BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen- Fahrzeuges, umfassend die Schritte: a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke, b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzel lenvorrichtung und einer Batterie bestimmen, c) Bestimmung einer Geschwindigkeit Vsoii, die gleichmäßig über die vo raus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen er reicht werden kann, d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit Vsoii er forderlich ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug. Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu er zeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die soge nannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenlei tenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist.

Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brenn stoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von Fte zu H ⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch iso liert, erfolgt ein Transport der Protonen H ⁺ aus dem Anodenraum in den Ka thodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O ² unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transpor tierten Protonen unter Bildung von Wasser.

Wird eine derartige Brennstoffzellenvorrichtung in einem Brennstoffzellen- Fahrzeug verwendet für die Versorgung eines elektrischen Traktionsmotores, oder auch in Hybrid-Fahrzeugen als Range-Extender, so liegen häufig und schnell wechselnde Anforderungen an die Brennstoffzellenvorrichtung vor. In einem Normalbetrieb steht dabei stets die volle Leistung der Brennstoffzel lenvorrichtung zur Verfügung, wobei aber aufgrund der Rahmenbedingun gen ein Derating, also eine Leistungsreduktion erforderlich werden kann, um Schäden an der Brennstoffzellenvorrichtung oder auch einer Batterie vorzu beugen.

In der JP 2011232241 A wird ein Verfahren beschrieben, wie bei einem bat terie-elektrischen Fahrzeug in Abhängigkeit des Ladezustandes durch ein Navigationssystem eine Routenauswahl erfolgt. In der JP 2005218178 A wird beschrieben, wie neben der Ladezustandskontrolle für die eigene Batte rie für die Verbrauchskontrolle auch Verbrauchsinformationen von anderen Fahrzeugen ausgewertet werden, die bereits Abschnitte der gewünschten Strecke zurück gelegt haben. Für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist in DE 601 24 090 T2 offenbart, wie die Brennstoffzellenvorrichtung auf einem vor bestimmten Soll-Ausgangswert betrieben und ein Unterschied im Energiebe darf durch eine Batterie ausgeglichen wird, wobei die Änderungsrate des Energiebedarfs erfasst und der Soll-Ausgangswert für den Energiebedarf modifiziert wird, wenn die Änderungsrate einen Schwellwert überschreitet. Bei großen Steigungen oder großer Hitze kann es sich bei Fahrzeugen mit einer Brennstoffzellenvorrichtung ergeben, dass die anfänglich bereit gestell te Leistung mit der daraus resultierenden Geschwindigkeit nicht für den ge samten Streckenabschnitt bereit gestellt werden kann, da die von der Brenn stoffzellenvorrichtung und der Batterie unter Berücksichtigung einer Scho nung der Komponenten bereit gestellte Leistung nicht ausreicht. Der Nutzer des Fahrzeugs spürt dann einen starken Geschwindigkeitseinbruch, was die Kundenakzeptanz reduziert oder den Kunden an einen Defekt denken lässt, mit einer möglichen Panikreaktion an gefährlichen Streckenabschnitten einer Passfahrt oder einer möglichen Anforderung eines Pannendienstes bezie hungsweise dem Aufsuchen einer Werkstatt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben ei nes Brennstoffzellen-Fahrzeuges anzugeben, mit dem diese Nachteile besei tigt oder zumindest gemildert werden. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des An spruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiter bildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass in Kenntnis der zurück zu legenden Strecke und in Abhängigkeit der verfügbaren Leistung und des Ladezustandes der Batterie ein Geschwindigkeitsverlauf entlang der Strecke bestimmt werden kann, bei dem nur eine reduzierte Geschwindigkeit freigegeben ist, so dass ein zu keinem starken Einbruch der Leistungsver fügbarkeit und der damit erzielbaren Geschwindigkeit kommt. Bei geeigneter Wahl von Vsoii lässt sich ein Geschwindigkeitseinbruch vollständig vermei den. Der häufigste Anwendungsfall sind dabei große Steigungen, aber der Nutzen ist nicht darauf beschränkt, da auch beispielsweise die Fahrbahnbe schaffenheit die Fahrwiderstände beeinflussen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn Umgebungsparameter in die Bestimmung der Leistungsfähigkeit nach Schritt b) einbezogen werden, da auch eine gro ße Hitze mit einem erhöhten Kühlungsbedarf die verfügbare Leistung beein flussen kann

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Daten eines Navigationsgerätes und/oder von Verkehrsmeldungen und/oder eines Wetterdienstes bei dem prädiktiven Bestimmen der Fahrwiderstände einbezogen werden. Die an Bord eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges verfügbaren Informationen werden also mög lichst umfassend ausgewertet, so dass der Wert Vsoii präziser bestimmt wer den kann. Neben den Daten des Navigationsgerätes sind Verkehrsmeldun gen zur Verkehrslage mit Stau oder Stop-and-Go-Verkehr bedeutsam, wäh rend der Wetterdienst Aufschluss über Gegen- oder Seitenwind oder die Fahrbahnbeschaffenheit gibt.

Es ist günstig, wenn ein lokales Steuergerät des Brennstoffzellen-Fahrzeugs zur Bestimmung der Geschwindigkeit Vsoii und der Leistung verwendet wird, da so diesbezüglich Autarkie gegeben ist, obwohl es grundsätzlich auch denkbar ist, die Daten extern z.B. in einer Cloud zu sammeln und/oder aus zuwerten, wobei dann aber ein entsprechender Datenverkehr ermöglicht sein muss.

Vorteilhaft ist dabei, wenn eine Höchstgeschwindigkeit Vmax berechnet und freigegeben wird, da so für den Nutzer die Einschränkungen weniger merk lich sind und beispielsweise für Überholvorgänge eine ausreichende Sicher heitsreserve verbleibt. Bei dieser Berechnung kann der Degradationszustand der Brennstoffzellen mit einbezogen werden, so dass gegebenenfalls eine niedrigere Zielgeschwindigkeit Vmax vorgegeben werden muß. Vmax kann da bei aber auch mit Vsoii identisch sein, das heißt, für die gesamte Strecke steht die entsprechende Geschwindigkeit zur Verfügung. Es können dabei durch den Nutzer bedarfsweise auch Zwischeneinstellungen getroffen werden, bei denen Geschwindigkeitsreduktionen beispielsweise in Kurven und engen Kehren oder an besonders steilen Streckenabschnitten zugelassen werden. Der Gebrauchswert und die Nutzerfreundlichkeit werden gesteigert, wenn iterativ bei dem Abfahren der ausgewerteten Strecke eine Neubestimmung von Vsoii erfolgt für den Rest der voraus liegenden Strecke erfolgt, und wenn bei dem Abfahren der Strecke das aktuelle Verkehrsgeschehen mit den tat sächlichen Fahrwiderständen einbezogen wird.

Auch ist es günstig, wenn eine Verkehrszeichenerkennung genutzt wird für die Bestimmung der Fahrwiderstände, um so in dem Navigationssysteme nicht bekannte Fakten wie Baustellen berücksichtigen zu können.

Besonders bevorzugt ist auch, wenn bei der Bestimmung Geschwindigkeit Vsoii eine Belastung der Batterie einbezogen wird, also die Leistungsentnah me zum dauerhaften von Vsoii so bestimmt wird, dass eine Degradation der Batterie vermieden ist oder eine bereits erfolgte Degradation bei der Be stimmung der verfügbaren Leistung einfließt.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät, das eingerich tet ist zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs

(schematisch gezeigt),

Fig. 2 eine zeitabhängige Darstellung der erreichbaren Geschwindig- keit, für den Fall eines Deratings (strichlierte Linie) und für den

Fall der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (durchgezogene Linie), und

Fig. 3 eine zeitabhängige Darstellung des Ladezustandes (state of Charge SOC) der Batterie für den Fall eines Deratings (strich- lierte Linie) und für den Fall der Anwendung des erfindungsge mäßen Verfahrens (durchgezogene Linie).

In Figur 1 ist eine über eine Kommunikationsverbindung 8 mit einem Naviga- tionssystem 2 verbundene Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, welche ei nen Brennstoffzellenstapel 5 umfasst, der eine Mehrzahl von in Reihe ge schalteten Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 und das Navigationssystem 2 sind Teile eines nicht näher dargestellten Brenn stoffzellenfahrzeugs.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Memb ran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluo- rethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hyd- rocarbon-Membran gebildet sein.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasser stoff) aus einem Brennstofftank zugeführt werden. In einer Polymerelektro- lytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektro nen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 — > 4 FT + 4e ^_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Strom kreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Bei spiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H ⁺ + 4e ^_ — > 2H2O (Re duktion/Elektronenaufnahme).

Die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 1 versorgt mindestens einen Fahr motor des Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit elektrischer Leistung. Ergänzend ist vorliegend auch eine nicht näher dargestellte Batterie für die elektrische Versorgung des Fahrmotors vorhanden, so dass ein hybrides System aus Brennstoffzelle und Batterie vorliegt, bei dem die verfügbare Leistung durch das Zusammenwirken von der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und der Batterie bestimmt ist und bei hohen Leistungsanforderungen, die nicht allein durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 gedeckt werden können, ergänzend auch die Batterie genutzt werden kann. Zu beachten ist, dass bei hohen Leis tungsanforderungen, z.B. bei Passfahren, die Leistungsabgabe der Brenn stoffzellenvorrichtung 1 aus thermischen Gründen begrenzt werden muss und somit die im Tal gewählte Geschwindigkeit nicht gehalten werden kann. Um die damit verbundenen Nachteile, insbesondere für den Nutzer oder in der Nutzerwahrnehmung zu vermeiden, kann ein Verfahren genutzt werden, das die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Prädiktives Bestimmen der zu erwartenden Fahrwiderstände auf einer voraus liegenden Strecke, b) Erfassen von Parameter, die die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzel lenvorrichtung 1 und einer Batterie und ggfs die Abwärme bestimmen, c) Bestimmung einer Geschwindigkeit Vsoii, die gleichmäßig über die vo raus liegende Strecke mit den zu erwartenden Fahrwiderständen er reicht werden kann, d) Begrenzung der durch das Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit gestellten Leistung auf den Wert, der zur Erreichung der Geschwindigkeit Vsoii er forderlich ist. Zweckmäßigerweise werden dabei auch Umgebungsparameter in die Be stimmung der Leistungsfähigkeit nach Schritt b) einbezogen, wie die Tempe ratur, die Höhenlage.

Die Genauigkeit bei der Bestimmung von Vsoii wird verbessert, indem die Da ten eines Navigationssystems 2 und/oder von Verkehrsmeldungen 7 und/oder eines Wetterdienstes 11 bei dem prädiktiven Bestimmen der Fahr widerstände einbezogen werden.

Die Auswertung der erfassten Daten erfolgt durch ein lokales Steuergerät 10 des Brennstoffzellen-Fahrzeugs zur Bestimmung der Geschwindigkeit Vsoii und der Leistung.

Ergänzend kann auch eine Höchstgeschwindigkeit Vmax berechnet und frei gegeben werden, wobei iterativ bei dem Abfahren der ausgewerteten Stre cke auch eine Neubestimmung von Vsoii erfolgen kann für den Rest der vo raus liegenden Strecke und bei dem Abfahren der Strecke das aktuelle Ver kehrsgeschehen mit den tatsächlichen Fahrwiderständen einbezogen wird und eine Verkehrszeichenerkennung genutzt wird für die Bestimmung der Fahrwiderstände. Zusätzlich kann auch bei der Bestimmung der Geschwin digkeit Vsoii eine Belastung der Batterie einbezogen werden.

In Figur 2 ist der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich. Die strichlierte Linie zeigt den starken Geschwindigkeitseinbruch, der durch ein Derating bei leerer Batterie erfolgen muss, der aber entsprechend der durch gezogenen Linie vermieden wird, wenn die Geschwindigkeit bereits früher begrenzt wird, so dass die verfügbare Leistung gleichmäßig über den ge samten Zeitraum abgegeben wird. Die Figur 3 zeigt den Effekt des Verfah rens auf den Ladezustand der Batterie, die weniger ergänzend für die Leis tungsbereitstellung der Brennstoffzellenvorrichtung benötigt wird. BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Brennstoffzellenvorrichtung

2 Navigationssystem

3 Routenbestimmungseinrichtung 4 Datenempfangseinrichtung

5 Brennstoffzellenstapel

6 GPS-Sensor

7 Verkehrsmeldungen

8 Kommunikationsverbindung 9 Sensor

10 Steuergerät

11 Wetterdienst für Wetterdaten

12 Positionsdaten

13 Verdichter 14 Ladeluftkühler

15 Befeuchter

16 Kathodenzufuhrleitung

17 Kathodenabgasleitung

19 Abgasleitung 22 Anodenzufuhrleitung

26 Brennstoffspeicher