Regelstrategie zum Aufheizen eines Brennstoffzellenfahrzeuges

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufheizung einer Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug. Die Brenn stoffzellenanordnung weist eine Brennstoffzelle als Energie quelle für eine Traktionseinheit eines Kraftfahrzeugs, eine Batterie und ein Steuergerät auf. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Vorrichtung mit Brennstoffzellenanordnung.

Im Falle eines Kaltstarts einer Brennstoffzelle ist das System vor dem Erreichen der Betriebstemperatur ineffizienter als nachdem die Betriebstemperatur erreicht wird. Ein ineffizienter Betriebspunkt ist mit einem höheren Verbrauch verbunden, und evtl, weniger Konfort bzgl. Ansprechverhalten, Innenraum Temperatur, usw. Deshalb besteht Bedarf für ein Betriebsmodus mit einer Regelstrategie um schneller die Betriebstemperatur zu erreichen und damit einen effizienteren Betrieb zu erreichen. Bei höheren Temperaturen arbeitet eine Brennstoffzelle effizienter, jedoch sind Obergrenzen bei der Temperatur gesetzt, u.A. damit die Zellmembran MEA (Membrane Electrode Assembly) nicht be schädigt wird. Eine Ziel-Betriebstemperatur könnte deshalb 80°C sein .

Um die Temperatur der Brennstoffzelle im Falle eines Kaltstartes schneller zu erhöhen bzw. die Betriebstemperatur zu erreichen, werden üblicherweise möglichst viele Verbraucher hinzuge schaltet um durch erhöhte Leistung schnellst möglich auf Be triebstemperatur zu kommen und einen effizienten Betrieb zu gewährleisten. Hierbei ist maßgebend: solange die Zellen un terhalb der eigentlichen Betriebstemperatur liegen, können sie auch nicht die volle Leistung erbringen. Üblicherweise wird einer Brennstoffzelle komprimierte Luft zugeführt um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu erhöhen. Die Luft wird dabei üblicherweise durch eine Verdichtungsvor richtung, beispielsweise einen Kompressor mit Elektromotor, komprimiert. Die Energie für den Elektromotor kommt dabei beispielsweise von der Brennstoffzelle selbst oder aber von einer Batterie, falls die Brennstoffzelle selbst aktuell nicht genug Energie bereitstellt . Während der Startphase kann der Betrieb der Verdichtungsvorrichtung in doppelter Weise vom Vorteil sein. Zum einen dient der Elektromotor als Verbraucher vom Strom und zum anderen wird die Temperatur der Brennstoffzelle durch den Joule-Thompson Effekt erhöht.

Brennstoffzellenautos können auch mit einer Batterie versehen sein. Oft sind eine oder mehrere Batterien mit einer relativ geringen Kapazität vorgesehen, um schnelles Ansprechverhalten im Betrieb von einem Elektroauto zu gewährleisten. Die Brenn stoffzelle ist durch die Trägheit der Versorgung oft nicht geeignet um schnell auf Stromleistungsänderungen zu reagieren. Insbesondere kann es vom Vorteil sein, elektrische Reserve energie zur Verfügung zu haben um eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des Fahrzeuges zu unterstützen oder gar ermöglichen. Nur ein Teil der Kapazität der Batterie wird wiederum benötigt um das Fahrzeug zu starten bzw. im Betrieb zu nehmen.

Der Erfindung liegt die Kenntnis zu Grunde, dass elektrische Energie die zwecks Aufwärmung der Brennzelle generiert wird, am besten gespeichert und später zielgerichtet verwendet wird. Eine zielgerichtete Verwendung könnte z.B. das Antreiben von einem Elektromotor eines Elektrofahrzeuges sein.

Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Regelung. Im elektrischen Pfad wird so viel wie möglich von der erzeugten Energie in eine Batterie eingebracht um diese zu einem späteren Zeitpunkt mit der normalen Regelstrategie wieder zu entnehmen. Bei einem Abstellen des Fahrzeuges, insbesondere bei einer gewissen Außentemperatur von z.B. unter 10°C, kann die benötigte Energie zum Nachkühlen aus der Batterie entnommen werden. Die Batterieladung darf hierbei unter Berücksichtigung des nötigen State-of-Charge (SOC oder Ladezustand) nicht unterhalb von einer bestimmten Grenze oder Mindestwert fallen, z.B. nicht unter 35% oder nicht unter 50% . Dieser SOC wird durch die Reglung beim Abstellen als Zielwert gesetzt. So ist die Batterie für den Startfall etwas aber nicht ganz geleert, damit beim Kaltstart bzw. nach dem Kaltstart eine Energiesenke vorhanden ist.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einer Kaltstart, eine Verdichtungsvorrichtung, beispielsweise einen Kompressor mit Elektromotor, komprimiertes Luft in der Brennzelle bringt.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einer Erwartung von kaltem Wetter in der nahen Zukunft der Ladezustand entsprechend angepasst wird bzw. die Batterie entsprechend entladen wird.

Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Ladezustand anhand von örtlichen und zeitlichen Gegebenheiten angepasst wird. Vorteilhaft ist, dass das Fahrzeug mit entladener Batterie abgestellt wird, wenn vorhersehbar ist, dass die Batterie bei der nächste Benutzung als Stromsenke und Stromspeicher verwendet werden sollte oder verwendet werden könnte. Zum Beispiel, wenn das Fahrzeug abends und zuhause abgestellt wird, ist wahr scheinlich, dass es erst am nächsten Morgen wiederverwendet wird.

Ergänzend oder alternativ kann die Batterie anhand von Wet tervorhersagen oder andere Kriterien entsprechend entladen werden in Vorbereitung auf eine Wiederinbetriebnahme. Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Brennstoff zellenanordnung sind als vorteilhafte Ausführungen des Ver fahrens anzusehen. Die gegenständlichen Komponenten der

Brennstoffzellenanordnung sind jeweils dazu ausgebildet, die jeweiligen Verfahrensschritte durchzuführen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der Brennstoffzellenanordnung als

EV-Architektur mit einer Brennstoffzelle, einem Wasserstofftank, einem Kompressor und einen Brenner; und

Fig.s 3a-3c drei schematische Darstellungen von Ausfüh

rungsbeispiele mit Brennstoffzelle, Hochspannungs netz, und Batterie; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verlauf über Zeit von der Temperatur und der Effizienz einer Brennstoffzelle, mit und ohne das erfinderisches Verfahren.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 in Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Brennstoff zellenanordnung 2, eine Traktionseinheit 3 und eine Batterie 3a auf .

Die Traktionseinheit 3 ist beispielsweise als Elektromotor mit einem Inverter ausgebildet.

Die Brennstoffzellenanordnung 2 umfasst gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel eine Brennstoffzelle 4, einen Wasserstofftank 5, einen Kompressor 6 und einen Brenner 7. Die Brennstoffzelle 4 ist als Energiequelle für die Traktionseinheit 3 ausgebildet.

Fig. 2 zeigt die Brennstoffzellenanordnung 20 mit der Brenn stoffzelle 24, dem Wasserstofftank 25, und dem Kompressor 26.

Der Kompressor 26 komprimiert Zuluft der Brennstoffzelle 24. Weiterhin ist der Kompressor 26 durch eine Luftzufuhrleitung mit der Brennstoffzelle 24 verbunden. Die Zuluft wird mittels dem Kompressor 26 komprimiert und durch die Luftzufuhrleitung über den ersten Kühler 28 zur Brennstoffzelle 24 geführt.

Fig. 3a-3c zeigen schematische Darstellungen von den

elektrischen Leistungsverbindungen die in Zusammenhang mit einer Brennstoffzellenanordnung nach Fig. 2 verwendet werden können. Die Brennstoffzelle 34 aus Fig. 3a ist schaltbar über ein Hochspannungsnetz 36 und ein oder mehreren DC/DC-Wandler 37 mit einer Batterie 33 verbunden. Bei bestimmten Konfigurationen kann der DC/DC-Wandler entfallen. Beide sind mit einem Motor 39 schaltbar über ein Inverter 38 verbunden. Je nach Temperatur von der Brennstoffzelle kann das erfinderische Konzept eingesetzt werden um die Brennstoffzelle schneller aufzuwärmen und auf eine optimale Temperatur zu bringen. Während dieser Aufwärmphase kann ein zentrales Steuergerät die

Brennstoffzelle an der Batterie verbinden um die Batterie zu laden. Hiermit kann die Brennstoffzelle elektrische Leistung generieren, die dann in der Batterie entsprechend gespeichert wird. Die gespeicherte Leistung kann zu einem späteren Zeitpunkt ausgegeben und verwendet werden. Zusätzlich kann das Steuergerät ggf. Leistung aus der Brennstoffzelle an den Kompressor und/oder an die elektrische Last weiterleiten, z.B. anhand die Schaltern 34, 36. Wegen interne Wiederstände in der Brennstoffzelle wird die Temperatur der Brennstoffzelle durch die Leistungsüber tragung erhöht. Hier kann der Betrieb des Kompressors in doppelter Weise vom Vorteil sein. Zum einen dient der Elekt romotor als Verbraucher vom Strom und zum anderen wird die Temperatur der Brennstoffzelle durch den Joule-Thompson Effekt erhöht. Der Motor/Inverter stellt eine Last oder Verbraucher von Leistung da, aber andere Verbraucher wie weitere Motoren, Heizung und/oder Klimatisierung passen auch zur erfinderischer Idee.

Die Brennstoffzelle 34 aus Fig. 3b ist schaltbar über ein oder mehreren DC/DC-Wandler 37 und ein Hochspannungsnetz 36 mit einer Batterie 33 verbunden. Das Hochspannungsnetz ist auch mit einem Motor 39 schaltbar über ein Inverter 38 verbunden. Der Mo tor/Inverter stellt eine Last da, aber andere Verbraucher wie weitere Motoren, Heizung und/oder Klimatisierung passen auch zur erfinderischer Idee.

Die Brennstoffzelle 34 aus Fig. 3c ist schaltbar über ein DC/DC-Wandler 37 an ein Hochspannungsnetz 36 verbunden. Das Hochspannungsnetz ist auch über ein DC/DC-Wandler 37 mit einer Batterie 33 und über ein Inverter 38 mit einem Motor 39 schaltbar verbunden. Weitere Verbraucher können auch hierzukommen.

In Fig. 4 wird die Abhängigkeit zwischen steigende Temperatur und steigende Effizienz der Brennstoffzelle über Zeit graphisch dargestellt. Die Graphik 40 zeigt das Verhältnis über Zeit ohne das erfinderische Verfahren als Linie 41. Linie 43 zeigt einen schnelleren Anstieg der Temperatur über Zeit wegen zusätzliche Leistung die in der Batterie gespeichert wird. Linie 44 zeigt den gleichen Anstieg der Temperatur über Zeit wie Linie 41, da keine zusätzliche Leistung in der Batterie gespeichert wird. Dieses könnte der Fall sein, wenn die Batterie schon vollgeladen ist.

Die Fläche zwischen 41 und 43,44 zeigt den beschleunigten Anstieg der Temperatur und gleichzeitig die gewonnene Effizienz. In beiden Fällen steigt die Temperatur an, bis die optimale oder gewünschte Betriebstemperatur erreicht wird bei 45.

Die Anstiegsänderungen, wie mit Linien 43 und 44 gezeichnet, können auch in Wechselwirkung oder in eine andere Reihenfolge erfolgen, oder es könnte einen kontinuierlichen oder variie renden Anstieg 43 geben bis die Betriebstemperatur 45 erreicht wird .

Der erhöhte Anstieg der Temperatur ergibt sich mindestens teilweise aus die elektrische Leistung die zusätzlich aus die Brennstoffzelle gezogen wird und in die Batterie geladen wird. Der Betrieb der Verdichtungseinrichtung oder Kompressor ist hier auch in doppelter Weise vom Vorteil, da der Elektromotor als Verbraucher vom Strom und auch die Temperatur der Brennstoffzelle durch den Joule-Thompson Effekt erhöht wird.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Batterie während der Aufwärmphase mit maximaler Ladegeschwindigkeit aufgeladen, wobei die maximale Ladegeschwindigkeit durch die Generie rungskapazität der Brennstoffzelle und die Aufnahmekapazität der Batterie bestimmt wird. Hiermit kann die Fläche der gewonnenen Effizienz maximiert werden. Demnach ist der erhöhte Anstieg sowohl durch die maximal-lieferbare Leistung der Brennstoffzelle als auch durch die maximale Leistung die in der Batterie geladen werden kann begrenzt.

Um aufgeladen zu werden, muss die Batterie über ausreichend Reserve oder freie Ladekapazität verfügen. Das Verfahren setzt voraus, dass die Batterie vor der Wiederaufnahme des Betriebes entsprechend entladen wird. Die Batterie darf jedoch nicht so weit entladen werden, dass es für die Batterie schädlich ist, z.B. nicht unter 20% Ladung für Lilon Batterien. Die Batterie muss auch genügend Ladung haben um das Fahrzeug wieder im Betrieb zu nehmen, soweit die Batterie zum Starten nötig ist.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Entscheidung über eine passende vorab-Entladung anhand von Navigationsinformation und/oder Standort getroffen. Sollte das Fahrzeug z.B. sich in die Nähe von dem Zielort oder Abstellort befinden, dann kann die Batterie entladen werden. Die Entladung könnte durch einen Transfer der Batterieleistung zu dem Antriebsmotor stattfinden.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Entscheidung über eine passende vorab-Entladung anhand von gemessener Temperatur getroffen. Sollte die Temperatur z.B. unter 10°C sein, dann wird entsprechend Kapazität in der Batterie freigemacht, damit in die nächste Aufwärmphase genügend Strom oder Ladeleistung aus der Brennstoffzelle gezogen werden kann um die gewünschte Be triebstemperatur schneller zu erreichen. Die Entladung könnte durch einen Transfer der Ladeleistung zu dem Antriebsmotor stattfinden . Ergänzend oder alternativ kann die Batterie anhand eines Transfers der Ladeleistung zu einem externen Verbraucher entladen werden (auch als Energy2Grid oder Vehicle-to-Grid bekannt) .

In einer Ausführung der Erfindung wird die Entscheidung über eine passende vorab-Entladung anhand von den künftig zu erwartenden Temperaturen getroffen. Zum Beispiel könnte abends eine Ent ladung vorgenommen werden, womit am nächsten Morgen bei der zu erwartender Temperatur entsprechend Kapazität in der Batterie frei steht, damit in der Aufwärmphase genügend Strom oder Ladeleistung aus der Brennstoffzelle gezogen werden kann um die gewünschte Betriebstemperatur schneller zu erreichen. Infor mationen über künftig zu erwartende Temperaturen könnten in einer Ausführung über ein Internet Anschluss in Erfahrung gebracht werden .

In einer Ausführung der Erfindung wird die Entscheidung über eine passende vorab-Entladung anhand von der Uhrzeit und/oder Tag der Woche getroffen. Zum Beispiel könnte Tagsüber weniger entladen werden, unter die Annahme, dass das Fahrzeug wiederverwendet wird, während am Abend eine Entladung getätigt wird um am nächsten Morgen eine beschleunigte Aufwärmphase zu ermöglichen. Zum Beispiel könnte am Wochenende immer entladen werden, unter die Annahme, dass das Fahrzeug eventuell nicht wieder verwendet wird. Fehleinschätzungen bei der Entladung hätten nur bei der Effizienz eine Auswirkung, jedoch nicht bei der Funktion des Fahrzeuges.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Entscheidung über eine passende vorab-Entladung anhand von einem personalisierten Profil getroffen. Wenn das Fahrzeug immer Dienstag und Donnerstag am Abend verwendet wird, nicht aber am Montag oder Mittwoch, könnte am Montag oder Mittwoch am Spätnachmittag immer entladen werden, unter die Annahme, dass das Fahrzeug eventuell nicht wieder verwendet wird. Das personalisierte Profil könnte auch mit einem bestimmten Fahrer verbunden werden, oder mit sonstige orts- oder kalendergebundene Eigenschaften. Fehleinschätzungen bei der Entladung hätten hier auch nur bei der Effizienz eine Auswirkung, jedoch nicht bei der Funktion des Fahrzeuges.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Batterie bis auf eine Minimalladung entladen. Die Minimalladung kann durch ver schiedene Kriterien festgelegt werden. Zum Beispiel könnte die Minimalladung durch eine Mindestladung bestimmt sein, die zum Erhalt der Batterie nötig ist. Oder die Minimalladung könnte durch eine Mindestladung bestimmt sein, die zum Inbetriebnahme des Fahrzeuges nötig ist.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Batterie bis auf unter 50% Ladung entladen. Hiermit steht z.B. die Hälfte der Bat teriekapazität zur Verfügung um z.B. das Fahrzeug zu starten bzw. im Betrieb zu nehmen. Der optimale Entladestand kann durch eine Optimierung zwischen gewünschte freie Aufnahmekapazität auf der einen Seite und nötige Mindestladung auf der anderen Seite ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

1 Kraftfahrzeug

2 Brennstoffzellenanordnung

3 Traktionseinheit

3a Batterie

4, 24 Brennstoffzelle

5, 25 Wasserstofftank

6, 26 Kompressor

7 Brenner

20 Brennstoffzellenanordnung 28 Kühler