WO2023241862A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems eines kraftfahrzeugs, insbesondere eines nutzfahrzeugs, sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2023241862A1 PCT/EP2023/062310 EP2023062310W WO2023241862A1 WO 2023241862 A1 WO2023241862 A1 WO 2023241862A1 EP 2023062310 W EP2023062310 W EP 2023062310W WO 2023241862 A1 WO2023241862 A1 WO 2023241862A1
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hydrogen tank
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cooling device
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Ottmar Gehring
Steffen Maus
Jens Franzen
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Daimler Truck AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system of a motor vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the invention further relates to a motor vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the object of the present invention is to create a method for operating a fuel cell system of a motor vehicle and a motor vehicle so that particularly efficient operation can be realized.
  • a first aspect of the invention relates to a method for operating a fuel cell system of a motor vehicle, which is preferably designed as a commercial vehicle, in particular as a truck, and is also simply referred to as a vehicle.
  • the fuel cell system has at least one hydrogen tank, which is also simply referred to as a tank. Hydrogen (H2) can be absorbed or absorbed in the hydrogen tank.
  • the fuel cell system also referred to as a fuel cell device or fuel cell device, also includes at least one fuel cell, which can be supplied with the hydrogen from the hydrogen tank.
  • chemical reaction energy of the hydrogen which is supplied to the fuel cell, and an oxidizing agent can be converted into electrical energy, which can be provided by the fuel cell.
  • oxygen is used as the oxidizing agent, which is contained, for example, in air, which can also be supplied or is supplied to the fuel cell.
  • the electrical energy provided or able to be provided by the fuel cell can, for example, be stored at least temporarily in an electrical energy storage device designed in particular as a battery, in particular as a secondary battery.
  • at least one electrical machine can be supplied or is supplied, in particular directly and thus bypassing the electrical energy storage, with the electrical energy that can be provided or provided by the fuel cell, it being alternatively or additionally conceivable that the electrical machine can be supplied with the electrical energy that is stored in the electrical energy storage.
  • the electrical machine By supplying the electrical machine with electrical energy, the electrical machine can be operated in motor mode and thus as an electric motor, by means of which the motor vehicle can be driven, in particular purely electrically.
  • the fuel cell system also has a cooling device, by means of which at least part of the fuel cell system can be cooled.
  • a cooling device by means of which at least part of the fuel cell system can be cooled.
  • at least a portion of the cooling device can be flowed through by a liquid coolant, for example, by means of which at least the part of the fuel cell system can be cooled.
  • the cooling device is also referred to as a cooling system.
  • an energy consumption of the cooling device as a function of a planned route of the motor vehicle is predicted, that is, predicted, and therefore determined in a forward-looking manner.
  • the energy consumption is determined, in particular calculated, at a first point in time or during a first period of time, the first point in time or the first period of time preceding a second period of time during which the motor vehicle drives or follows the planned route, that is, actually drives along the route.
  • the energy consumption is determined before the motor vehicle moves along the route or where the motor vehicle has not (yet) traveled along the route.
  • the route can include at least one or more refueling operations, also referred to simply as refuelings.
  • the refueling process is particularly characterized by the fact that the driving route is a planned driving route, a planned refueling process that may take place in the future, in which hydrogen is filled into the tank, in particular from outside the tank, and therefore the tank is at least partially filled with hydrogen.
  • the refueling process is necessary or is assessed or determined as necessary so that, for example, the motor vehicle can travel the, in particular entire, route.
  • the planned route includes at least or several downtimes.
  • the downtime is, in particular, due to the fact that the driving route is a planned driving route, a planned downtime during which the motor vehicle, for example, stands still, in particular continuously, and/or the motor vehicle is not driven, in particular continuously, by the fuel cell system and/or the motor vehicle does not operate Fuel cell system, in particular throughout, is omitted.
  • hydrogen cannot be removed from the hydrogen tank and/or electrical energy can be provided by the fuel cell during the downtime.
  • the predicted energy consumption is a temporal energy consumption, therefore a temporal energy consumption curve of an energy consumption of the cooling device, wherein the energy consumption or the energy consumption curve is a determined, calculated or estimated and thereby predicted energy consumption curve, which characterizes an energy or amount of energy that is of The cooling system is likely to be consumed when or while the motor vehicle is traveling along the route, i.e. is being driven.
  • a future pressure curve over time of a pressure prevailing in the hydrogen tank and in particular caused or able to be caused by the hydrogen received or absorbed in the hydrogen tank is predicted, that is to say determined or predicted in advance, in particular depending on the route.
  • the future, temporal pressure curve is therefore, for example, a planned, in particular predetermined or predefinable, temporal pressure curve, for example the pressure curve is a target curve which is to be set, that is to say effected.
  • a future, temporal energy profile of a quantity of heating energy is also predicted, which is determined in accordance with the energy profile is to be supplied by the cooling device to the hydrogen tank depending on the predicted energy consumption, i.e. should be supplied in order to realize the pressure curve.
  • the energy profile indicates a time profile according to which, taking into account the predicted energy consumption of the cooling device, the said amount of heating energy is to be provided or is provided by the cooling device and is to be supplied or is supplied to the hydrogen tank, in particular while the motor vehicle is traveling or traveling along the route, in order to realize the pressure curve.
  • the cooling device can provide thermal energy in at least one or more sections of the route, which is supplied to the hydrogen tank, so that the hydrogen tank is used as a heat buffer or heat sink.
  • an excessively high thermal load that is to say an excessively high temperature of the cooling device, can be avoided without having to actively cool the cooling device, for example by means of an electric fan in particular.
  • the method is therefore a method for predictive heat or thermal control of the fuel cell system.
  • a powerful cooling system which dissipates and ensures power losses from the fuel cell, especially during high-load phases of the fuel cell, in particular from the fuel cell can ensure that a relatively narrow temperature operating window of the fuel cell is maintained, meaning that the fuel cell or a temperature of the fuel cell remains in the temperature operating window.
  • the cooling device is therefore used in particular to cool the fuel cell and thus keep it in the temperature operating window.
  • the temperature operating window is at least substantially ⁇ 8 to 10°C.
  • the cooling system may also be subjected to an additional heat input by activated continuous brakes, for example designed as a retarder, braking resistor, etc., in particular in that the cooling system is also used, for example, as a Retarder or braking resistor designed to cool the vehicle's continuous brake.
  • the cooling system (cooling device) simultaneously cools a continuous brake and also the fuel cell of the vehicle at least during a time interval. In high-load phases of the fuel cell, long activations can occur, that is, long periods of time in which an electrically driven fan is operated, which, for example, has an output of up to 30 or Requires or has 40 kW.
  • the aforementioned coolant is cooled, for example, in particular via a heat exchanger, in particular in that air is conveyed by means of the fan when it is activated, which is, for example, as air -Coolant heat exchanger flows around the heat exchanger.
  • air is conveyed by means of the fan when it is activated, which is, for example, as air -Coolant heat exchanger flows around the heat exchanger.
  • heat is transferred from the coolant to the air flowing around the heat exchanger and conveyed by the fan.
  • a particularly permanent heat flow may be required, for example, to heat up the cryogenic liquid hydrogen, which can be diverted from a heat supply from heat sources if the cooling system (cooling device) is designed accordingly.
  • the fuel cell and the continuous brake can be used as heat sources, the heat of which, also known as waste heat, can be used to heat the hydrogen absorbed or absorbable, for example, in the hydrogen tank and/or the hydrogen removed from the hydrogen tank on its way to the fuel cell .
  • the hydrogen or the hydrogen tank that can be absorbed or absorbed in particular in the hydrogen tank can thus be used as a heat sink, for example in high-load phases with high energy consumption of the cooling device, for example by operating the aforementioned fan, the cooling system (cooling device) by buffering heat, in particular waste heat, to relieve pressure in the hydrogen tank and thereby save energy.
  • the method according to the invention makes it possible to dissipate heat, in particular waste heat, from the cooling device, in particular from the coolant, in a particularly efficient and effective manner, but not or not only by operating the aforementioned fan, but in particular by increasing the amount of heating energy
  • the cooling device, in particular the coolant is removed and supplied to the hydrogen tank, in particular the hydrogen contained in the hydrogen tank.
  • the amount of heating energy is or thus characterizes heating energy or heat that is dissipated by the cooling device, in particular by the coolant, whereby an excessive temperature of the cooling device can be avoided without operating the fan.
  • the amount of heating energy is supplied to the hydrogen tank, which is therefore used at least temporarily as a heat buffer or heat sink. If, in particular, increased heat is fed into the hydrogen tank, that is, heat, in particular increased, is supplied to the hydrogen tank, the pressure in the hydrogen tank increases by increasing evaporation of the hydrogen in the hydrogen tank (tank).
  • the pressure in the hydrogen tank should not rise above a particular predeterminable or predetermined limit, in particular the load limit of the tank, and the pressure in the hydrogen tank, also referred to as tank pressure, should be before a refueling process, also referred to as a refueling process, and/or a particularly longer stationary phase or Downtime of the motor vehicle can be reduced.
  • the method according to the invention can now ensure energy savings through targeted adjustment, in particular increase, of the tank pressure on the one hand and, in particular, appropriate pressure conditions before refueling processes and/or downtimes on the other hand, so that a particularly advantageous and particularly efficient operation of the fuel cell system and the motor vehicle as a whole is realized can be.
  • the pressure progression and the energy progression are also referred to as trajectories, in particular in such a way that the pressure progression is also referred to as a pressure trajectory and the energy progression is also referred to as a heating energy trajectory.
  • the amount of heating energy is, for example, a target amount of heating energy that is to be supplied to the hydrogen tank, i.e. should be supplied, in order to thereby realize, i.e. effect, the pressure trajectory.
  • the method thus determines the pressure trajectory and the associated heating energy trajectory in a predictive manner.
  • the energy consumption of the cooling device is determined predictively, in particular calculated, in order to determine at least one or more time intervals, i.e.
  • phase in which energy can or should be dissipated, in particular from the cooling device, into the hydrogen tank.
  • Energy dissipation is understood to mean that, particularly during the respective phase, the amount of heating energy and thus heat is or can be provided by the cooling device and fed to the hydrogen tank in order to thereby set, i.e. effect, the predicted pressure curve.
  • the invention can therefore reduce the energy consumption of the fuel cell system, particularly with regard to thermal management, compared to conventional solutions, whereby the energy consumption of the entire motor vehicle can be reduced compared to conventional solutions. This allows the motor vehicle to be operated in a particularly energy-efficient and cost-effective manner.
  • an overload of the cooling device with the associated reduction of components such as a drive of the motor vehicle can at least be delayed or avoided.
  • the pressure curve and the energy curve, i.e. the Trajectories are predicted in such a way that in first operating phases of the cooling device, the predicted energy consumption being greater in the first operating phases than in second operating phases of the cooling device, the hydrogen tank is supplied with greater thermal energy by the cooling device than in the second operating phases.
  • the hydrogen tank can be used effectively and efficiently as a heat buffer, at least temporarily, whereby excessive temperatures of the cooling device can be avoided without having to actively cool the cooling device, for example using the so-called fan.
  • the time integral of the energy curve in the respective first operating phase is greater than the second integral of the energy curve in the respective second operating phase.
  • a first part of the amount of heating energy is greater than a second part of the amount of heating energy, the first part being supplied to the hydrogen tank by the cooling device in the respective first operating phase and the second part in the respective second operating phase.
  • the first part is greater than zero, whereby the second part can be greater than zero or equal to zero.
  • a further embodiment is characterized in that the pressure curve is predicted in such a way that the pressure over its entire pressure curve is always, that is, continuously less than or equal to a particular predetermined or predefinable maximum pressure. This allows heat energy to be transferred effectively and efficiently from the cooling device to the hydrogen tank, while at the same time excessive loads or damage to the hydrogen tank can be safely avoided.
  • At least the pressure curve is predicted as a function of at least one refueling process intended for filling the hydrogen tank and/or as a function of at least one idle time of the vehicle , which stands still during the downtime and is not powered by the fuel cell system, in particular doesn't drive.
  • the refueling process and/or the downtime are part of the planned route.
  • a second aspect of the invention relates to a motor vehicle, preferably designed as a commercial vehicle, in particular as a truck, which is also simply referred to as a vehicle and is designed to carry out a method according to the first aspect of the invention.
  • the pressure trajectory and the heating energy trajectory are determined in such a way, that is, predicted in such a way that in high-load phases with increased energy consumption of the cooling device, increased heat is dissipated from the cooling device into the hydrogen tank, and is therefore supplied to the hydrogen tank, preferably the maximum pressure , which is or characterizes a maximum pressure limit, is adhered to, meaning that the tank pressure is always less than or equal to the maximum pressure.
  • the pressure trajectory and the heating energy trajectory are determined, in particular predicted, in such a way that in partial and/or low load phases, in particular the cooling device, for example in the respective partial and/or low load phase the cooling device has a lower energy consumption than in the respective high load phase, a heat supply from the cooling device to the hydrogen tank, thus the supply of the amount of heating energy from the cooling device to or into the hydrogen tank, is reduced, that is throttled or completely adjusted, that is prevented, in particular compared to the respective high-load phase, in particular in comparison to the respective high-load phase to enable a pressure reduction in the hydrogen tank, thus a reduction in the pressure in the hydrogen tank, in particular through hydrogen consumption taking place during the partial and / or low load phase, in which hydrogen is removed from the hydrogen tank and fed to the fuel cell, for example.
  • the planning i.e. a predictive determination, in particular calculation, of the driving route, also known as a tour
  • hydrogen consumption along the driving route and the pressure curve of the pressure in the hydrogen tank also known as pressure development
  • the planned driving route includes a predictive consumption of the hydrogen from the hydrogen tank, in particular by the fuel cell system, and/or at least one other, further consumption.
  • the cooling device in the hydrogen tank can be throttled, that is, reduced or reduced or completely stopped, that is, deactivated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system of a motor vehicle preferably designed as a commercial vehicle, in particular as a truck;
  • FIG. 2 is a flowchart for illustrating a method for operating the fuel cell system of the motor vehicle shown schematically in FIG. 2; and Fig. 3 shows a detail of a schematic sectional view of one
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 10 of a motor vehicle 12 shown schematically in Fig. 2, which is designed as a commercial vehicle, in particular as a truck.
  • a method for operating the fuel cell system 10 will be described below with reference to FIGS. 1 to 3, wherein a particularly efficient, in particular energy-efficient, operation of the fuel cell system 10 and thus of the motor vehicle 12 as a whole can be realized by the method.
  • the fuel cell system 10 has at least one hydrogen tank 14, shown particularly schematically in Fig. 1 and simply referred to as a tank, in which hydrogen can be absorbed or absorbed.
  • the hydrogen tank 14 is part of a tank system 16, also referred to as a tank device, which is explained in more detail below.
  • the hydrogen is held in the hydrogen tank 14 under pressure, so that in the hydrogen tank 14 there is a pressure, also referred to as tank pressure, caused by the hydrogen held in the hydrogen tank 14, which is, for example, in a range from 6 bar to 15 bar inclusive and in particular should lie.
  • a liquid phase and a gaseous phase of hydrogen are contained in the hydrogen tank 14.
  • the fuel cell system 10 also includes at least one fuel cell 18, which, as illustrated by an arrow 20 in FIG. 1, can be supplied with the hydrogen from the hydrogen tank 14.
  • the hydrogen is removed from the hydrogen tank 14 and, in particular in the gaseous state, supplied to the fuel cell 18.
  • the fuel cell 18 can be understood to mean, for example, a fuel cell stack, or the fuel cell 18 is part of a fuel cell stack, which can have several fuel cells 18.
  • Arrows 22 and 24 simply illustrate waste heat, also referred to as heat, which is given off or provided by the fuel cell 18, for example during its operation.
  • An arrow 26 simply illustrates waste heat, also referred to as heat, which can be released, that is, provided, by at least one retarder 28 of the motor vehicle 12, in particular during operation of the retarder 28.
  • the continuous brake for example designed as a retarder
  • the motor vehicle 12 can be braked, in particular in such a way that a speed at which the motor vehicle 12 is driven along a road does not increase or is reduced.
  • the waste heat from the fuel cell 18 and the waste heat from the continuous brake 28 form a total waste heat.
  • the arrow 22 illustrates, for example, that a first part of the total waste heat is delivered to a cooling device 30 of the fuel cell system 10, which is shown particularly schematically in FIG.
  • the cooling system 1 is also referred to as a cooling system, in particular in such a way that the first part of the total waste heat, for example via a heat exchanger , is transferred to a particularly liquid coolant of the cooling device 30.
  • the fuel cell 18 and preferably also the continuous brake 28 are thus cooled by means of the cooling device 30.
  • the arrow 24 illustrates that a second part of the total waste heat, in particular via a heating device 32 of the fuel cell system 10, which is shown particularly schematically in FIG Hydrogen tank 14 absorbed hydrogen can be transferred, so that the second part of the total waste heat is kept away from the cooling device 30, and therefore not to which is dissipated by the cooling device 30.
  • a particularly thermal load on the cooling device 30 can be advantageously kept low.
  • the cooling device 30 has, for example, a refrigerant circuit through which the coolant can flow.
  • the cooling device 30 includes an electrically operated fan, in particular, by means of which air can be conveyed.
  • the air can, for example, flow around a radiator through which the coolant can flow.
  • the coolant can be cooled.
  • the hydrogen tank 14 By transferring the heat, that is to say the second part of the total waste heat, to the hydrogen tank 14, as illustrated by an arrow 34 in FIG liquid phase of hydrogen in the hydrogen tank 14, causing the tank pressure to increase.
  • the hydrogen tank 14, in particular the tank system 16 is used to relieve the cooling device 30 in high-load phases with high energy consumption of the cooling device 30 by buffering waste heat, i.e. the second part of the total waste heat in the hydrogen tank 14, whereby Energy, especially electrical energy, can be saved.
  • an energy consumption of the cooling device 30 is predicted depending on a planned and, for example, predicted driving route of the motor vehicle 12.
  • the tank pressure is predicted.
  • the energy consumption and the pressure curve which is also referred to as the pressure trajectory
  • the pressure trajectory are predicted, that is, determined in a forward-looking manner, by means of an electronic computing device, in particular the motor vehicle 12.
  • a future, temporal energy profile also referred to as an energy trajectory or heating energy trajectory, of an amount of heating energy is predicted, which is to be supplied to the hydrogen tank 14 in accordance with the energy profile from the cooling device 30 and thus, for example, via the cooling device 30, depending on the predicted energy consumption is, that is, should be supplied or should be supplied in order to realize the pressure curve.
  • the amount of heating energy is therefore heat, that is, thermal energy or an amount of thermal energy, which is illustrated, for example, in FIG.
  • the arrow 24 illustrates, for example, the amount of heating energy, which is the second part of the total waste heat and is to be supplied or supplied by the cooling device 30, for example via the coolant or by means of the coolant, to the hydrogen tank 14 depending on the predicted energy consumption in order to thereby realize the pressure curve, in particular while the motor vehicle 12 is traveling along the planned route, in particular actually.
  • a planning module which is also referred to as logistics planning or is designed to carry out logistics planning is shown particularly schematically and designated 34.
  • the driving route which is also referred to as a tour, is planned using the planning module 34, that is, planned in advance.
  • the planning module 34 determines, in particular determined, when, that is to say at what time or during what period of time, the motor vehicle 12 travels which route, also referred to as a route, where, that is to say at which point on the route, is refueled, and therefore a refueling process is carried out When, that is, at what point in time, the journey of the motor vehicle 12 along the route is interrupted or where downtimes are planned, will therefore take place.
  • the refueling process which is also referred to as a refueling process, is to be understood as a process by which hydrogen is filled into the hydrogen tank 14, in particular from outside the hydrogen tank 14, in particular from outside the motor vehicle 12 as a whole.
  • the respective standstill time is a period of time or a time interval during which the motor vehicle 12 stands still and is therefore not driven by the fuel cell system 10, so that, for example, hydrogen is not discharged from the hydrogen tank 14, in particular to the fuel cell 18, during the respective standstill time.
  • the parameters can, for example, include a load of the motor vehicle 12 and/or a planned operation of each consumption of a motor vehicle 12, which can be, for example, a cooling structure, for example for cooling a loading space of the motor vehicle 12.
  • An arrow 36 illustrates that relevant, in particular all relevant, tour planning data, which characterize the planned route, is transmitted to an operating strategy module 38 and received by the operating strategy module 38.
  • the operating strategy module 38 determines, in particular calculates, for example, an operating strategy, in particular the entire operating strategy, for the planned driving route, also referred to as a tour.
  • the operating strategy is a proactively determined, therefore planned, operating strategy according to which the fuel cell system 10 is to be operated or is operated, in particular when the motor vehicle 12 is actually driving along the route.
  • the drive device comprises, for example, at least one electric machine, by means of which the motor vehicle 12, in particular purely, can be driven electrically in order to thereby drive the motor vehicle 12 along the route.
  • the buffer battery is a battery, in particular a secondary battery, in which, for example, electrical energy provided or available from the fuel cell 18 can be at least temporarily stored, that is, buffered.
  • the drive device in particular the electrical machine, can be supplied with the electrical energy provided by the fuel cell 18 and/or with the electrical energy stored in the battery, so that the motor vehicle 12 can be electrically driven by means of the electrical machine.
  • the operating strategy also takes into account, for example, at least one or more retarding systems of the motor vehicle 12, such as the retarding brake 28.
  • the operating strategy also includes, for example, a strategy for operating the retarding brake 28 along the driving route, whereby the retarding brake 28, as previously described, has an additional heat input , in particular in the cooling device 30, generated or can be generated.
  • the amount of heating energy is a target amount of heating energy that is to be supplied to the hydrogen tank 14, in particular while the motor vehicle 12 is traveling along the route, in order to effect the pressure curve, that is to say to realize it.
  • operating phases also known as phases can easily be determined, during which, while the motor vehicle 12 is traveling along the route, energy can be dissipated in the hydrogen tank 14, and therefore the amount of heating energy can be supplied to the hydrogen tank 14.
  • downtimes can, if necessary, be predicted, i.e. predicted, if travel times, travel times, habits are evaluated with regard to usual operating and downtimes.
  • the determined, in particular calculated, operating strategy is, as illustrated by an arrow 40, transmitted in particular from the operating strategy module 38 to a thermal management module 42 and received by the thermal management module 42.
  • the operating strategy module is 38 and/or that Thermal management module 42 Part of the aforementioned electronic computing device.
  • the pressure trajectory and the heating energy trajectory are also simply referred to as trajectories and are target trajectories.
  • the thermal management module 42 is designed to implement the previously strategically determined, in particular calculated, target trajectories, that is to say to realize them, and therefore to operate the fuel cell system 10, in particular to control or regulate them, in such a way that the target trajectories are implemented means that the fuel cell system 10 works or is operated according to the predicted target trajectories. This is done, for example, by the thermal management module 42, as illustrated by an arrow 44, controlling an actuator system 46, also known as actuator technology or thermal system actuator system, in particular of the fuel cell system 10.
  • the actuator system 46 includes, for example, valves, pumps and at least one or more fans, such as the aforementioned fan.
  • a sensor system 48 is also provided, which is also referred to as a thermal system sensor system.
  • the sensor system 48 can detect measured variables, such as pressures and/or temperatures of the fuel cell system 10, and transmit them to the thermal management module 42, which controls the fuel cell system 10, in particular the actuator system 46, depending on the temperature by means of the sensor system 48 recorded measured variables, that is to say operate, in particular control or regulate, in particular in order to thereby implement the target trajectories, thus operating the fuel cell system 10 according to the target trajectories.
  • One of the measured variables is, for example, the aforementioned tank pressure.
  • Another of the measured variables is, for example, other pressures of the fuel cell system 10.
  • the measured variables can include at least one or more temperatures of the fuel cell system 10.
  • the respective pressure is detected, for example, by means of a respective pressure sensor.
  • the respective temperature is detected, for example, by means of a respective temperature sensor.
  • the thermal management module 42 is used to control the fuel cell system 10, in particular the actuators 46, to predetermined or predeterminable target values, in particular in such a way that the target trajectories are actually implemented.
  • a redetermination, in particular recalculation, of the predictive operating strategy can be carried out in particular the operating strategy module 38 takes place, in particular based on new status data, which is recorded, for example, by means of the sensor system 48 and thus determined by means of the thermal management module 42 and in particular, is shown by the arrow 52, is transmitted to the operating strategy module 38 and received by it.
  • This can be carried out cyclically, for example, in particular based on current states and measured values of the motor vehicle 12.
  • the coolant comprises at least water, so that the coolant is also referred to as cooling water, for example.
  • the thermal management module 42 can transmit at least one or more specifications for heating the hydrogen tank 14 to an operating module 56 for operating, in particular for regulating or controlling, the tank system 16, that is to say the amount of heating energy in accordance with the energy curve To supply hydrogen tank 14 and thus to heat it, that is to say to heat it.
  • the operating module 56 is part of the electronic computing device.
  • the operating module 56 is referred to, for example, as a tank control module or tank regulation module.
  • a need for heat removal from the hydrogen tank 14 is transmitted from the thermal management module 42 to the operating module 56, in particular at a desired time or during a desired period of time, and is received in particular by the operating module 56.
  • the operating module 56 implements the specifications provided by the thermal management module 42 and received by the operating module 56, in particular within the scope of possibilities and/or within the permitted pressure range, which corresponds, for example, to the aforementioned range of 6 to 15 bar, and reports back this implementation to the thermal management module 42, which is illustrated by an arrow 58.
  • the feedback includes, for example, an estimated amount of heat dissipated from or from the hydrogen tank 14 based on the specification as well as the tank pressure, in particular as the actual pressure, which prevails in the hydrogen tank 14 and is caused in particular by the hydrogen taken up in the hydrogen tank 14 is.
  • a central, that is to say effective, control or regulation element for regulating, that is to say for adjusting a heat flow in the hydrogen tank 14, that is to say for adjusting the amount of heating energy that is supplied to the hydrogen tank 14, is, for example, one shown particularly schematically in FIG as a pressure valve, in particular as a pressure control valve or pressure regulating valve, valve 60, which is controlled, for example, by the operating module 56 and thereby operated, in particular regulated or can be controlled.
  • a pressure valve in particular as a pressure control valve or pressure regulating valve
  • valve 60 By means of the valve 60, for example, a stream or a flow of hydrogen, in particular gaseous hydrogen, is adjusted through a heat exchanger 62 shown in FIG. 3.
  • the heat exchanger 62 is part of the tank system 16 and will be explained in more detail below.
  • valve 60 For example, if the valve 60 is completely opened, this enables a maximum heat flow into the hydrogen tank 14. If the valve 60 is closed, the hydrogen tank 14 is no longer heated, for example, which can be the case in particular at partial load, which means, for example, that the tank -Pressure drops (again).
  • the method allows the energy consumption of the fuel cell system 10 to be reduced compared to conventional solutions, whereby energy consumption of the entire motor vehicle 12 can be kept particularly low. This allows the motor vehicle 12 to be operated particularly cost-effectively. In addition, an overload of the cooling device 30 with associated shutdowns of components such as the drive device can be delayed or completely avoided.
  • the cooling device 30 has, for example, a cooling circuit 64 through which the coolant can flow, of which line elements 66 and 68 are shown in detail in FIG.
  • the coolant can flow through the line elements 66 and 68.
  • the coolant containing heat in particular such as the second part of the total waste heat
  • a flow of the coolant through the line element 66 and in particular towards the heat exchanger 62 can be adjusted by a valve 70 arranged in the line element 66.
  • the valve 70 can be controlled by the thermal management module 42, so that the thermal management module 42 can adjust, in particular control or regulate, the flow of the coolant through the line element 66 towards the heat exchanger 62 via the valve 70.
  • the coolant can be removed from the heat exchanger 62 via the line element 68.
  • the hydrogen tank 14 can be vented via a vent line 72, and the hydrogen tank 14 can be refueled via a tank device 74.
  • Blow-off lines are designated 76
  • a valve designed, for example, as a tank valve is designated 78
  • a valve designed, for example, as a safety valve is designated 80.
  • the hydrogen can be removed from the hydrogen tank 14 via a line element 82 and in particular supplied to the fuel cell 18 become.
  • the operating module 56 can, for example, control and thereby operate the valve 78 and the valve 60, and, for example, the operating module 56 can control and thereby operate the heat exchanger 62.
  • the aforementioned temperature sensors are designated 84 in FIG. 3, and the aforementioned pressure sensors are designated 86.
  • an amount of hydrogen (still) taken up in the hydrogen tank 14 can be detected, the amount of hydrogen taken up in the hydrogen tank 14 also being referred to as the fill level.
  • the determination device 88 can provide at least one signal, in particular an electrical one, that characterizes the fill level and can be received by the operating module 56.
  • the operating module 56 can report the detected temperatures, the detected pressures and the detected fill level to the operating strategy module 38, which can subsequently create the specifications and specify them to the operating module 56, so that, for example, the tank system 16 by means of the thermal management module 42 and by means of the operating module 56 in particular depending on the detected temperatures and depending on the detected pressures and depending on the detected filling level, can be operated, in particular controlled or regulated, in particular in such a way that the target trajectories are actually implemented, that is, realized.
  • the heat contained in the coolant and thus the aforementioned second part of the total waste heat can be transferred via the heat exchanger 62 to the hydrogen tank 14, in particular to the hydrogen in the hydrogen tank 14, in order to thereby the hydrogen tank 14 and thus to heat the hydrogen contained in the hydrogen tank 14, and therefore to heat it.
  • the hydrogen tank 14 can be used at least temporarily as a heat buffer, whereby the energy consumption of the cooling device 30 can be advantageously kept low.
  • the heat contained in the coolant i.e.
  • the second part of the total heat can be transferred via the heat exchanger 62 to the hydrogen flowing through the line element 82, in particular in the gaseous state, which is removed from the hydrogen tank 14, for example by means of the line element 82, and the fuel cell 18 is supplied.
  • the gaseous hydrogen in particular, which is supplied to the fuel cell 18, can be heated, in particular preheated, on its way to the fuel cell 18, so that the second part of the waste heat can be advantageously dissipated, in particular without operating the aforementioned fan.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) eines Kraftfahrzeugs (12), dessen Brennstoffzellensystem (10) wenigstens einen Wasserstofftank (14), wenigstens eine mit Wasserstoff aus dem Wasserstofftank (14) versorgbare Brennstoffzelle (18) und eine Kühleinrichtung (30) zum Kühlen zumindest eines Teils des Brennstoffzellensystems (10) aufweist, bei welchem ein Energieverbrauch der Kühleinrichtung (30) in Abhängigkeit von einer geplanten Fahrroute des Kraftfahrzeugs (12) prädiziert wird, ein zukünftiger, zeitlicher Druckverlauf eines in dem Wasserstofftank (14) herrschenden Drucks prädiziert wird und ein zukünftiger, zeitlicher Energieverlauf einer Heizenergiemenge prädiziert wird, welche gemäß dem Energieverlauf von der Kühleinrichtung (30) dem Wasserstofftank (14) in Abhängigkeit von dem prädizierten Energieverbrauch zuzuführen ist, um den Druckverlauf zu realisieren.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug.
Der WO 2016/083365 A1 ist ein Verfahren zum prädiktiven Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem als bekannt zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, so dass ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines vorzugsweise als Nutzfahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen, ausgebildeten und einfach auch als Fahrzeug bezeichneten Kraftfahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Wasserstofftank auf, welcher auch einfach als Tank bezeichnet wird. In dem Wasserstofftank ist Wasserstoff (H2) aufnehmbar oder aufgenommen. Das auch als Brennstoffzelleneinrichtung oder Brennstoffzellenvorrichtung bezeichnete Brennstoffzellensystem umfasst außerdem wenigstens eine Brennstoffzelle, welche mit dem Wasserstoff aus dem Wasserstofftank versorgbar ist. Wie hinlänglich bekannt ist, kann mittels der Brennstoffzelle chemische Reaktionsenergie des Wasserstoffs, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umgewandelt werden, welche von der Brennstoffzelle bereitstellbar ist. Als das Oxidationsmittel wird insbesondere Sauerstoff verwendet, welcher beispielsweise in Luft enthalten ist, die der Brennstoffzelle ebenfalls zuführbar ist oder zugeführt wird. Die von der Brennstoffzelle bereitgestellte oder bereitstellbare, elektrische Energie kann beispielsweise in einem insbesondere als Batterie, ganz insbesondere als Sekundärbatterie, ausgebildeten, elektrischen Energiespeicher zumindest vorübergehend gespeichert werden. Ferner ist es denkbar, dass wenigstens eine elektrische Maschine, insbesondere direkt und somit unter Umgehung des elektrischen Energiespeichers, mit der von der Brennstoffzelle bereitstellbaren oder bereitgestellten, elektrischen Energie versorgbar ist oder versorgt wird, wobei es alternativ oder zusätzlich denkbar ist, dass die elektrische Maschine mit der elektrischen Energie versorgbar ist, die in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert ist. Durch Versorgen der elektrischen Maschine mit der elektrischen Energie kann die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben werden, mittels welchem das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist.
Das Brennstoffzellensystem weist außerdem eine Kühleinrichtung auf, mittels welcher zumindest ein Teil des Brennstoffzellensystems gekühlt werden kann. Insbesondere kann zumindest ein Teilbereich der Kühleinrichtung von einem beispielsweise flüssigen Kühlmittel durchströmt werden, mittels welchem zumindest der Teil des Brennstoffzellensystems gekühlt werden kann. Die Kühleinrichtung wird auch als Kühlsystem bezeichnet.
Um nun einen besonders effizienten, insbesondere energieeffizienten, Betrieb des Brennstoffzellensystems und somit des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, ist es bei dem Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen, dass, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, insbesondere des Kraftfahrzeugs, ein Energieverbrauch der Kühleinrichtung in Abhängigkeit von einer geplanten Fahrroute des Kraftfahrzeugs prädiziert, das heißt vorhergesagt, mithin vorausschauend ermittelt wird. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Energieverbrauch zu einem ersten Zeitpunkt oder während einer ersten Zeitspanne ermittelt, insbesondere berechnet, wird, wobei der erste Zeitpunkt beziehungsweise die erste Zeitspanne zeitlich einer zweiten Zeitspanne vorausgeht, während welcher das Kraftfahrzeug die geplante Fahrroute fährt oder abfährt, das heißt entlang der Fahrroute tatsächlich fährt. Mit anderen Worten wird der Energieverbrauch ermittelt, bevor das Kraftfahrzeug entlang der Fahrroute fährt oder wobei das Kraftfahrzeug (noch) nicht entlang der Fahrroute gefahren ist. Die Fahrroute kann wenigstens eine oder mehrere, einfach auch als Betankungen bezeichnete Betankungsvorgänge umfassen. Der Betankungsvorgang ist insbesondere dadurch, dass die Fahrroute eine geplante Fahrroute ist, ein geplanter, gegebenenfalls in Zukunft stattfindender Betankungsvorgang, bei welchem Wasserstoff insbesondere von außerhalb des Tanks in den Tank gefüllt wird, mithin der Tank mit Wasserstoff zumindest teilweise gefüllt wird. Beispielsweise ist der Betankungsvorgang erforderlich oder als erforderlich eingeschätzt oder ermittelt, damit beispielsweise das Kraftfahrzeug die, insbesondere gesamte, Fahrroute abfahren kann. Ferner ist es denkbar, dass die geplante Fahrroute wenigstens oder mehrere Stillstandszeiten umfasst. Die Stillstandszeit ist insbesondere dadurch, dass die Fahrroute eine geplante Fahrroute ist, eine geplante Stillstandszeit, während welcher das Kraftfahrzeug beispielsweise, insbesondere durchgehend, stillsteht und/oder ein durch das Brennstoffzellensystem bewirktes Antreiben des Kraftfahrzeugs, insbesondere durchgängig, unterbleibt und/oder ein Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere durchgängig, unterbleibt. Insbesondere kann während der Stillstandszeit ein Abführen von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank und/oder ein Bereitstellen von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle unterbleiben. Insbesondere handelt es sich bei dem prädizierten Energieverbrauch um einen zeitlichen Energieverbrauch, mithin um einen zeitlichen Energieverbrauchsverlauf eines Energieverbrauchs der Kühleinrichtung, wobei der Energieverbrauch beziehungsweise der Energieverbrauchsverlauf ein ermittelter, berechneter oder geschätzter und dabei vorhergesagter Energieverbrauchsverlauf ist, welcher eine Energie oder Energiemenge charakterisiert, die von dem Kühlsystem wahrscheinlich verbraucht wird, wenn oder während das Kraftfahrzeug entlang der Fahrroute fährt, das heißt gefahren wird.
Bei dem Verfahren wird auch ein zukünftiger, zeitlicher Druckverlauf eines in dem Wasserstofftank herrschenden und insbesondere durch den in dem Wasserstofftank aufgenommenen oder aufnehmbaren Wasserstoff bewirkten oder bewirkbaren Drucks prädiziert, das heißt vorausschauend ermittelt oder vorhergesagt, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrroute. Der zukünftige, zeitliche Druckverlauf ist somit beispielsweise ein geplanter, insbesondere vorgegebener oder vorgebbarer, zeitlicher Verlauf des Drucks, wobei beispielsweise der Druckverlauf ein Soll-Verlauf ist, welcher eingestellt, das heißt bewirkt werden soll.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch ein zukünftiger, zeitlicher Energieverlauf einer Heizenergiemenge prädiziert, welche gemäß dem Energieverlauf von der Kühleinrichtung dem Wasserstofftank in Abhängigkeit von dem prädizierten Energieverbrauch zuzuführen ist, das heißt zugeführt werden soll, um den Druckverlauf zu realisieren. Mit anderen Worten gibt der Energieverlauf einen zeitlichen Verlauf an, gemäß welchem unter Berücksichtigung des prädizierten Energieverbrauchs der Kühleinrichtung die genannte Heizenergiemenge von der Kühleinrichtung bereitzustellen ist oder bereitgestellt wird und dem Wasserstofftank zuzuführen ist oder zugeführt wird, insbesondere während das Kraftfahrzeug die Fahrroute abfährt oder befährt, um hierdurch den Druckverlauf zu realisieren. Hierdurch kann die Kühleinrichtung in zumindest einem oder mehreren Teilabschnitten der Fahrroute Wärmeenergie bereitstellen, welche dem Wasserstofftank zugeführt wird, so dass der Wasserstofftank als Wärmepuffer oder Wärmesenke genutzt wird. Hierdurch kann eine übermäßig hohe, thermische Belastung, das heißt eine übermäßig hohe Temperatur der Kühleinrichtung vermieden werden, ohne die Kühleinrichtung beispielsweise mittels eines insbesondere elektrischen Lüfters aktiv kühlen zu müssen. Das Verfahren ist somit ein Verfahren zur prädiktiven Wärme- oder Thermoregelung des Brennstoffzellensystems. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Üblicherweise wird in einem mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten und somit auch als Brennstoffzellenfahrzeug bezeichneten Kraftfahrzeug ein leistungsstarkes Kühlsystem verwendet, welches Verlustleistungen der Brennstoffzelle insbesondere bei Hochlastphasen der Brennstoffzelle, insbesondere von der Brennstoffzelle abführen und dafür sorgen kann, dass ein relativ enges Temperaturbetriebsfenster der Brennstoffzelle eingehalten wird, mithin die Brennstoffzelle beziehungsweise eine Temperatur der Brennstoffzelle in dem Temperaturbetriebsfenster bleibt. Somit wird die Kühleinrichtung insbesondere verwendet, um die Brennstoffzelle zu kühlen und somit in dem Temperaturbetriebsfenster zu halten. Beispielsweise beträgt das Temperaturbetriebsfenster zumindest im Wesentlichen ± 8 bis 10°C. Hinzu kommt, dass bei einem beispielsweise als schweres Nutzfahrzeug ausgebildeten Brennstoffzellenfahrzeug das Kühlsystem gegebenenfalls zusätzlich von aktivierten, beispielsweise als Retarder, Bremswiderstand etc. ausgebildeten Dauerbremsen mit einem zusätzlichen Wärmeeintrag belastet wird, insbesondere dadurch, dass das Kühlsystem beispielsweise auch verwendet wird, um eine beispielsweise als Retarder oder Bremswiderstand ausgebildete Dauerbremse des Fahrzeugs zu kühlen. Herkömmlicherweise kühlt somit das Kühlsystem (Kühleinrichtung) zumindest während eines Zeitintervalls gleichzeitig eine Dauerbremse und auch die Brennstoffzelle des Fahrzeugs. In Hochlastphasen der Brennstoffzelle kann es somit zu langen Aktivierungen, das heißt zu langen Zeitspannen kommen, in welchen ein elektrisch angetriebener Lüfter betrieben wird, der beispielsweise eine Leistung von bis zu 30 oder 40 kW benötigt oder aufweist. Mittels des Lüfters, welcher Bestandteil der Kühleinrichtung beziehungsweise des Kühlsystems sein kann, wird beispielsweise, insbesondere über einen Wärmetauscher, das zuvor genannte Kühlmittel gekühlt, insbesondere dadurch, dass mittels des Lüfters, wenn dieser aktiviert ist, Luft gefördert wird, die den beispielsweise als Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher umströmt. Über den Wärmetauscher erfolgt ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel an die den Wärmetauscher umströmende und mittels des Lüfters geförderte Luft. Außerdem kann beispielsweise zum Aufheizen des tiefkalten, flüssigen Wasserstoffs ein insbesondere permanenter Wärmestrom benötigt werden, der bei einer entsprechenden Auslegung des Kühlsystems (Kühleinrichtung) aus einem Wärmeangebot von Wärmequellen umgeleitet werden kann. Als Wärmequellen, deren auch als Abwärme bezeichnete Wärme genutzt werden kann, um den beispielsweise im Wasserstofftank aufgenommenen oder aufnehmbaren Wasserstoff im Tank und/oder den aus dem Wasserstofftank abgeführten Wasserstoff auf seinem Weg zur Brennstoffzelle zu erwärmen, können beispielsweise die Brennstoffzelle und die Dauerbremse verwendet werden. Der insbesondere in dem Wasserstofftank aufnehmbare oder aufgenommene Wasserstoff beziehungsweise der Wasserstofftank kann somit als Wärmesenke genutzt werden, um beispielsweise in Hochlastphasen mit hohem Energieverbrauch der Kühleinrichtung, z.B. durch Betrieb des zuvor genannten Lüfters, das Kühlsystem (Kühleinrichtung) durch Pufferung von Wärme, insbesondere Abwärme, in dem Wasserstofftank zu entlasten und dadurch Energie zu sparen. Mit anderen Worten ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders effiziente und effektive Weise, Wärme, insbesondere Abwärme, von der Kühleinrichtung, insbesondere von dem Kühlmittel, abzuführen, jedoch nicht oder nicht nur durch Betrieb des zuvor genannten Lüfters, sondern insbesondere dadurch, dass die Heizenergiemenge gemäß dem Energieverlauf von der Kühleinrichtung, insbesondere von dem Kühlmittel, abgeführt und dem Wasserstofftank, insbesondere dem im Wasserstofftank aufgenommenen Wasserstoff, zugeführt wird.
Die Heizenergiemenge ist oder charakterisiert somit eine Heizenergie oder Wärme, die von der Kühleinrichtung, insbesondere von dem Kühlmittel, abgeführt wird, wodurch eine übermäßige Temperatur der Kühleinrichtung vermieden werden kann, ohne den Lüfter zu betreiben. Um die Heizenergiemenge (Wärme) von der Kühleinrichtung abzuführen, wird die Heizenergiemenge dem Wasserstofftank zugeführt, welcher somit zumindest vorübergehend als Wärmepuffer oder Wärmesenke verwendet wird. Wird, insbesondere vermehrt, Wärme in den Wasserstofftank eingespeist, das heißt Wärme, insbesondere vermehrt, dem Wasserstofftank zugeführt, steigt der Druck in dem Wasserstofftank durch eine zunehmende Verdampfung des Wasserstoffs in dem Wasserstofftank (Tank). Der Druck in dem Wasserstofftank sollte nicht über eine insbesondere vorgebbare oder vorgegebene Grenze, insbesondere Belastungsgrenze des Tanks, ansteigen, und der auch als Tank-Druck bezeichnete Druck in dem Wasserstofftank sollte vor einem auch als Tankvorgang bezeichneten Betankungsvorgang und/oder einer insbesondere längeren Standphase beziehungsweise Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs abgesenkt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nun Energieeinsparungen durch gezielte Einstellung, insbesondere Erhöhung, des Tank-Drucks einerseits und, insbesondere dazu passende Druckverhältnisse vor Betankungsvorgängen und/oder Stillstandszeiten andererseits, sicherstellen, so dass ein besonders vorteilhafter und insbesondere effizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems und des Kraftfahrzeugs insgesamt realisiert werden kann. Der Druckverlauf und der Energieverlauf werden auch als Trajektorien bezeichnet, insbesondere derart, dass der Druckverlauf auch als Drucktrajektorie und der Energieverlauf auch als Heizenergietrajektorie bezeichnet wird. Die Heizenergiemenge ist dabei beispielsweise eine Soll-Heizenergiemenge, die dem Wasserstofftank zuzuführen ist, das heißt zugeführt werden soll, um dadurch die Drucktrajektorie zu realisieren, das heißt zu bewirken. Somit werden bei dem Verfahren prädiktiv die Drucktrajektorie sowie die damit verknüpfte Heizenergietrajektorie bestimmt. Außerdem wird der Energieverbrauch der Kühleinrichtung prädiktiv ermittelt, insbesondere berechnet, um wenigstens eine oder mehrere Zeitintervalle, mithin Phasen zu ermitteln, in welchen eine Energieabfuhr insbesondere der Kühleinrichtung in den Wasserstofftank stattfinden kann oder soll. Unter der Energieabfuhr ist zu verstehen, dass insbesondere während der jeweiligen Phase die Heizenergiemenge und somit Wärme von der Kühleinrichtung bereitgestellt und dem Wasserstofftank zugeführt wird oder werden kann, um dadurch den prädizierten Druckverlauf einzustellen, das heißt zu bewirken. Durch die Erfindung kann somit der Energieverbrauch des Brennstoffzellensystems insbesondere im Hinblick auf ein Thermomanagement im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen gesenkt werden, wodurch der Energieverbrauch des gesamten Kraftfahrzeugs im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen gesenkt werden kann. Dadurch kann das Kraftfahrzeug besonders energie- und kostengünstig betrieben werden. Darüber hinaus kann auch eine Überlastung der Kühleinrichtung mit damit einhergehenden Abregelungen von Komponenten wie zum Beispiel eines Antriebs des Kraftfahrzeugs zumindest hinausgezögert oder vermieden werden.
Um einen besonders effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt realisieren zu können, ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Druckverlauf und der Energieverlauf, mithin die Trajektorien derart prädiziert werden, dass in ersten Betriebsphasen der Kühleinrichtung, wobei in den ersten Betriebsphasen der prädizierte Energieverbrauch größer als in zweiten Betriebsphasen der Kühleinrichtung ist, dem Wasserstofftank eine größere Wärmeenergie von der Kühleinrichtung zugeführt wird als in den zweiten Betriebsphasen. Dadurch kann der Wasserstofftank zumindest vorübergehend effektiv und effizient als Wärmepuffer verwendet werden, wodurch übermäßige Temperaturen der Kühleinrichtung vermieden werden können, ohne die Kühleinrichtung beispielsweise durch den sogenannten Lüfter aktiv kühlen zu müssen. Dies bedeutet insbesondere, dass beispielsweise das zeitliche Integral des Energieverlaufs in der jeweiligen, ersten Betriebsphase größer als das zweite Integral des Energieverlaufs in der jeweiligen, zweiten Betriebsphase ist. Mit anderen Worten ist ein erster Teil der Heizenergiemenge größer als ein zweiter Teil der Heizenergiemenge, wobei der erste Teil in der jeweiligen, ersten Betriebsphase und der zweite Teil in der jeweiligen, zweiten Betriebsphase von der Kühleinrichtung dem Wasserstofftank zugeführt wird. Insbesondere ist der erste Teil größer als null, wobei der zweite Teil größer als null oder gleich null sein kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in zumindest einer der zweiten Betriebsphasen eine Übertragung von Wärmeenergie von der Kühleinrichtung auf den Wasserstofftank unterbleibt. Einerseits können hierdurch übermäßige Temperaturen der Kühleinrichtung effektiv und effizient vermieden werden. Andererseits kann hierdurch ein übermäßiger Druckanstieg in dem Wasserstofftank vermieden werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckverlauf derart prädiziert wird, dass der Druck über seinen gesamten Druckverlauf stets, das heißt durchgehend kleiner oder gleich einem insbesondere vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldruck ist. Hierdurch kann effektiv und effizient Wärmeenergie von der Kühleinrichtung auf den Wasserstofftank übertragen werden, wobei gleichzeitig übermäßige Lasten oder Schäden des Wasserstofftanks sicher vermieden werden können.
Um den Wasserstofftank besonders effektiv und effizient als Wärmepuffer verwenden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zumindest der Druckverlauf in Abhängigkeit von wenigstens einem zum Befüllen des Wasserstofftanks vorgesehenen Tankvorgang und/oder in Abhängigkeit von wenigstens einer Stillstandszeit des Fahrzeugs prädiziert wird, welches während der Stillstandszeit stillsteht und nicht mittels des Brennstoffzellensystems angetrieben wird, insbesondere nicht fährt. Insbesondere gehören der Tankvorgang und/oder die Stillstandszeit zur geplanten Fahrroute.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Nutzfahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches auch einfach als Fahrzeug bezeichnet und zum Durchführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.
Beispielsweise werden die Drucktrajektorie und die Heizenergietrajektorie, mithin der Druckverlauf und der Energieverlauf derart bestimmt, das heißt derart prädiziert, dass in Hochlastphasen mit erhöhtem Energieverbrauch der Kühleinrichtung vermehrt Wärme von der Kühleinrichtung in den Wasserstofftank abgeführt, mithin dem Wasserstofftank zugeführt wird, wobei vorzugsweise der Maximaldruck, welcher eine maximale Druckgrenze ist oder charakterisiert, eingehalten wird, mithin der Tank-Druck stets kleiner oder gleich dem Maximaldruck ist.
Beispielsweise werden die Drucktrajektorie und die Heizenergietrajektorie derart bestimmt, insbesondere derart prädiziert, dass in Teil- und/oder Niederlastphasen, insbesondere der Kühleinrichtung, wobei beispielsweise in der jeweiligen Teil- und/oder Niederlastphase die Kühleinrichtung einen geringeren Energieverbrauch als in der jeweiligen Hochlastphase aufweist, eine Wärmezufuhr von der Kühleinrichtung an den Wasserstofftank, mithin die Zuführung der Heizenergiemenge von der Kühleinrichtung zu dem oder in den Wasserstofftank insbesondere gegenüber der jeweiligen Hochlastphase verringert, das heißt gedrosselt oder vollständig eingestellt, das heißt unterbunden wird, um hierdurch insbesondere im Vergleich zur jeweiligen Hochlastphase einen Druckabbau im Wasserstofftank, mithin eine Reduzierung des Drucks im Wasserstofftank zu ermöglichen, insbesondere durch einen während der Teil- und/oder Niederlastphase stattfindenden Wasserstoffverbrauch, bei welchem Wasserstoff aus dem Wasserstofftank abgeführt und beispielsweise der Brennstoffzelle zugeführt wird. Dabei ist beispielsweise durch die Planung, mithin eine prädiktive Ermittlung, insbesondere Berechnung, der auch als Tour bezeichneten Fahrroute auch ein Wasserstoffverbrauch entlang der Fahrroute und der auch als Druckentwicklung bezeichnete Druckverlauf des Drucks im Wasserstofftank bekannt und kann somit prädiktiv geplant umgesetzt werden. Mit anderen Worten umfasst beispielsweise die geplante Fahrroute einen prädiktiven Verbrauch des Wasserstoffs aus dem Wasserstofftank insbesondere durch das Brennstoffzellensystem und/oder wenigstens einen anderen, weiteren Verbrauch. Ist beispielsweise kein Tankvorgang geplant beziehungsweise bekannt, so kann ein möglicher Tankvorgang dann, wenn eine in den Wasserstofftank aufgenommene und auch als Füllstand bezeichnete Menge des Wasserstoffs eine insbesondere vorgebbare oder vorgegebene Schwelle unterschreitet, angenommen werden, und die zuvor beschriebene Funktion zur Pufferung von Abwärme aus der Kühleinrichtung in dem Wasserstofftank kann gedrosselt, das heißt zurückgefahren beziehungsweise reduziert oder ganz unterbunden, das heißt deaktiviert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung vorwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung vorwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems eines vorzugsweise als Nutzfahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems des in Fig. 2 schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs; und Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines einen
Wasserstofftank umfassenden Tanksystems des Brennstoffzellensystems
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem 10 eines in Fig. 2 schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs 12, welches als Nutzfahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen, ausgebildet ist. Anhand von Fig. 1 bis 3 wird im Folgenden ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben, wobei durch das Verfahren ein besonders effizienter, insbesondere ein energieeffizienter, Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und somit des Kraftfahrzeugs 12 insgesamt realisiert werden kann.
Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass das Brennstoffzellensystem 10 wenigstens einen in Fig. 1 besonders schematisch dargestellten, einfach auch als Tank bezeichneten Wasserstofftank 14 aufweist, in welchem Wasserstoff aufnehmbar oder aufgenommen ist. In Zusammenschau mit Fig. 3 ist erkennbar, dass der Wasserstofftank 14 Bestandteil eines auch als Tankeinrichtung bezeichneten Tanksystems 16 ist, welches im Folgenden näher erläutert wird. Der Wasserstoff ist in dem Wasserstofftank 14 unter Druck aufgenommen, so dass in dem Wasserstofftank 14 ein auch als Tank-Druck bezeichneter, durch den im Wasserstofftank 14 aufgenommenen Wasserstoff bewirkter Druck herrscht, welcher beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 6 bar bis einschließlich 15 bar liegt und insbesondere liegen sollte. Insbesondere sind in dem Wasserstofftank 14 eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase des Wasserstoffs aufgenommen. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst außerdem wenigstens eine Brennstoffzelle 18, welche, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil 20 veranschaulicht ist, mit dem Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 14 versorgbar ist. Hierzu wird beispielsweise der Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 14 abgeführt und, insbesondere in gasförmigem Zustand, der Brennstoffzelle 18 zugeführt. Unter der Brennstoffzelle 18 kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel verstanden werden, oder die Brennstoffzelle 18 ist Bestandteil eines Brennstoffzellenstapels, welcher mehrere Brennstoffzellen 18 aufweisen kann. Durch Pfeile 22 und 24 ist einfach auch als Wärme bezeichnete Abwärme veranschaulicht, die von der Brennstoffzelle 18 beispielsweise während ihres Betriebs abgegeben oder bereitgestellt wird. Durch einen Pfeil 26 ist einfach auch als Wärme bezeichnete Abwärme veranschaulicht, die von wenigstens einer Dauerbremse 28 des Kraftfahrzeugs 12, insbesondere während eines Betriebs der Dauerbremse 28 abgegeben, das heißt bereitgestellt werden kann. Mittels der beispielsweise als Retarder ausgebildeten Dauerbremse kann das Kraftfahrzeug 12 abgebremst werden, insbesondere derart, dass eine Geschwindigkeit, in welcher das Kraftfahrzeug 12 entlang einer Fahrbahn gefahren wird, nicht zunimmt oder reduziert wird. Beispielsweise bilden die Abwärme der Brennstoffzelle 18 und die Abwärme der Dauerbremse 28 eine Gesamtabwärme. Durch den Pfeil 22 ist beispielsweise veranschaulicht, dass ein erster Teil der Gesamtabwärme an eine in Fig. 1 besonders schematisch dargestellte und auch als Kühlsystem bezeichnete Kühleinrichtung 30 des Brennstoffzellensystems 10 abgegeben wird, insbesondere derart, dass der erste Teil der Gesamtabwärme, beispielsweise über einen Wärmeübertrager, an ein insbesondere flüssiges Kühlmittel der Kühleinrichtung 30 übertragen wird. Somit wird die Brennstoffzelle 18 und vorzugsweise auch die Dauerbremse 28 mittels der Kühleinrichtung 30 gekühlt. Durch den Pfeil 24 ist veranschaulicht, dass ein zweiter Teil der Gesamtabwärme, insbesondere über eine in Fig. 1 besonders schematisch dargestellte, einfach auch als Heizung bezeichnete Heizeinrichtung 32 des Brennstoffzellensystems 10, an oder auf den Wasserstofftank 14 und somit an oder auf den in dem Wasserstofftank 14 aufgenommenen Wasserstoff übertragen werden kann, so dass der zweite Teil der Gesamtabwärme von der Kühleinrichtung 30 ferngehalten wird, mithin nicht an die durch die Kühleinrichtung 30 abgeführt wird. Hierdurch kann eine insbesondere thermische Belastung der Kühleinrichtung 30 vorteilhaft gering gehalten werden. Die Kühleinrichtung 30 weist beispielsweise einen beispielsweise von dem Kühlmittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf auf. Beispielsweise umfasst die Kühleinrichtung 30 einen insbesondere elektrisch betreibbaren Lüfter, mittels welchem Luft gefördert werden kann. Die Luft kann beispielsweise einen Radiator umströmen, welcher von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Infolge eines Wärmeübergangs von dem Kühlmittel über den Radiator an die den Radiator umströmende und mittels des Lüfters geförderte Luft kann das Kühlmittel gekühlt werden. Da, wie durch die Pfeile 22 und 24 veranschaulicht ist, nicht die gesamte Abwärme an und durch die Kühleinrichtung 30 abgeführt wird, sondern der zweite Teil der Gesamtabwärme auf oder an den Wasserstofftank 14 übertragen und somit beispielsweise mittels des Wasserstofftanks 14 gepuffert wird, kann beispielsweise eine übermäßig lange, während einer Gesamtzeitdauer stattfindende Betriebsdauer des Lüfters vorteilhaft gering gehalten werden, so dass ein besonders effizienter, insbesondere energieeffizienter, Betrieb der Kühleinrichtung 30 und somit des Brennstoffzellensystems 10 insgesamt realisiert werden kann.
Durch das Übertragen der Wärme, das heißt des zweiten Teils der Gesamtabwärme auf den Wasserstofftank 14 wird, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil 34 veranschaulicht ist, eine Verdampfung von flüssigem, in dem Wasserstofftank 14 aufgenommenen Wasserstoff, das heißt von zumindest einem Teil der flüssigen Phase des Wasserstoffs im Wasserstofftank 14, bewirkt, wodurch der Tank-Druck ansteigt. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird der Wasserstofftank 14, insbesondere das Tanksystem 16, genutzt, um in Hochlastphasen mit hohem Energieverbrauch der Kühleinrichtung 30 die Kühleinrichtung 30 durch Pufferung von Abwärme, mithin des zweiten Teils der Gesamtabwärme im Wasserstofftank 14 zu entlasten, wodurch Energie, insbesondere elektrische Energie, gespart werden kann. Hierfür wird, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ein Energieverbrauch der Kühleinrichtung 30 in Abhängigkeit von einer geplanten und beispielsweise prädizierten Fahrroute des Kraftfahrzeugs 12 prädiziert. Des Weiteren wird ein zukünftiger, zeitlicher Druckverlauf des in dem Wasserstofftank 14 herrschenden Drucks, mithin des Tank-Drucks, prädiziert. Beispielsweise werden der Energieverbrauch und der Druckverlauf, welcher auch als Drucktrajektorie bezeichnet wird, mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, insbesondere des Kraftfahrzeugs 12, prädiziert, das heißt vorausschauend ermittelt. Außerdem wird, insbesondere mittels der elektronischen Recheneinrichtung, ein zukünftiger, zeitlicher und auch als Energietrajektorie oder Heizenergietrajektorie bezeichneter Energieverlauf einer Heizenergiemenge prädiziert, welche gemäß dem Energieverlauf von der Kühleinrichtung 30 und somit beispielsweise über die Kühleinrichtung 30 dem Wasserstofftank 14 in Abhängigkeit von dem prädizierten Energieverbrauch zuzuführen ist, das heißt zugeführt werden soll oder zugeführt werden sollte, um den Druckverlauf zu realisieren. Die Heizenergiemenge ist somit Wärme, das heißt Wärmeenergie oder eine Wärmeenergiemenge, die beispielsweise in Fig. 1 durch den Pfeil 24 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten veranschaulicht der Pfeil 24 beispielsweise die Heizenergiemenge, die der zweite Teil der Gesamtabwärme ist und gemäß dem prädizierten Energieverlauf von der Kühleinrichtung 30, beispielsweise über das Kühlmittel oder mittels des Kühlmittels, dem Wasserstofftank 14 in Abhängigkeit von dem prädizierten Energieverbrauch zuzuführen ist oder zugeführt wird, um dadurch den Druckverlauf zu realisieren, insbesondere während das Kraftfahrzeug 12 entlang der geplanten Fahrroute, insbesondere tatsächlich, fährt. In Fig. 2 ist besonders schematisch ein auch als Logistikplanung bezeichnetes oder zum Durchführen einer Logistikplanung ausgebildetes Planungsmodul gezeigt und mit 34 bezeichnet. Beispielsweise wird mittels des Planungsmoduls 34 die Fahrroute, welche auch als Tour bezeichnet wird, mithin geplant, das heißt vorausschauend geplant. Beispielsweise wird mittels des Planungsmoduls 34 bestimmt, insbesondere festgelegt, wann, das heißt zu welcher Zeit oder während welcher Zeitspanne, das Kraftfahrzeug 12 welche, auch als Strecke bezeichnete Fahrroute fährt, wo, das heißt an welcher Stelle der Fahrroute getankt, mithin ein Tankvorgang durchgeführt wird, wann, das heißt zu welchem Zeitpunkt die Fahrt des Kraftfahrzeugs 12 entlang der Fahrroute unterbrochen wird beziehungsweise wo Stillstandszeiten geplant sind, mithin stattfinden. Unter dem Tankvorgang, welcher auch als Betankungsvorgang bezeichnet wird, ist ein Vorgang zu verstehen, durch welchen oder bei welchem Wasserstoff in den Wasserstofftank 14, insbesondere von außerhalb des Wasserstofftanks 14, insbesondere von außerhalb des Kraftfahrzeugs 12 insgesamt, eingefüllt wird. Die jeweilige Stillstandszeit ist eine Zeitspanne oder ein Zeitintervall, während welchem das Kraftfahrzeug 12 stillsteht und somit nicht mittels des Brennstoffzellensystems 10 angetrieben wird, so dass beispielsweise während der jeweiligen Stillstandszeit ein Abführen von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 14 insbesondere an die Brennstoffzelle 18 unterbleibt. Bei der Planung der Fahrroute werden beispielsweise weitere Parameter berücksichtigt, welche die Fahrroute beziehungsweise die Kraftfahrzeug 12 entlang der Fahrroute charakterisieren. Die Parameter können beispielsweise eine Beladung des Kraftfahrzeugs 12 und/oder einen geplanten Betrieb von jedem Verbrauch eines Kraftfahrzeugs 12 umfassen, wobei es sich bei beispielsweise um einen Kühlaufbau beispielsweise zum Kühlen eines Laderaums des Kraftfahrzeugs 12 handeln kann.
Durch einen Pfeil 36 ist veranschaulicht, dass relevante, insbesondere alle relevanten, Tourplanungsdaten, welche die geplante Fahrroute charakterisieren, an ein Betriebsstrategiemodul 38 übertragen und von dem Betriebsstrategiemodul 38 empfangen werden. Das Betriebsstrategiemodul 38 ermittelt, insbesondere berechnet, beispielsweise eine Betriebsstrategie, insbesondere die gesamte Betriebsstrategie, für die geplante, auch als Tour bezeichnete Fahrroute. Beispielsweise ist die Betriebsstrategie eine vorausschauend ermittelte, mithin geplante Betriebsstrategie, gemäß welcher das Brennstoffzellensystem 10 zu betreiben ist oder betrieben wird, insbesondere dann, wenn das Kraftfahrzeug 12 tatsächlich entlang der Fahrroute fährt. Hierzu gehört beispielsweise ein von einer Antriebseinrichtung bereitzustellendes Drehmoment, um das Kraftfahrzeug 12 anzutreiben und somit entlang der auch als Fahrstrecke bezeichneten Fahrroute zu fahren, so dass das Kraftfahrzeug 12 die Fahrroute bewältigen kann, daraus abgeleitet eine Soll-Trajektorie für eine auch als Brennstoffzellenleistung bezeichnete Leistung der Brennstoffzelle 18 und insbesondere damit verbunden einen Ladezustandsverlauf einer Pufferbatterie des Kraftfahrzeugs 12. Die Antriebseinrichtung umfasst beispielsweise wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug 12, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann, um dadurch das Kraftfahrzeug 12 entlang der Fahrroute zu fahren. Bei der Pufferbatterie handelt es sich um eine Batterie, insbesondere eine Sekundärbatterie, in welcher beispielsweise von der Brennstoffzelle 18 bereitgestellte oder bereitstellbare, elektrische Energie zumindest vorübergehend gespeichert, das heißt gepuffert werden kann. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung, insbesondere die elektrische Maschine, mit der von der Brennstoffzelle 18 bereitgestellten elektrischen Energie und/oder mit der in der Batterie gespeicherten, elektrischen Energie versorgt werden, so dass mittels der elektrischen Maschine das Kraftfahrzeug 12 elektrisch angetrieben werden kann. Die Betriebsstrategie berücksichtigt beispielsweise auch wenigstens ein oder mehrere Dauerbremssysteme des Kraftfahrzeugs 12 wie beispielsweise die Dauerbremse 28. Mit anderen Worten umfasst die Betriebsstrategie beispielsweise auch eine Strategie zum Betreiben der Dauerbremse 28 entlang der Fahrroute, wobei die Dauerbremse 28, wie zuvor beschrieben, einen zusätzlichen Wärmeeintrag, insbesondere in die Kühleinrichtung 30, erzeugt oder erzeugen kann.
Darüber hinaus werden der Druckverlauf und der Energieverlauf prädiziert. Die Heizenergiemenge ist eine Soll-Heizenergiemenge, die dem Wasserstofftank 14, insbesondere während das Kraftfahrzeug 12 die Fahrroute abfährt, zuzuführen ist, um den Druckverlauf zu bewirken, das heißt zu realisieren. Durch die Prädiktion des Energieverbrauchs der Kühleinrichtung 30 können einfach auch als Phasen bezeichnete Betriebsphasen ermittelt werden, während welchen, während das Kraftfahrzeug 12 entlang der Fahrroute fährt, eine Energieabfuhr in dem Wasserstofftank 14 stattfinden kann, mithin die Heizenergiemenge dem Wasserstofftank 14 zugeführt werden kann. Insbesondere können Stillstandszeiten gegebenenfalls vorhergesagt, das heißt prädiziert werden, wenn Fahrzeiten, Fahrtzeiten, Gewohnheiten bezüglich üblicher Betriebs- und Stillstandszeiten ausgewertet werden.
Die ermittelte, insbesondere berechnete, Betriebsstrategie wird, wie durch einen Pfeil 40 veranschaulicht ist, insbesondere von dem Betriebsstrategiemodul 38, an ein Thermomanagementmodul 42 übertragen und von dem Thermomanagementmodul 42 empfangen. Beispielsweise ist das Betriebsstrategiemodul 38 und/oder das Thermomanagementmodul 42 Bestandteil der zuvor genannten, elektronischen Recheneinrichtung.
Die Drucktrajektorie und die Heizenergietrajektorie werden auch einfach als Trajektorien bezeichnet und sind Soll-Trajektorien. Dabei ist das Thermomanagementmodul 42 dazu ausgebildet, die vorab strategisch ermittelten, insbesondere berechneten, Soll- Trajektorien umzusetzen, das heißt zu realisieren, mithin das Brennstoffzellensystem 10 derart zu betreiben, insbesondere zu steuern oder zu regeln, dass die Soll-Trajektorien umgesetzt werden, das heißt, dass das Brennstoffzellensystem 10 gemäß den prädizierten Soll-Trajektorien arbeitet oder betrieben wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Thermomanagementmodul 42, wie durch einen Pfeil 44 veranschaulicht ist, eine auch als Aktuatorik oder Thermosystemaktuatorik bezeichnete Aktorik 46, insbesondere des Brennstoffzellensystems 10, ansteuert. Die Aktorik 46 umfasst beispielsweise Ventile, Pumpen und wenigstens einen oder mehrere Lüfter, wie beispielsweise den zuvor genannten Lüfter. Vorgesehen ist beispielsweise auch eine Sensorik 48, welches auch als Thermosystemsensorik bezeichnet wird. Wie durch einen Pfeil 50 veranschaulicht ist, kann die Sensorik 48 Messgrößen, wie beispielsweise Drücke und/oder Temperaturen des Brennstoffzellensystems 10 erfassen und an das Thermomanagementmodul 42 übertragen, welches das Brennstoffzellensystem 10, insbesondere die Aktorik 46, in Abhängigkeit von den mittels der Sensorik 48 erfassten Messgrößen, ansteuern, das heißt betreiben, insbesondere steuern oder regeln, kann, insbesondere um hierdurch die Soll-Trajektorien umzusetzen, mithin das Brennstoffzellensystem 10 gemäß den Soll-Trajektorien zu betreiben. Bei einer der Messgrößen handelt es sich beispielsweise um den zuvor genannten Tank-Druck. Bei einer weiteren der Messgrößen handelt es sich beispielsweise um andere Drücke des Brennstoffzellensystems 10. Ferner können die Messgrößen wenigstens eine oder mehrere Temperaturen des Brennstoffzellensystems 10 umfassen. Der jeweilige Druck wird beispielsweise mittels eines jeweiligen Drucksensors erfasst. Die jeweilige Temperatur wird beispielsweise mittels eines jeweiligen Temperatursensors erfasst. Beispielsweise wird mittels des Thermomanagementmoduls 42 eine Regelung des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere der Aktorik 46, auf vorgegebene oder vorgebbare Zielwerte durchgeführt, insbesondere derart, dass die Soll-Trajektorien tatsächlich umgesetzt werden. Wird eine prädiktiv berechnete Zielvorgabe, wie beispielsweise der Tank-Druck und/oder eine Temperatur des Kühlmittels nicht erreicht oder kann nicht erreicht werden, so kann, wie es durch einen Pfeil 52 veranschaulicht ist, eine Neuermittlung, insbesondere Neuberechnung, der prädiktiven Betriebsstrategie insbesondere durch das Betriebsstrategiemodul 38 erfolgen, insbesondere auf Basis von neuen Zustandsdaten, die beispielsweise mittels der Sensorik 48 erfasst und somit mittels des Thermomanagementmoduls 42 ermittelt und insbesondere, werden durch den Pfeil 52 dargestellt ist, an das Betriebsstrategiemodul 38 übertragen und von diesem empfangen wird. Dies kann beispielsweise zyklisch durchgeführt werden, insbesondere jeweils auf Basis aktueller Zustände und Messwerte des Kraftfahrzeugs 12. Beispielsweise umfasst das Kühlmittel zumindest Wasser, so dass das Kühlmittel beispielsweise auch als Kühlwasser bezeichnet wird.
Wie beispielsweise durch einen Pfeil 54 veranschaulicht ist, kann das Thermomanagementmodul 42 einem Betriebsmodul 56 zum Betreiben, insbesondere zum Regeln oder Steuern, des Tanksystems 16 wenigstens eine oder mehrere Vorgaben zur Heizung des Wasserstofftanks 14, das heißt dazu übermitteln, die Heizenergiemenge entsprechend dem Energieverlauf dem Wasserstofftank 14 zuzuführen und somit diesen zu erwärmen, das heißt zu beheizen. Beispielsweise ist das Betriebsmodul 56 Bestandteil der elektronischen Recheneinrichtung. Das Betriebsmodul 56 wird beispielsweise als Tanksteuerungsmodul oder Tankregelungsmodul bezeichnet. Beispielsweise wird, wie durch den Pfeil 54 veranschaulicht ist, von dem Thermomanagementmodul 42 an das Betriebsmodul 56 ein Bedarf an Wärmeabfuhr aus dem Wasserstofftank 14 insbesondere zu einem gewünschten Zeitpunkt oder während einer gewünschten Zeitspanne übermittelt und insbesondere von dem Betriebsmodul 56 empfangen. Das Betriebsmodul 56 setzt die von dem Thermomanagementmodul 42 bereitgestellten und durch das Betriebsmodul 56 empfangenen Vorgaben insbesondere im Rahmen von Möglichkeiten und/oder im Rahmen des erlaubten Druckbereichs, welcher beispielsweise dem zuvor genannten Bereich von 6 bis 15 bar entspricht, um und meldet diese Umsetzung zurück an das Thermomanagementmodul 42, was durch einen Pfeil 58 veranschaulicht ist. Die Rückmeldung umfasst beispielsweise eine beispielsweise geschätzte Menge einer aus oder von dem Wasserstofftank 14 auf Basis der Vorgabe abgeführten Wärme sowie den Tank-Druck, insbesondere als Ist-Druck, der in dem Wasserstofftank 14 herrscht und insbesondere durch den in dem Wasserstofftank 14 aufgenommenen Wasserstoff bewirkt ist. Ein zentrales, das heißt effektives Steuerungs- oder Regelungselement zur Regulierung, das heißt zum Einstellen eines Wärmestroms in dem Wasserstofftank 14, das heißt zum Einstellen der Heizenergiemenge, die dem Wasserstofftank 14 zugeführt wird, ist beispielsweise ein in Fig. 2 besonders schematisch dargestelltes und beispielsweise als Druckventil, insbesondere als Drucksteuerungsventil oder Druckregelventil ausgebildetes, Ventil 60, welches beispielsweise durch das Betriebsmodul 56 angesteuert und dadurch betrieben, insbesondere geregelt oder gesteuert, werden kann. Mittels des Ventils 60 wird beispielsweise ein Strom oder eine Strömung des insbesondere gasförmigen Wasserstoffes durch einen in Fig. 3 gezeigten Wärmetauscher 62 hindurch eingestellt. Der Wärmetauscher 62 ist Bestandteil des Tanksystems 16 und wird im Folgenden noch genauer erläutert. Wird beispielsweise das Ventil 60 vollständig geöffnet, ermöglicht dies einen maximalen Wärmestrom in den Wasserstofftank 14. Wird das Ventil 60 geschlossen, wird der Wasserstofftank 14 beispielsweise nicht (mehr) beheizt, was insbesondere bei Teil-Last der Fall sein kann, wodurch beispielsweise der Tank-Druck (wieder) sinkt.
Durch das Verfahren kann der Energieverbrauch des Brennstoffzellensystems 10 im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen gesenkt werden, wodurch ein Energieverbrauch des gesamten Kraftfahrzeugs 12 besonders gering gehalten werden kann. Dadurch kann das Kraftfahrzeug 12 besonders kostengünstig betrieben werden. Darüber hinaus kann eine Überlastung der Kühleinrichtung 30 mit einhergehenden Abriegelungen von Komponenten wie beispielsweise der Antriebseinrichtung hinausgezögert oder vollständig vermieden werden.
Die Kühleinrichtung 30 weist beispielsweise einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf 64 auf, von welchem in Fig. 3 Leitungselemente 66 und 68 ausschnittsweise dargestellt sind. Die Leitungselemente 66 und 68 sind von dem Kühlmittel durchströmbar. Mittels des Leitungselements 66 kann das insbesondere Wärme wie beispielsweise den zweiten Teil der Gesamtabwärme enthaltende Kühlmittel dem Wärmetauscher 62 zugeführt werden. Beispielsweise kann durch ein in dem Leitungselement 66 angeordnetes Ventil 70 eine Strömung des Kühlmittels durch das Leitungselement 66 und insbesondere hin zu dem Wärmetauscher 62 eingestellt werden. Das Ventil 70 kann durch das Thermomanagementmodul 42 angesteuert werden, so dass das Thermomanagementmodul 42 über das Ventil 70 die Strömung des Kühlmittels durch das Leitungselement 66 hin zu dem Wärmetauscher 62 einstellen, insbesondere steuern oder regeln, kann. Über das Leitungselement 68 kann das Kühlmittel von dem Wärmetauscher 62 abgeführt werden.
Über eine Entlüftungsleitung 72 kann der Wasserstofftank 14 entlüftet werden, und über eine Tankeinrichtung 74 kann der Wasserstofftank 14 betankt werden. Abblaseleitungen sind mit 76 bezeichnet, ein beispielsweise als Tankventil ausgebildetes Ventil ist mit 78 bezeichnet, und ein beispielsweise als Sicherheitsventil ausgebildetes Ventil ist mit 80 bezeichnet. Beispielsweise kann über ein Leitungselement 82 der Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 14 abgeführt und insbesondere der Brennstoffzelle 18 zugeführt werden. Es ist erkennbar, dass das Betriebsmodul 56 beispielsweise das Ventil 78 und das Ventil 60 ansteuern und dadurch betreiben kann, und beispielsweise kann das Betriebsmodul 56 den Wärmetauscher 62 ansteuern und dadurch betreiben. Die zuvor genannten Temperatursensoren sind in Fig. 3 mit 84 bezeichnet, und die zuvor genannten Drucksensoren sind mit 86 bezeichnet. Mittels einer Ermittlungseinrichtung 88 kann eine in dem Wasserstofftank 14 (noch) aufgenommene Menge des Wasserstoffes erfasst werden, wobei die in dem Wasserstofftank 14 aufgenommene Menge des Wasserstoffes auch als Füllstand bezeichnet wird. Die Ermittlungseinrichtung 88 kann wenigstens ein den Füllstand charakterisierendes, insbesondere elektrisches, Signal bereitstellen, welches von dem Betriebsmodul 56 empfangen werden kann. Das Betriebsmodul 56 kann die erfassten Temperaturen, die erfassten Drücke und den erfassten Füllstand an das Betriebsstrategiemodul 38 rückmelden, welches in der Folge die Vorgaben erstellen und dem Betriebsmodul 56 vorgeben kann, so dass beispielsweise das Tanksystem 16 mittels des Thermomanagementmoduls 42 und mittels des Betriebsmoduls 56 insbesondere in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturen und in Abhängigkeit von den erfassten Drücken und in Abhängigkeit von dem erfassten Füllstand betrieben, insbesondere gesteuert oder geregelt, werden kann, insbesondere derart, dass die Soll-Trajektorien tatsächlich umgesetzt, das heißt realisiert werden.
Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass über den Wärmetauscher 62 die in dem Kühlmittel enthaltene Wärme und somit der zuvor genannte, zweite Teil der Gesamtabwärme an den Wasserstofftank 14, insbesondere an den Wasserstoff im Wasserstofftank 14, übertragen werden kann, um dadurch den Wasserstofftank 14 und somit den in dem Wasserstofftank 14 aufgenommenen Wasserstoff zu erwärmen, mithin zu beheizen. Dadurch kann der Wasserstofftank 14 zumindest vorübergehend als Wärmepuffer verwendet werden, wodurch der Energieverbrauch der Kühleinrichtung 30 vorteilhaft gering gehalten werden kann. Ferner kann beispielsweise über den Wärmetauscher 62 die im Kühlmittel enthaltene Wärme, mithin der zweite Teil der Gesamtwärme, an den das Leitungselement 82, insbesondere im gasförmigen Zustand, durchströmenden Wasserstoff übertragen werden, welcher beispielsweise mittels des Leitungselements 82 aus dem Wasserstofftank 14 abgeführt und der Brennstoffzelle 18 zugeführt wird. Hierdurch kann der insbesondere gasförmige Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle 18 zugeführt wird, auf seinem Weg zur Brennstoffzelle 18 beheizt, insbesondere vorgeheizt, werden, so dass der zweite T eil der Abwärme vorteilhaft abgeführt werden kann, insbesondere ohne den zuvor genannten Lüfter zu betreiben. Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
12 Kraftfahrzeug
14 Wasserstofftank
16 Tanksystem
18 Brennstoffzelle
20 Pfeil
22 Pfeil
24 Pfeil
26 Pfeil
28 Dauerbremse
30 Kühleinrichtung
32 Heizeinrichtung
34 Pfeil
35 Planungsmodul
36 Pfeil
38 Betriebsstrategiemodul
40 Pfeil
42 Thermomanagementmodul
44 Pfeil
46 Aktorik
48 Sensorik
50 Pfeil
52 Pfeil
54 Pfeil
56 Betriebsmodul
58 Pfeil
60 Ventil
62 Wärmetauscher
64 Kühlkreislauf
66 Leitungselement
68 Leitungselement
70 Ventil
72 Entlüftungsleitung
74 Tankeinrichtung
76 Abblaseleitung Ventil Ventil Leitungselement Temperatursensor Drucksensor Ermittlungseinrichtung

Claims

Daimler T ruck AG Dr. Riege 09.05.2023 Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) eines Kraftfahrzeugs (12), dessen Brennstoffzellensystem (10) wenigstens einen Wasserstofftank (14), wenigstens eine mit Wasserstoff aus dem Wasserstofftank (14) versorgbare Brennstoffzelle (18) und eine Kühleinrichtung (30) zum Kühlen zumindest eines Teils des Brennstoffzellensystems (10) aufweist, bei welchem:
- ein Energieverbrauch der Kühleinrichtung (30) in Abhängigkeit von einer geplanten Fahrroute des Kraftfahrzeugs (12) prädiziert wird,
- ein zukünftiger, zeitlicher Druckverlauf eines in dem Wasserstofftank (14) herrschenden Drucks prädiziert wird, und
- ein zukünftiger, zeitlicher Energieverlauf einer Heizenergiemenge prädiziert wird, welche gemäß dem Energieverlauf von der Kühleinrichtung (30) dem Wasserstofftank (14) in Abhängigkeit von dem prädizierten Energieverbrauch zuzuführen ist, um den Druckverlauf zu realisieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf und der Energieverlauf derart prädiziert werden, dass in ersten Betriebsphasen der Kühleinrichtung (30), in deren ersten Betriebsphasen der Energieverbrauch größer als in zweiten Betriebsphasen der Kühleinrichtung (30) ist, dem Wasserstofftank (14) eine größere Wärmeenergie von der Kühleinrichtung (30) zugeführt wird als in den zweiten Betriebsphasen. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der zweiten Betriebsphasen eine Übertragung von Wärmeenergie von der Kühleinrichtung (30) auf den Wasserstofftank (14) unterbleibt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf derart prädiziert wird, dass der Druck über seinen gesamten Druckverlauf stets kleiner oder gleich einem Maximaldruck ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Druckverlauf in Abhängigkeit von wenigstens einem zum Befüllen des Wasserstofftanks (14) vorgesehenen Tankvorgang und/oder in Abhängigkeit von wenigstens einer Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs (12) prädiziert wird. Kraftfahrzeug (12), welches zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
PCT/EP2023/062310 2022-06-13 2023-05-09 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems eines kraftfahrzeugs, insbesondere eines nutzfahrzeugs, sowie kraftfahrzeug WO2023241862A1 (de)

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