Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines Brennstoffzellensystems und Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.

Aus Nachhaltigkeits- und Umweltschutzgründen werden zunehmend Fahrzeug elektrifiziert. Zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie weisen solche Fahrzeuge typischerweise Traktionsbatterien und/oder ein Brennstoffzellensystem auf. Als lOEnergieträger wird von einem solchen Brennstoffzellensystem typischerweise Wasserstoff verwendet, welcher zusammen mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Durch das Bevorraten eines chemischen Energieträgers lassen sich größere Reichweiten erzielen, als mit einem reinen batterieelektrischen Antrieb.

Damit Reaktionsvorgänge innerhalb des Brennstoffzellensystems ablaufen können, ist dieses vor Inbetriebnahme aufzutauen beziehungsweise auf eine Betriebstemperatur aufzuwärmen.

Um das Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs auf Betriebstemperatur aufzuheizen, verfügt ein solches Fahrzeug typischerweise über ein separates und vergleichsweise leistungsstarkes und damit teures Heizgerät. Die Integration des Heizgeräts in das Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs ist zudem mit weiteren Kosten verbunden. Die von einem solchen Heizgerät erzeugbare Heizleistung liegt in einer Größenordnung von 10 kW, was dazu führt, dass der Aufwärmvorgang des Brennstoffzellensystems einige Zeit benötigt, insbesondere im Winter. Somit kann es mehrere Minuten dauern, bis ein entsprechendes Fahrzeug seine Fahrt antreten kann. Ferner sind aus dem Allgemeinen Stand der Technik Sekundärbremssysteme für Nutzfahrzeuge bekannt. Ein solches Sekundärbremssystem kann beispielsweise einen sogenannten Retarder oder Bremschopper umfassen, mit dessen Hilfe ein Primärbremssystem, beispielsweise eine Reibungsbremse, entlastet werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Fahrzeug bei einer längeren Fahrt entlang eines Gefälles auf einer konstanten Geschwindigkeit zu halten ist.

Bei einem Retarder handelt es sich um eine hydrodynamische Bremse. Beim Zuschalten des Retarders wird Wellenleistung vom Antriebsstrang des Fahrzeugs an einen von Flüssigkeit umgebenen Rotor abgegeben, der aufgrund von Reibung zwischen Rotor und Flüssigkeit ein Bremsmoment auf den Antriebsstrang rücküberträgt. Zur Erhöhung der Bremswirkung weist ein solcher Rotor typischerweise Flügel bzw. Schaufeln auf. Durch die Reibung heizt sich dabei die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, stark auf.

Bei einem Bremschopper handelt es sich um ein elektronisches System zum Dissipieren überschüssiger elektrischer Energie. Zum Bremsen eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs kann der Elektromotor in einem Generatormodus betrieben werden. Hierdurch wird ein Bremsmoment auf den Antriebsstrang des Fahrzeugs übertragen und zudem Strom erzeugt. Diese elektrische Energie kann zum Laden einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs genutzt werden. Ist die Traktionsbatterie vollgeladen bzw. übersteigt die vom Generator erzeugt elektrische Leistung eine zum Laden der Traktionsbatterie nutzbare Leistung, so wird überschüssige elektrische Leistung mit Hilfe des Bremschoppers an Widerständen in Wärme gewandelt.

Die von einem Retarder und/oder einem Bremschopper dissipierte Wärmeenergie ist abzuführen, um ein Überhitzen der jeweiligen Komponente zu verhindern. Hierzu sind der Retarder bzw. der Bremschopper typischerweise in ein Fahrzeug-Kühlsystem integriert.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Nutzung von mit einem Retarder oder einem Bremschopper dissipierter Abwärme zum Aufheizen von Fahrzeugkomponenten bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 43 92 959 B4 ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Retarder, bei dem der Retarder zum schnellen Aufheizen des Verbrennungsmotors auf Betriebstemperatur genutzt wird.

Hierzu wird bei einem stehenden Fahrzeug der Verbrennungsmotor gestartet und zum Antreiben des Retarders genutzt. Zum einen erhitzt sich der Verbrennungsmotor aufgrund des vom Retarder ausgeübten Gegenmoments schneller, zum anderen wird die vom Retarder abgegebene Wärmeleistung zur zusätzlichen Aufheizung des Verbrennungsmotors genutzt. Das schnelle Aufheizen des Verbrennungsmotors hat den Vorteil, dass dieser seine Betriebstemperatur schneller erreicht, wodurch der Ausstoß von Emissionen reduziert wird. Hat der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht, wird der Retarder automatisch vom Antriebsstrang des Fahrzeugs getrennt.

Ein ähnliches Verfahren bzw. eine ähnliche Vorrichtung ist zudem aus der WO 2007/064381 A2 bekannt. Das Fahrzeug ist hierbei als hybridelektrisches oder rein elektrisch antreibbares, schweres Nutzfahrzeug ausgeführt. Von einem Bremschopper abgegebene Wärmeleistung wird zum Vorwärmen eines Motors des Fahrzeugs oder zur Klimatisierung einer Fahrerkabine genutzt. Der an den Widerständen dissipierte Strom wird dabei von einem Generator bereitgestellt, welcher beispielsweise durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben wird. Ebenfalls kann der Strom aus einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs entnommen oder aus einer externen Energiequelle, wie einer über ein Stromkabel an das Fahrzeug angeschlossene Ladesäule, entnommen werden. Bei einem rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeug kann der Strom auch durch regeneratives Bremsen durch Betreiben der Antriebsmaschine des Fahrzeugs in einem Generatorbetrieb gewonnen werden. Auch offenbart die Druckschrift das Verwenden eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung der elektrischen Energie.

Eine ähnliche Vorrichtung zur Aufheizung von Fahrzeugkomponenten ist ferner aus der WO 2008/147305 A1 bekannt. Die hier von einem Bremschopper abgegebene Wärmeleistung wird zum Vorwärmen bzw. Temperieren eines Brennstoffzellensystems verwendet und lässt sich bei Bedarf in einem Kondensator Zwischenspeichern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit dessen Hilfe von einem Sekundärbremssystem eines Fahrzeugs bereitgestellten Wärmeleistung zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur genutzt wird, wobei das Verfahren ein besonders schnelles, energieeffizientes und damit nachhaltiges Aufheizen des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.

Bei einem Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß mit dem Fahrzeug eine geplante Fahrt durchgeführt, wobei das Fahrzeug während der Fahrt zu einem Umschaltzeitpunkt von einem batterieelektrischen Betrieb in einen Brennstoffzellenbetriebsmodus schaltet, indem eine zum Antreiben des Fahrzeugs erforderliche Antriebsenergie vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wobei vor Fahrtantritt eine Analyse der geplanten Fahrt erfolgt, um eine während eines Zeitabschnitts der Fahrt vom Sekundärbremssystem beziehbare Wärmemenge zu ermitteln, und wobei der Umschaltzeitpunkt in Abhängigkeit der beziehbaren Wärmemenge festgelegt wird und/oder vor Fahrtantritt mit dem Aufheizen des Brennstoffzellensystems begonnen wird, um sicherzustellen, dass das Brennstoffzellensystem beim Erreichen des Umschaltzeitpunkts die Betriebstemperatur erreicht hat.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum einen ein besonders nachhaltiges und energieeffizientes Aufheizen des Brennstoffzellensystems, und zum anderen ein besonders frühes Starten eines stehenden Fahrzeugs ermöglicht. Durch die Analyse der Fahrt wird ermittelt, wann und mit welcher Leistung das Sekundärbremssystem betreibbar ist und welche Wärmemenge vom Sekundärbremssystem bezogen werden kann. Hierzu wird beispielsweise eine von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt reichende Fahrtroute ausgewertet, wodurch Streckenabschnitte ermittelt werden, an denen das Fahrzeug bremsen muss. Hierzu zählen beispielsweise Gefälle, Ampeln, Kreuzungen, Einmündungen oder dergleichen. Zum Umschaltzeitpunkt wird vom batterieelektrischen Betrieb in den Brennstoffzellenbetriebsmodus geschaltet. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem beim Erreichen des Umschaltzeitpunkts seine Betriebstemperatur erreicht haben muss. Reicht die vom Sekundärbremssystem gewonnene Wärmemenge nicht aus, um zum Umschaltzeitpunkt die Betriebstemperatur zu erreichen, so wird das Brennstoffzellensystem bereits vor Fahrtantritt erwärmt. Durch die Analyse der vom Sekundärbremssystem bereitstellbaren Wärmemenge während der Fahrt ist es hierdurch möglich, die vor Fahrtbeginn zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems notwendige Wärmemenge zu reduzieren. Somit lässt sich zum einen erreichen, dass ein besonders hoher Anteil durch das Abbremsen des Fahrzeugs regenerativ gewonnener Energie zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems genutzt wird. Zum anderen wird eine zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems im Stilstand des Fahrzeugs erforderliche Zeitdauer reduziert, was ein schnelleres Starten und Abfahren mit dem Fahrzeug ermöglicht. Dabei ist es auch möglich, den Umschaltzeitpunkt zeitlich nach vorne oder hinten zu verlegen, um entsprechend weniger oder mehr vom Sekundärbremssystem abgegebenen Wärmemenge während der Fahrt mit dem Fahrzeug zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems zu nutzen.

Startet das Fahrzeug beispielsweise von einer vergleichsweise hohen Startposition wie einem Parkplatz in den Alpen und fährt zu einem tiefgelegenen Ziel, beispielsweise einem Hafen am Meer, so ist es beispielsweise möglich, sämtliche zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur erforderliche Wärme vom Sekundärbremssystem zu beziehen, was ein sofortiges Starten des Fahrzeugs ohne voriges Erwärmen des Brennstoffzellensystems im Stand ermöglicht.

Da zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems das ohnehin vom Fahrzeug umfasste Sekundärbremssystem verwendet wird, kann auf ein zusätzliches und kostspieliges Heizsystem verzichtet werden. Somit lässt sich das Fahrzeug einfacher ausführen und Herstellungskosten reduzieren. Ein entsprechendes Sekundärbremssystem umfasst wenigstens einen Retarder und/oder wenigstens einen Bremschopper, der oder die in einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs integriert ist/sind. Der Kühlkreislauf umfasst wiederum Rohre, Pumpen, Ventile, Wärmetauscher und dergleichen, mit deren Hilfe vom Sekundärbremssystem erzeugte Wärme dem Brennstoffzellensystem zum Aufheizen zugeführt wird.

Das Aufheizen des Brennstoffzellensystems im Stand erfolgt ebenfalls über das Sekundärbremssystem, sprich den Retarder und oder den Bremschopper. So kann entweder elektrische Energie an Widerständen in Wärme dissipiert werden und/oder von einer elektrischen Antriebsmaschine mechanische Leistung in Form von Wellenleistung erzeugt werden, die zum Antreiben des Retarders verwendet wird. Da ein solcher Retarder eine typische Bremsleistung in einer Größenordnung von mehreren hundert Kilowatt aufweist, ist zudem eine noch schnellere Aufheizung des Brennstoffzellensystems möglich, als bei Anwendung eines separat hierzu vorgesehenen elektrischen Heizgeräts. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Analyse der Fahrt auf einer fahrzeuginternen oder einer fahrzeugexternen Recheneinheit erfolgt. Beispielsweise kann das Fahrzeug ein Navigationssystem umfassen, in das eine das Fahrzeug nutzende Person die geplante Fahrt einprogrammiert. Daraufhin kann das Navigationssystem bzw. ein mit dem Navigationssystem kommunizierender Rechner die Fahrt auswerten und die vom Sekundärbremssystem beziehbare Wärmemenge ermitteln. Es ist auch möglich, dass die Analyse der Fahrt auf einer fahrzeugexternen Recheneinheit erfolgt. Die fahrzeugexterne Recheneinheit kann beispielsweise von einem Cloudserver eines Dienstleistungsanbieters ausgebildet sein. Bei dem Dienstleistungsanbieter handelt es sich beispielsweise um einen Fahrzeughersteller. Hierzu stehen das Fahrzeug und die fahrzeugexterne Recheneinheit in drahtloser Kommunikationsverbindung. Die Kommunikation kann beispielsweise über Mobilfunk, WiFi, Bluetooth, NFC oder dergleichen erfolgen.

Die Analyse der Fahrt auf der fahrzeugexternen Recheneinheit hat den Vorteil, dass rechenstarke Hardwarekomponenten verwendet werden können, was ein besonders schnelles Analysieren der Fahrt ermöglicht. Zudem lassen sich von einer Fahrzeugflotte durchzuführende Fahrten analysieren, wodurch die fahrzeugexterne Recheneinheit auf einen vergleichsweise großen Datensatz zurückgreifen kann. Dabei ist es generell auch möglich, dass die Fahrzeuge beim Durchführen einer entsprechenden Fahrt mit Hilfe von Sensorik eine tatsächlich über die Fahrt mit dem Sekundärbremssystem generierte Wärmemenge erfassen und einem entsprechenden Streckenabschnitt zuordnen. Hierdurch lässt sich eine Genauigkeit mit der die während der Fahrt erzeugbare Wärmemenge abgeschätzt wird, verbessern.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Teil der während eines Bremsvorgangs des Fahrzeugs vom Bremschopper rückgewonnenen Energie zum Laden einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs verwendet. Somit ist es möglich, während eines Bremsvorgangs sowohl das Brennstoffzellensystem zu erwärmen, als auch elektrische Energie zum Laden der Traktionsbatterie bereitzustellen. Dies erhöht eine Flexibilität zum Bestimmen des Umschaltzeitpunkts, in dem vom batterieelektrischen Betrieb in den Brennstoffzellenbetriebsmodus geschaltet wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass eine Aufheizung des Brennstoffzellensystems im Stand des Fahrzeugs unter Berücksichtigung eines aktuellen oder künftigen Ladestands der Traktionsbatterie erfolgt. In Abhängigkeit des Ladestands der Traktionsbatterie ist ein frühzeitiges oder späteres Schalten vom reinen batterieelektrischen Betrieb des Fahrzeugs in den Brennstoffzellenbetriebsmodus notwendig. Ist die Traktionsbatterie erschöpft, so muss das Brennstoffzellensystem seine Betriebstemperatur erreicht haben, um die zum Antreiben der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs erforderliche Energie bereitstellen zu können. Steht nach Fahrtbeginn somit beispielsweise nur eine vergleichsweise geringe Restkapazität der Traktionsbatterie zur Verfügung, so liegt der Umschaltzeitpunkt vergleichsweise früh, wodurch auch das Brennstoffzellensystem vergleichsweise kurz nach Fahrtbeginn seine Betriebstemperatur erreicht haben muss. Dies führt dazu, dass ein Großteil der zum Aufheizen des Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur erforderliche Wärmemenge im Stand des Fahrzeug aufgebracht werden muss. Mit dem Aufheizvorgang des Brennstoffzellensystems wird dabei so früh begonnen, dass das Abfahren vom Startort mit dem Fahrzeug zu einer geplanten Startzeit ermöglicht wird bzw. eingehalten werden kann. Hierdurch lassen sich Zeitpläne besonders zuverlässig einhalten.

Insbesondere werden der Ladestand der Traktionsbatterie und die Aufheizung des Brennstoffzellensystems so aufeinander abgestimmt, dass der Umschaltzeitpunkt vom batterieelektrischen Betrieb in den Brennstoffzellenbetriebsmodus dann erfolgt, wenn der Ladestand der Traktionsbatterie erschöpft ist bzw. einen kritischen Mindestwert erreicht hat. Hierdurch können etwaige Ladezeiten des Fahrzeugs an einer Ladesäule während der Stillstandzeit verkürzt werden, was ein noch schnelleres Abfahren des Fahrzeugs ermöglicht.

Ist die Traktionsbatterie vor Fahrtantritt vollgeladen oder über einen kritischen Wert geladen, so ist es auch denkbar, das Brennstoffzellensystem während der Fahrt mittels des Retarders aufzuheizen und zusätzlich Strom aus der Traktionsbatterie zu entnehmen und das Brennstoffzellensystem zusätzlich mittels des Bremschoppers zu erwärmen.

Erfordert die Fahrstrecke des Fahrzeugs entlang eines vergleichsweise langen

Wegstücks keinen Bremsvorgang, so kann mit dem Sekundärbremssystem auch keine regenerativ gewonnene Wärme zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems generiert werden. Der Bremschopper lässt sich jedoch mit Energie aus der Traktionsbatterie versorgen, was ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems während einer Fahrt ohne Bremsvorgang ermöglicht. Dies ermöglicht es, die Aufheizzeitdauer des Brennstoffzellensystems vor Fahrtantritt noch weiter zu reduzieren, wodurch Taktzeiten mit dem Fahrzeug noch zeiteffizienter eingehalten werden können. Ferner lässt sich so verhindern, dass bei einer Fahrt entlang einer Strecke bei der nur vergleichsweise wenig gebremst werden muss, das Brennstoffzellensystem nicht auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden konnte, falls das Brennstoffzellensystem im Stand des Fahrzeugs, beispielsweise aus Zeitgründen nicht ausreichend vorgewärmt werden konnte.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden in der Analyse der Fahrt neben einer Auswertung einer geplanten Fahrtroute und eines dazugehörigen Streckenprofils auch etwaige Standzeiten des Fahrzeugs berücksichtigt. Solche Standzeiten resultieren beispielsweise aus Pausenzeiten einer fahrzeugführenden Person, Tankstops, Ladestops oder auch dem Be- und/oder Entladen des Fahrzeugs, beispielsweise an einem auf der Fahrtroute liegenden Betriebshof. In Abhängigkeit einer Zeitdauer während der das Fahrzeug steht, kühlt sich das Brennstoffzellensystem eventuell wieder unter die Betriebstemperatur ab. Dementsprechend ist dem Brennstoffzellensystem erneut eine Wärmemenge zum Erreichen der Betriebstemperatur zuzuführen. Unter Berücksichtigung der Standzeiten lässt sich somit die Gefahr reduzieren, dass das Brennstoffzellensystems nicht auf die Betriebstemperatur aufgewärmt werden kann. Analog kann hierdurch ein gezielter Ladestand der Traktionsbatterie am Ende einer Standzeit erreicht werden, wodurch der auf die Standzeit folgende Umschaltzeitpunkt flexibel zeitlich nach vorne oder hinten verschoben werden kann.

Bevorzugt wird eine zur Energiewandlung mit dem Sekundärbremssystem erforderliche Energie von einer fahrzeuginternen und/oder fahrzeugexternen Energiequelle bezogen. Bei der fahrzeuginternen Energiequelle kann es sich beispielsweise um die Traktionsbatterie, ein Solarmodul, ein Windrad, einen Kondensator, einen Generator oder dergleichen handeln. Bei der fahrzeugexternen Energiequelle kann es sich beispielsweise um ein öffentliches oder privates Stromnetz handeln. Die Energie kann dabei in Form von elektrischer Energie bereitgestellt werden, um mittels des Bremschoppers Wärme zu erzeugen und/oder es kann sich bei der Energie um mechanische Energie handeln, um mittels des Retarders Wärme zu erzeugen. Generell ist es auch denkbar, dass das Fahrzeug neben einem Elektromotor auch einen Verbrennungsmotor aufweist, mit dessen Hilfe Wellenleistung erzeugt werden kann, um den Retarder anzutreiben. Dabei ist es generell auch möglich, dass das Fahrzeug beispielsweise über eine Ladesäule kabelgebunden Strom aus dem privaten oder öffentlichen Stromnetz bezieht und mittels des so bezogenen Stroms sowohl die Traktionsbatterie lädt, als auch Wärme mittels des Bremschoppers erzeugt. Auch kann ein Elektromotor des Fahrzeugs angetrieben werden, um mechanische Energie zum Betreiben des Retarders zu gewinnen.

Bei einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, einem Sekundärbremssystem und einer Recheneinheit sind erfindungsgemäß das Brennstoffzellensystem, das Sekundärbremssystem und die Recheneinheit dazu eingerichtet, ein im vorigen beschriebenes Verfahren auszuführen. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Straßen- oder Schienenfahrzeug handeln. Das Sekundärbremssystem umfasst wenigstens einen Retarder und/oder einen Bremschopper. Bei der Recheneinheit kann es sich beispielsweise um einen zentralen Bordcomputer, ein Steuergerät eines Fahrzeuguntersystems, eine Telematikeinheit oder dergleichen handeln. Die Recheneinheit ist dazu in der Lage, die mit dem Fahrzeug geplante Fahrt zu analysieren und das Sekundärbremssystem so anzusteuern, dass vom Sekundärbremssystem generierte Wärme zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Hierzu sind das Brennstoffzellensystem und das Sekundärbremssystem in einen gemeinsamen Kühlkreislauf des Fahrzeugs integriert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Fahrzeugs sieht vor, dass dieses als Nutzfahrzeug ausgeführt ist. Nutzfahrzeuge weisen typischerweise vergleichsweise große Dimensionen und eine vergleichsweise hohe zulässige Zuladung auf. Ferner müssen Nutzfahrzeuge typischerweise große Distanzen zurücklegen. Aus diesen Gründen eignen sich Nutzfahrzeuge besonders zum Vorsehen eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie. Ein im vorigen beschriebenes Verfahren zur intelligenten Aufheizung eines solchen Brennstoffzellensystems lässt sich somit besonders gewinnbringend bei Nutzfahrzeugen einsetzen.

Bevorzugt ist das Fahrzeug dabei als LKW, Transporter oder Omnibus ausgeführt.

Gemäß einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung des Fahrzeugs ist dieses zumindest teilautomatisiert steuerbar. Dies ermöglicht auch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei vollautonomen LKWs, die beispielsweise in einem sogenannten Hub-to-Hub Betrieb betrieben werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur intelligenten Aufheizung des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs; und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 2, hier in Form eines LKW. Das Fahrzeug 2 verfügt über einen elektrischen Antriebsstrang 11 mit zwei Elektromotoren 6. Zum Abbremsen des Fahrzeugs 2 lassen sich die Elektromotoren 6 in einem Generatormodus betreiben. Zur Versorgung mit elektrischer Antriebsenergie sind die Elektromotoren 6 an ein Hochvoltnetz 7 angeschlossen und können hierüber Energie von einer Traktionsbatterie 5 und/oder einem Brennstoffzellensystem 1, insbesondere in Form eines PEM-Brennstoffzellensystems, empfangen. Ferner weist das Fahrzeug 2 eine Ladeschnittstelle 8 auf, über die das Fahrzeug 2 von einer Ladesäule 9 Energie beziehen kann.

Zum korrekten und energieeffizienten Betrieb muss das Brennstoffzellensystem 1 auf die richtige Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Eine hierzu erforderliche Wärmemenge wird von einem Sekundärbremssystem 3 des Fahrzeugs 2 bereitgestellt. Das Sekundärbremssystem 3 umfasst wenigstens einen Retarder 3.1 und/oder wenigstens einen Bremschopper 3.2. Der Retarder 3.1 und der Bremschopper 3.2 sind in einen gemeinsamen Kühlkreislauf 10 integriert, an den auch das Brennstoffzellensystem 1 angeschlossen ist. Analog können weitere Fahrzeugkomponenten wie die Traktionsbatterie 5 und/oder die Elektromotoren 6 an den Kühlkreislauf 10 angeschlossen sein (nicht dargestellt). Ferner wurde auf eine Darstellung weiterer Zusatzkomponenten wie Rohre, Pumpen, Ventile, Wärmeübertrager oder dergleichen verzichtet. Zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 wird Strom an Widerständen des Bremschoppers 3.2 in Wärme dissipiert, welche an ein durch den Kühlkreislauf 10 strömendes Kühlmittel übertragen wird. Zusätzliche oder alternativ lässt sich der Kühlkreislauf 10 und damit das Brennstoffzellensystem 1 auch über den Retarder 3.1 erwärmen. Hierzu greift der Retarder 3.1 Wellenleistung vom Antriebsstrang 11 des Fahrzeugs 2 ab, wodurch ein von Fluid umgebenes Flügel- bzw. Schaufelrad in Rotation versetzt wird. Aufgrund von Reibung zwischen dem Flügel- bzw. Schaufelrad und den das Rad umgebene Fluid heizt sich das Fluid auf. Die hierbei entstehende Abwärme wird ebenfalls an dem Kühlkreislauf 10 übergeben. Der Retarder 3.1 kann während der Fahrt des Fahrzeugs 2 oder auch im Stand betrieben werden. Im Stand werden die Räder 12 des Fahrzeugs 2 von einer Wirkverbindung mit den Elektromotoren 6 entkoppelt und das von den Elektromotoren 6 erzeugte Drehmoment in den Retarder 3.1 geleitet. Entsprechende Schaltvorgänge finden innerhalb eines Getriebes, beispielsweise in Form einer sogenannten E-Achse 15, statt.

Zur Steuerung des Aufwärmvorgangs des Brennstoffzellensystems 1 umfasst das Fahrzeug 2 ferner eine zentrale, interne Recheneinheit 4.1 , welche über einzelne Steuergeräte 13 an Fahrzeuguntersysteme angeschlossen ist. Ferner weist das Fahrzeug 2 eine Kommunikationsschnittstelle 14 auf, über die das Fahrzeug 2 Daten mit einer fahrzeugexternen Recheneinheit 4.2, hier in Form eines Back-Ends bzw. einer Cloud austauscht.

Ein Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 veranschaulicht. In einem Verfahrensschritt 201 wird ein Reiseplan einer geplanten Fahrt mit dem Fahrzeug 2 in die interne oder externe Recheneinheit 4.1 , 4.2 eingegeben. Der Reiseplan umfasst neben einer Fahrtroute auch planmäßige Abfahrts-, Ankunfts- und/oder Pausezeiten, sowie eventuelle weitere Standzeiten des Fahrzeugs 2.

Im Verfahrensschritt 202 wird der Reiseplan ausgewertet. Durch eine Analyse der geplanten Fahrstrecke können Abschnitte der Wegstreck identifiziert werden, an denen das Fahrzeug 2 voraussichtlich bremst. Durch Berücksichtigung weiterer Fahrparameter wie eine dabei vorliegende erwartete Fahrzeuggeschwindigkeit und eine Bremsweglänge lässt sich eine mit Hilfe des Sekundärbremssystems 3 erzeugbare Wärmemenge abschätzen, die zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 auf Betriebstemperatur verwendet wird. Im Verfahrensschritt 203, welcher generell auch gleichzeitig oder vor dem Verfahrensschritt 202 ausführbar ist, werden weitere Fahrzeugparameter wie ein Ladestand der Traktionsbatterie 5, ein eingestecktes Ladekabel einer Ladesäule 9 in die Ladeschnittstelle 8, ein Tankinhalt eines nicht dargestellten Wasserstofftanks, eine aktuelle Temperatur des Kühlkreislaufs 10 und/oder des Brennstoffzellensystems 1 oder dergleichen analysiert.

Im Verfahrensschritt 204 wird ein Umschaltzeitpunkt zum Wechsel eines rein batterieelektrischen Betriebsmodus des Fahrzeugs 2 in einen Brennstoffzellenbetriebsmodus während der durchzuführenden Fahrt festgelegt. Dieser Umschaltzeitpunkt wird so gewählt, dass das Fahrzeug 2 seine Reise in Übereinstimmung mit dem Reiseplan so antreten kann, dass unter Minimierung potentieller Verzögerungen ein vorgegebener Zeitplan möglichst zeiteffizient eingehalten werden kann. Dies umfasst auch ein möglichst schnelles Abfahren des Fahrzeugs 2 von seinem Startort. Zusätzlich wird der Umschaltzeitpunkt so gewählt, dass nach Möglichkeiten ein Energieverbrauch zum Antreiben des Fahrzeugs minimiert wird. Hierzu ist neben der reinen Antriebsenergie auch eine zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 erforderliche Energiemenge zu berücksichtigen.

Ferner kann der Umschaltzeitpunkt so festgelegt werden, dass zur Durchführung der Fahrt anfallende Kosten minimiert werden. Kann beispielsweise über die Ladesäule 9 Strom zu einem besonders günstigen Tarif bezogen werden, so wird die Traktionsbatterie 5 möglichst vollgeladen und das Brennstoffzellensystem 1 im Stand des Fahrzeugs 2, in Übereinkunft mit dem einzuhaltenden Zeitplan mittels des Sekundärbremssystems 3 vor Abfahrt aufgewärmt. Ist der über die Ladesäule 9 beziehbare Strom hingegen vergleichsweise teuer, so erfolgt bevorzugt das Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 während der Fahrt. Das Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 während der Fahrt hat zudem den Vorteil, dass das Fahrzeug 2 frühzeitig abfahren kann.

Im Verfahrensschritt 205 wird geprüft, ob während der Fahrt vom Sekundärbremssystem 3 genügend Wärme bereitgestellt werden kann, um das Brennstoffzellensystem 1 beim Erreichen des Umschaltzeitpunkts auf die Betriebstemperatur aufzuheizen. Ist dies nicht der Fall, so wird im Verfahrensschritt 206 mit einem Vorheizen des Brennstoffzellensystems 1 im Stand begonnen. Im Verfahrensschritt 210 beginnt die Fahrt mit dem Fahrzeug 2. Wurde mit der Fahrt begonnen, bevor das Brennstoffzellensystem 1 aufgewärmt wird, so wird im Verfahrensschritt 211 mit dem Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 begonnen.

Im Verfahrensschritt 212 erreicht das Brennstoffzellensystem 1 seine Betriebstemperatur, woraufhin im Verfahrensschritt 213 gemäß des Umschaltzeitpunkts in den Brennstoffzellenbetriebsmodus gewechselt wird.

Durch die Analyse der geplanten Fahrt bzw. des Reisplans und der Fahrzeugparameter wie dem aktuellen Ladestatus der Traktionsbatterie 5, wird es dem Fahrzeug 2 ermöglicht, besonders früh abzufahren, da das Brennstoffzellensystem 1 auch während der Fahrt auf die Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. Die Standzeit des Fahrzeugs 2 kann zudem weiter reduziert werden, indem die Traktionsbatterie 5 lediglich soweit geladen wird, dass die Traktionsbatterie 5 beim Erreichen des Umschaltzeitpunkts erschöpft ist bzw. einen kritischen Ladezustand erreicht hat. Zudem wird der Umschaltzeitpunkt so festgelegt, dass die zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystem 1 erforderliche Wärmemenge besonders nachhaltig und damit umweltschonend gewonnen wird. Hierdurch lassen sich Kosten senken. Zur Wärmegewinnung wird das ohnehin vorhandene Sekundärbremssystem 3 verwendet, wodurch auf ein kostspieliges separates Heizsystem verzichtet werden kann.