor 103 of the compressor 100 is mounted radially in the housing 101 with the aid of two radial gas bearings 104, 105.
  • An axial gas bearing 106 is used for the axial bearing of the rotor 103.
  • a compressor wheel 107 is attached to the left end of the rotor 103 in FIG. Compressor wheel 107 is used to compress air that is provided in the fuel cell system when compressor wheel 107 is driven by electric motor 102 via rotor 103 .
  • the radial gas bearings 104, 105; 106 each comprise a case body 108, 109; 110.
  • the rotor 103 comprises two rotor sections, which are also referred to as rotor bodies 111, 112, with which the rotor 103 is mounted radially in the radial gas bearings 104, 105.
  • the rotor 103 also includes a rotor collar, which is also referred to as the rotor body 113 .
  • the rotor 103 is mounted axially in the housing 101 by the axial gas bearing 106 via the rotor body 113 .
  • the rotor body 113 is also referred to as an axial bearing disk.
  • Sensors 121 to 124 are indicated symbolically in FIG.
  • the sensors 121, 122 and 124 are, for example, acceleration sensors with which a dynamic load in the form of accelerations in different directions is detected.
  • the sensors 121, 122 and 124 are attached to the outside of the housing 101 of the compressor 100 in FIG. In contrast to what is shown, the sensors 121, 122 and 124 can also be installed at different points in the motor vehicle.
  • the claimed method also uses sensors such as those used in conventional motor vehicles to identify bad roads. Irrespective of the type of sensors, it is important that conclusions about a dynamic load in the form of vibrations and/or oscillations, which act on the air supply device 5 or the compressor 100, can be drawn from the recorded values.
  • Sensor 123 which is arranged in housing 101 of compressor 100, is, for example, a current sensor for detecting and/or controlling the speed of electric motor 102 of compressor 100.
  • FIGS. Three Cartesian coordinate diagrams with an x-axis 28 and a y-axis 29 are shown in FIGS. A time in a suitable time unit is plotted on the x-axis 28 in all three figures.
  • a dynamic load is plotted on the y-axis 29 in a suitable load unit.
  • the dynamic load acts on one of the gas bearings 104, 105, 106 of the compressor 100 in FIG. 2.
  • the external load is initially zero or minimal. The external load then increases sharply before falling again in a zigzag fashion before then increasing again to a maximum value. After that, the external load falls back to zero or to a minimum. After a certain time, the external load increases again, but not as much as before. After that, the external load falls back to zero or to a minimum.
  • the idle speed in Figure lb varies between a minimum idle speed 30 and a maximum idle speed 34.
  • the maximum idle speed 34 corresponds to a conventional idle speed 35, for example.
  • the air compressor is operated at its minimum idle speed 30.
  • the idle speed is tracked or adjusted, i.e. increased and also decreased again.
  • a consumption of energy or power is plotted in a suitable unit on the y-axis 29 in FIG.
  • a consumption profile 33 shows that the consumption, like the idle speed in Figure 1b, corresponds to the load profile 31 corresponds to figure la. On average, this results in significantly lower consumption than in the operation of conventional fuel cell systems, as a comparison with conventional consumption 36 shows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzuführvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Luftzuführvorrichtung umfasst, die mindestens ein Gaslager umfasst, das durch Ausbildung eines Gasfilms oberhalb einer Abhebedrehzahl nahezu verschleißfrei arbeitet, wobei die Luftzuführvorrichtung in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen das Brennstoffzellensystem nur wenig oder gar keine Luft von der Luftzuführvorrichtung benötigt, mit einer Ruhedrehzahl (32) betrieben wird. Um die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug zu verbessern, wird die Größe der Ruhedrehzahl (32) im Betrieb des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einer von außen auf das Gaslager wirkenden dynamischen Belastung so weit erhöht, dass der Gasfilm in dem dynamisch belasteten Gaslager stabil aufrechterhalten wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer Luftzuführvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzuführvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Luftzuführvorrichtung umfasst, die mindestens ein Gaslager umfasst, das durch Ausbildung eines Gasfilms oberhalb einer Abhebedrehzahl nahezu verschleißfrei arbeitet, wobei die Luftzuführvorrichtung in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen das Brennstoffzellensystem nur wenig oder gar keine Luft von der Luftzuführvorrichtung benötigt, mit einer Ruhedrehzahl betrieben wird.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018221 531 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem bekannt, wobei eine Rotorwelle bei jedem Start- beziehungsweise bei jedem Stopp-Vorgang einen kritischen Betriebsbereich durchläuft, bei dem die Drehzahl der Rotorwelle unter der Abhebedrehzahl liegt, so dass es zum Kontakt der Rotorwelle mit dem jeweiligen Lagerbauteil und damit zu einer signifikanten Reibung kommt, wobei zur Verkürzung einer Auslaufzeit der Rotorwelle im Start- Stopp-Betrieb verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102014223 126 Al offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Fluidfördereinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem aerodynamischen Lager, umfassend die Schritte: Reduzieren der Drehzahl des aerodynamischen Lagers auf eine Ruhedrehzahl, wobei die Ruhedrehzahl unterhalb der Anhebedrehzahl liegt, bei der das Lager einen Luftfilm zur mischreibungsfreien Lagerung aufbaut, und wobei die Ruhedrehzahl oberhalb einer Absenkdrehzahl liegt, bei der das Lager den Luftfilm derart reduziert hat, dass Mischreibung eintritt, und Betreiben des Lagers der Fluidfördereinrichtung mit der Ruhedrehzahl.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben einer Luftzuführvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Luftzuführvorrichtung umfasst, die mindestens ein Gaslager umfasst, das durch Ausbildung eines Gasfilms oberhalb einer Abhebedrehzahl nahezu verschleißfrei arbeitet, wobei die Luftzuführvorrichtung in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen das Brennstoffzellensystem nur wenig oder gar keine Luft von der Luftzuführvorrichtung benötigt, mit einer Ruhedrehzahl betrieben wird, dadurch gelöst, dass die Größe der Ruhedrehzahl im Betrieb des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einer von außen auf das Gaslager wirkenden dynamischen Belastung so weit erhöht wird, dass der Gasfilm in dem dynamisch belasteten Gaslager stabil aufrechterhalten wird. Die Ruhedrehzahl kann auch als Idle-Drehzahl bezeichnet werden, wobei der englische Begriff Idle im Deutschen Leerlauf bedeutet. Bei der Luftzuführvorrichtung handelt es sich zum Beispiel um einen elektrisch angetriebenen Luftverdichter. Über den vorzugsweise elektrischen Antrieb des Luftverdichters kann dessen Drehzahl verändert werden. Die zum Beispiel einen Luftverdichter umfassende Luftzuführvorrichtung wird auch Turbomaschine bezeichnet. In der Turbomaschine ist der Luftverdichter antriebsmäßig zum Beispiel mit einer Turbine verbunden, die mit Abgas des Brennstoffzellensystems betrieben wird. Die Gaslager werden vorteilhaft mit Luft betrieben und werden daher auch als Luftlager bezeichnet. Zur antriebsmäßigen Verbindung eines Verdichterrads mit einem zum elektrischen Antrieb verwendeten Elektromotor, dient zum Beispiel eine Welle, die mit Gaslagern radial und/oder axial gelagert ist. In Abhängigkeit von einer Relativgeschwindigkeit zwischen der Welle und dem Lager kommt es zu einem gewünschten Aufschwimmen der Welle auf dem Gasfilm. Allerdings bildet sich der Gasfilm oder Luftfilm erst ab der sogenannten Abhebedrehzahl. Beim Starten und Stoppen der Luftzuführeinrichtung entsteht ein kurzer Bereich der Mischreibung, die in den Lagern Verschleiß verursacht. Solange die Welle auf dem Luftfilm aufschwimmt, arbeitet das Lager nahezu verschleißfrei. Der Luftfilm ist stabiler, je höher die Drehzahl ist. Wenn die Maschine in Bereichen eingesetzt wird, in denen zum Beispiel Vibrationen auftreten, wie sie beim Fahren des Kraftfahrzeugs auf einem Schlechtweg auftreten, wird der Luftfilm zusätzlichen Belastungen ausgesetzt. Das kann dazu führen, dass der Luftfilm zusammenbricht, was unerwünscht ist. Dem wird durch das beanspruchte Verfahren entgegengewirkt, indem die Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl angehoben wird, bis der Luftfilm stabil genug für die auftretenden beziehungsweise zu erwartenden Belastungen ist. Die Ruhedrehzahl der Luftzuführvorrichtung wird der aktuellen Belastung angepasst. Daraus ergeben sich folgende Vorteile. Erstens kann die Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl geringer gewählt werden als in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen. So kann der Leistungsverbrauch oder Energieverbrauch der Luftzuführvorrichtung im Ruhebetrieb oder Idle-Betrieb deutlich reduziert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden auch höhere gegebenenfalls nicht vorhergesehene Belastungen erkannt und beim Anpassen, insbesondere Erhöhen, der Ruhedrehzahl berücksichtigt. So kann die Lebensdauer der Luftzuführvorrichtung signifikant verlängert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Minimalruhedrehzahl in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs ohne von außen auf das Gaslager wirkende dynamische Belastung mit einer vergleichsweise geringen Sicherheitsreserve etwas größer als die Anhebedrehzahl ist.
Die Minimalruhedrehzahl liegt vorzugsweise zwischen fünftausend und zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute, bei manchen Maschinen eventuell auch darunter. Die Abhebedrehzahl liegt etwas unter der Minimalruhedrehzahl, vorzugsweise minimal bei zweitausend Umdrehungen pro Minute. Die Sicherheitsreserve sollte dreitausend bis fünftausend Umdrehungen pro Minute betragen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführvorrichtung in Ruhezuständen, in denen das Kraftfahrzeug stillsteht, nicht gestoppt, sondern mit der Minimalruhedrehzahl betrieben wird. Dabei handelt es sich vorzugsweise um zeitlich begrenzte Ruhezustände. Das können Ampelphasen oder Stillstandzeiten in einem Stopp and Go-Betrieb sein. Da die Minimalruhedrehzahl deutlich geringer ist als eine herkömmliche Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl kann in den Ruhezuständen auf ein Stoppen der Luftzuführvorrichtung verzichtet werden, ohne dass der Energieverbrauch signifikant ansteigt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager wirkende dynamische Belastung Beschleunigungen/Vibrationen umfasst, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Im Betrieb des Kraftfahrzeugs werden vorteilhaft alle äußeren Kräfte gemessen, die den Betrieb der gasgelagerten, insbesondere luftgelagerten, Luftzuführvorrichtung im Hinblick auf eine gewünschte stabile Ausbildung des Gasfilms, insbesondere Luftfilms, beeinflussen. Dabei können Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen, die direkt an der Luftzuführvorrichtung, zum Beispiel an einem Gehäuse der Luftzuführvorrichtung, angebracht sind. Es können aber auch Sensoren verwendet werden, die bereits im Kraftfahrzeug verbaut sind. Zur lastabhängigen Regelung der Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl der Luftzuführvorrichtung können vorteilhaft Stromsensoren einer Drehzahlregelung eines elektrischen Antriebs der Luftzuführvorrichtung verwendet werden. Die Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl der Luftzuführvorrichtung wird im Betrieb des Kraftfahrzeugs über ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Luftzuführvorrichtung, an die aktuelle Last angepasst. So kann die minimale Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs nahe an die Aufschwimmgrenze des Gaslagers gelegt werden. Sobald eine äußere Anregung hinzukommt, wird die Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl soweit angehoben, dass der Gasfilm, insbesondere Luftfilm, stabil bleibt. So kann erreicht werden, dass eine mittlere verbrauchte Leistung im Ruhebetrieb oder Idle-Betrieb der Luftzuführvorrichtung viel geringer als bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ist und die Luftzuführvorrichtung effizienter arbeitet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager wirkende dynamische Belastung mit einem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Schlechtwegerkenntnissystem erfasst wird. Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung einer Schlechtwegstrecke sind zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102008 042 550 Al und EP 1 882 094 Bl beschrieben.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager wirkende dynamische Belastung im Betrieb des Kraftfahrzeugs mit einer geeigneten Sensorik erfasst und in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems verwendet wird, um eine beziehungsweise die Minimalruhedrehzahl der Luftzuführvorrichtung auf eine belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl zu erhöhen. So kann vorteilhaft in allen Betriebszuständen ein stabiler Gasfilm, insbesondere Luftfilm, in dem Gaslager, insbesondere Luftlager, aufrechterhalten werden. Das kann besonders vorteilhaft mit einem vergleichsweise geringen Energiebedarf beziehungsweise Leistungsbedarf realisiert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl im Betrieb des Kraftfahrzeugs der kraftfahrzeugintern erfassten dynamischen Belastung nachgeführt wird. Das bedeutet, dass die Belastungsruhedrehzahl abgesenkt wird, wenn die kraftfahrzeugintern erfasste dynamische Belastung sich verringert. Bei einer höheren dynamischen Belastung wird die Belastungsruhedrehzahl erhöht. Dadurch kann die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter verbessert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl der Luftzuführvorrichtung wieder auf die Minimalruhedrehzahl abgesenkt wird, sobald mit der Sensorik erfasst wird, dass die dynamische Belastung im Betrieb des Kraftfahrzeugs nachgelassen hat. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn das Kraftfahrzeug von einer Baustelle oder einem Feldweg wieder auf einer ebenen Fahrbahnoberfläche gefahren wird. So wird auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass die Luftzuführvorrichtung möglichst lange mit ihrer Minimalruhedrehzahl betrieben wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät, das zur Durchführung eines vorab beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist. Dabei handelt es sich vorteilhaft um ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät oder um ein Teil eines Steuergeräts, mit einem derartigen Computerprogrammprodukt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 mit den Figuren la, lb und lc drei kartesische Koordinatendiagramme, in denen ein Belastungsverlauf, ein Ruhedrehzahlverlauf und ein Energieverbrauch jeweils über der Zeit aufgetragen ist;
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in Figur 2 dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.
Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.
Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.
Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.
Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist. Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.
Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.
In Figur 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.
Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Axial-Gaslager 106. An dem in Figur 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.
Die Radial-Gaslager 104, 105; 106 umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.
Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet.
In Figur 2 sind symbolisch Sensoren 121 bis 124 angedeutet. Bei den Sensoren 121, 122 und 124 handelt es sich zum Beispiel um Beschleunigungssensoren, mit denen eine dynamische Belastung in Form von Beschleunigungen in verschiedenen Richtungen erfasst wird. Die Sensoren 121, 122 und 124 sind in Figur 2 außen am Gehäuse 101 des Verdichters 100 angebracht. Anders als dargestellt, können die Sensoren 121, 122 und 124 aber auch an verschiedenen Stellen des Kraftfahrzeugs eingebaut sein.
Je nach Ausführung werden im Rahmen des beanspruchten Verfahrens auch Sensoren genutzt, wie sie bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen zur Schlechtwegerkennung verwendet werden. Unabhängig von der Art der Sensoren kommt es darauf an, dass mit den erfassten Werten oder aus den erfassten Werten Rückschlüsse auf eine dynamische Belastung in Form von Vibrationen und/oder Schwingungen, die auf die Luftzuführvorrichtung 5 beziehungsweise den Verdichter 100 wirken, ermöglicht werden.
Mit Hilfe der Kenntnis einer erfassten äußeren dynamischen Belastung des Verdichters 100, insbesondere eines der Gaslager 104 bis 106 in dem Verdichter 100, kann regelnd auf eine Drehzahl des Elektromotors 102 des Verdichters 100 eingewirkt werden. Bei dem Sensor 123, der in dem Gehäuse 101 des Verdichters 100 angeordnet ist, handelt es sich zum Beispiel um einen Stromsensor zur Drehzahlerfassung und/oder Drehzahlregelung des Elektromotors 102 des Verdichters 100.
In den Figuren la, lb und lc sind drei kartesische Koordinatendiagramme mit einer x-Achse 28 und einer y-Achse 29 dargestellt. Auf der x-Achse 28 ist in allen drei Figuren eine Zeit in einer geeigneten Zeiteinheit aufgetragen.
In Figur la ist auf der y-Achse 29 eine dynamische Belastung in einer geeigneten Belastungseinheit aufgetragen. Die dynamische Belastung wirkt im Betrieb eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 aus Figur 3 ausgestatteten Kraftfahrzeugs auf eines der Gaslager 104, 105, 106 des Verdichters 100 in Figur 2. Die externe Belastung ist, wie man in Figur la sieht, zunächst gleich null beziehungsweise minimal. Dann steigt die externe Belastung stark an, bevor sie zickzack-förmig wieder abfällt, bevor sie dann wieder auf einen Maximalwert ansteigt. Danach fällt die externe Belastung wieder auf null beziehungsweise auf ein Minimum ab. Nach einer gewissen Zeit steigt die externe Belastung wieder an, aber nicht so stark wie vorher. Danach fällt die externe Belastung wieder auf null beziehungsweise auf ein Minimum ab.
In Figur lb ist auf der y-Achse 29 eine Ruhedrehzahl oder Idle-Drehzahl in einer geeigneten Drehzahleinheit aufgetragen. Die Ruhedrehzahl in Figur lb variiert zwischen einer Minimalruhedrehzahl 30 und einer Maximalruhedrehzahl 34. Die Maximalruhedrehzahl 34 entspricht zum Beispiel einer herkömmlichen Ruhedrehzahl 35. Ein Ruhedrehzahlverlauf 32 ist, wie man in einer Zusammenschau der Figuren la und lb sieht, an einen Belastungsverlauf 31 angepasst. Solange die Belastung klein oder null ist, wird der Luftverdichter mit seiner Minimalruhedrehzahl 30 betrieben. In Abhängigkeit von der Belastung wird die Ruhedrehzahl nachgeführt beziehungsweise angepasst, das heißt erhöht und auch wieder abgesenkt.
In Figur lc ist auf der y-Achse 29 ein Verbrauch an Energie oder Leistung in einer geeigneten Einheit aufgetragen. An einem Verbrauchsverlauf 33 sieht man, dass der Verbrauch, wie die Ruhedrehzahl in Figur lb, dem Belastungsverlauf 31 in Figur la entspricht. Daraus ergibt sich im Mittel ein deutlich geringerer Verbrauch als im Betrieb von herkömmlichen Brennstoffzellensystemen, wie ein Vergleich mit einem herkömmlichen Verbrauch 36 ergibt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Luftzuführvorrichtung (5) in einem Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einer Luftzuführvorrichtung (5) umfasst, die mindestens ein Gaslager (104,105,106) umfasst, das durch Ausbildung eines Gasfilms oberhalb einer Abhebedrehzahl nahezu verschleißfrei arbeitet, wobei die Luftzuführvorrichtung (5) in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen das Brennstoffzellensystem (1) nur wenig oder gar keine Luft von der Luftzuführvorrichtung (5) benötigt, mit einer Ruhedrehzahl (32) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Ruhedrehzahl (32) im Betrieb des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einer von außen auf das Gaslager (104,105,106) wirkenden dynamischen Belastung (31) so weit erhöht wird, dass der Gasfilm in dem dynamisch belasteten Gaslager (104,105,106) stabil aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Minimalruhedrehzahl (30) in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs ohne von außen auf das Gaslager (104,105,106) wirkende dynamische Belastung mit einer vergleichsweise geringen Sicherheitsreserve etwas größer als die Abhebedrehzahl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführvorrichtung (5) in Ruhezuständen, in denen das Kraftfahrzeug stillsteht, nicht gestoppt, sondern mit der Minimalruhedrehzahl (30) betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager (104,105,106) wirkende dynamische Belastung (31) Beschleunigungen/Vibrationen umfasst, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs erfasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager (104,105,106) wirkende dynamische Belastung (31) mit einem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Schlechtwegerkennungssystem erfasst wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von außen auf das Gaslager (104,105,106) wirkende dynamische Belastung (31) im Betrieb des Kraftfahrzeugs mit einer geeigneten Sensorik erfasst und in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems (2) verwendet wird, um eine beziehungsweise die Minimalruhedrehzahl (30) der Luftzuführvorrichtung (5) auf eine belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl (32) zu erhöhen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl (32) im Betrieb des Kraftfahrzeugs der kraftfahrzeugintern erfassten dynamischen Belastung (31) nachgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die belastungsabhängige Belastungsruhedrehzahl (32) der Luftzuführvorrichtung (5) wieder auf die Minimalruhedrehzahl (30) abgesenkt wird, sobald mit der Sensorik erfasst wird, dass die dynamische Belastung (31) im Betrieb des Kraftfahrzeugs nachgelassen hat.
9. Steuergerät, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist.
10. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
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