Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem, welches eine erste Verdichtereinheit zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Druckluft, und eine zweite Verdichtereinheit zur Versorgung eines Druckluftsystems des Fahrzeugs mit Druckluft aufweist. Fahrzeuge der vorstehend bezeichneten Art sind allgemein bekannt. Unter einem Druckluftsystem wird erfindungsgemäß die Druckluftarchitektur des Fahrzeugs verstanden, welche über einen oder mehrere Leitungskreise alle sicherheitsrelevanten und auch nicht sicherheitsrelevanten pneumatischen Verbraucher des Fahrzeugs mit Druckluft versorgt, beispielsweise ein pneumatisches Bremssystem und/oder ein pneumatisches Fahrwerk des Fahrzeugs. Aufgrund der besonderen Anforderungen an die Steuerung der Brennstoffzelle verfügen Brennstoffzellensysteme in der Regel über eine eigene dedizierte Verdichtereinheit zur Druckluftversorgung der Brennstoffzelle.

Während die „konventionellen“ Verdichter zur Druckluftversorgung der Druckluftsysteme in der Regel dazu eingerichtet sind, hohe Systemdrücke zu erzeugen, die im Bereich von oberhalb 10 bar, teilweise oberhalb 12 bar oder deutlich darüber liegen können und zum Erreichen dieser Drücke häufig auf Kolbenverdichter mit Drehzahlen im vierstelligen Bereich bei gleichzeitig geringem Durchsatz setzen, weisen die Verdichtereinheiten der Brennstoffzellensysteme üblicherweise Turboverdichter auf, die bei vergleichsweise niedrigen Systemdrücken in der Größenordnung von 5 bar oder weniger sehr viel höhere Durchsätze fördern. Hierzu werden die Verdichtereinheiten Brennstoffzellensysteme üblicherweise im hohen fünfstelligen Drehzahlbereich betrieben. Sowohl die Druckluftversorgung für Druckluftsysteme des Fahrzeugs als auch die Druckluftversorgung der Brennstoffzellensysteme funktionieren grundsätzlich zufriedenstellend. Verdichtereinheiten sind indes, wie auch andere Komponenten im Fahrzeug, elektrische Verbraucher. Im Zuge des Mobilitätswandels wird die notwendige Energie zum Betrieb des Fahrzeugs zunehmend in elektrischer Form im Fahrzeug bereitgestellt und in entsprechenden Energiespeichern vorgehalten. Das Gebot der Energieeffizienz betrifft auch die elektrischen Verbraucher, und dazu zählen die Verdichtereinheiten. Der Bauraumbedarf für die Verdichtereinheiten stellt eine konstruktive Einschränkung dar.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene Herausforderung möglichst weitgehend zu meistern. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Fahrzeug der eingangs bezeichneten Art eine Effizienzsteigerung zu erzielen.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Fahrzeug der eingangs bezeichneten Art, indem die erste Verdichtereinheit einen Auslass aufweist, welcher mittels einer Zweigleitung derart fluidleitend mit einem Einlass der zweiten Verdichtereinheit verbunden ist, dass ein erster Teilstrom der von der ersten Verdichtereinheit ausgegebenen Druckluft der Brennstoffzelle zugeführt wird, und ein zweiter Teilstrom, der von der ersten Verdichtereinheit ausgegebenen Druckluft der zweiten Verdichtereinheit zugeführt wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die zweite Verdichtereinheit, welche für das Druckluftsystem des Fahrzeugs jenseits der Brennstoffzelle zuständig ist, zwar vergleichsweise hohe Drücke erzeugen muss, allerdings nur sehr geringe Durchsatzmengen benötigt, größenordnungsmäßig <1000 l/min bei ca. 12,5 bar am Auslass der zweiten Verdichtereinheit, insbesondere <500 l/min bei ca. 12,5 bar am Auslass der zweiten Verdichtereinheit. Hier setzt die Erfindung an, indem sie den Auslass der ersten Verdichtereinheit mittels der Zweigleitung mit dem Einlass der zweiten Verdichtereinheit verbindet. Die erste Verdichtereinheit wird hiermit zum Vorverdichter für die zweite Verdichtereinheit. Die zweite Verdichtereinheit kann hierdurch bereits ausgehend von einem höheren Druckniveau die Verdichtungsarbeit leisten, was bezogen auf die zweie Verdichtereinheit zu einem signifikant gesenkten Leistungsbedarf führen kann, der umso größer ist, je höher der Druck am Auslass der ersten Verdichtereinheit ist. Dadurch kann die zweite Verdichtereinheit insgesamt deutlich kleiner dimensioniert werden, was sowohl Kostenvorteile, als auch eine Verkleinerung des Bauraums nach sich zieht. Da der erforderliche zusätzliche Durchsatz relativ zum ohnehin von der Brennstoffzelle angeforderten Durchsatz gering ist, muss die erste Verdichtereinheit nicht - oder jedenfalls nicht signifikant - größer dimensioniert werden. Neben der deutlich geringeren Leistungsaufnahme kommen also auch weitere effizienzsteigernde Faktoren hinzu, die sich aus dem In-Reihe-Schalten der ersten Verdichtereinheit des Brennstoffzellensystems und der zweiten Verdichtereinheit des Druckluftsystems ergeben. Die Kostenvorteile betreffen insbesondere die kostenintensiven Bauteile der Verdichtereinheiten, wie beispielsweise die elektrischen Maschinen und Leistungselektronik.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite Verdichtereinheit auslassseitig fluidleitend mit einem Druckluftspeicher verbunden und dazu eingerichtet, die ihr von der ersten Verdichtereinheit zugeführte Druckluft zusätzlich zu verdichten und dem Druckluftspeicher zuzuführen. Je nachdem, wie hoch das Druckniveau an der Auslassseite der zweiten Verdichtereinheit ist, kann es sogar bereits vorteilhaft sein, die Druckluft ohne zusätzliche Verdichtungsarbeit durch die zweite Verdichtereinheit hindurchzuleiten, bis auslassseitig, insbesondere Druckluftspeicher, zumindest einmal das Druckniveau der Auslassseite der ersten Verdichtereinheit erreicht ist, und erst dann mit der zusätzlichen Verdichtungsarbeit zu beginnen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Verdichtereinheit einen Luftfilter auf, welcher stromaufwärts der Zweigleitung angeordnet ist. Weiter vorzugsweise weist die erste Verdichtereinheit einen Verdichter auf, und der Luftfilter ist stromaufwärts des Verdichters angeordnet und dazu eingerichtet, die der ersten Verdichtereinheit zugeführte Luft vor Eintritt in den Verdichter zu filtern. Es werden je nach Anwendungsfall bei den Verdichtereinheiten für das Brennstoffzellensystem durchaus auch mehrstufige Kompressoren verdichtet, die also mehr als nur einen eine Verdichterstufe aufweisen. Zum Verständnis der Erfindung genügt aber die Erläuterung anhand nur eines einzelnen Verdichters. Es soll verstanden werden, dass die Erfindung auch bei Verdichtereinheiten greift, die mehr als einen Verdichter aufweisen, wobei sich grundsätzlich vorteilhaft auswirkt, den Luftfilter so weit stromaufwärts wie möglich zu positionieren, um die Verdichtereinheit vor Schmutzeintrag zu schützen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem, insbesondere die erste Verdichtereinheit, dazu eingerichtet, mit einem veränderlichen Durchsatz betrieben zu werden, und das Fahrzeug weist ein Steuergerät auf, das dazu eingerichtet ist, ein Luftanforderungssignal zur Steuerung des Durchsatzes der ersten Verdichtereinheit zu generieren. In Anbetracht der Tatsache, dass der zusätzlich benötigte Durchsatz in der ersten Verdichtereinheit zum Speisen der Zweigleitung im Verhältnis zu dem Durchsatz, der ohnehin für die Brennstoffzelle benötigt wird, gering ist, nämlich in der Regel im einstelligen Prozentbereich liegt, relativ zum Durchsatz für die Brennstoffzelle gesehen, ist in bevorzugten Ausführungsformen insbesondere eine Steuerung der Drehzahl ausreichend, um den Durchsatz für den Fall des Vorliegens eines Luftanforderungssignals zu steuern.

Sofern erfindungsgemäß von dem Durchsatz der Verdichtereinheiten gesprochen wird, so ist hierunter zu verstehen, dass der Durchsatz durch den die Verdichtereinheit durchströmenden Massenstrom charakterisiert werden kann, oder auch durch den die Verdichtereinheit durchströmenden Volumenstrom und Druck, vorzugsweise jeweils auslassseitig.

Das Luftanforderungssignal im Sinne der Erfindung ist repräsentativ für den durch den zweiten Teilstrom benötigten zusätzlichen Förderbedarf. Die zweite Verdichtereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, bei einem konstanten Arbeitspunkt betrieben zu werden, und somit ist mit guter Präzision vorhersagbar, wie viel Durchsatz, d.h. wie viel zusätzlicher Förderbedarf, auf Seiten der ersten Verdichtereinheit nötig ist, wenn die zweite Verdichtereinheit ihren Betrieb aufnehmen muss, um das Druckluftsystem des Fahrzeugs mit zusätzlicher Druckluft zu versorgen. Einlass- und Auslassdrücke der zweiten Verdichtereinheit sind bekannt, und der Durchsatz durch die zweite Verdichtereinheit kann so gewählt werden, dass diese bei einem günstigen Arbeitspunkt betrieben werden kann.

All diese Größen sind vorab in Vorversuchen und im Wege der Auslegung des Systems ermittelbar, so dass das Luftanforderungssignal im einfachsten Fall ein digitales Signal mit den Zuständen „0“ (kein Luftanforderungssignal liegt an) und „1“ (Luftanforderungssignal liegt an) sein kann. Das Luftanforderungssignal kann als vorbestimmtes Strom- oder Spannungssignal übertragen werden, oder als codiertes Signal, beispielsweise über ein Bus-System des Fahrzeugs, wie etwa einen CAN-Bus.

Die erste Verdichtereinheit ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform signalleitend mit dem Steuergerät verbunden und dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Luftanforderungssignals den von ihr geförderten Durchsatz anzupassen, insbesondere zu erhöhen. Wenn mit anderen Worten das Luftanforderungssignal an der ersten Verdichtereinheit anliegt, steuert die erste Verdichtereinheit ihren Durchsatz so aus, dass sowohl die Brennstoffzelle mit dem ersten Teilstrom versorgt werden kann, als auch die zweite Verdichtereinheit mit dem zweiten Teilstrom.

Die erste Verdichtereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus einen ersten Durchsatz zu fördern, der bei inaktiver zweiter Verdichtereinheit exklusiv der Brennstoffzelle zugeführt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus einen zweiten Durchsatz zu fördern, der höher ist als der erste Durchsatz, und aus dem bei aktiver zweiter Verdichtereinheit der erste Teilstrom für die Brennstoffzelle und der zweite Teilstrom für die Verdichtereinheit gebildet werden. Die Verdichtereinheit ist mit anderen Worten dazu eingerichtet, vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überzugehen, sobald das Luftanforderungssignal anliegt.

Vorzugsweise ist die erste Verdichtereinheit dazu eingerichtet, im zweiten Betriebsmodus die Luft auf den gleichen Ausgangsdruck zu verdichten, wie im ersten Betriebsmodus. Der Druck liegt vorzugsweise in einem Bereich von unterhalb 5 bar, wie etwa von 2 bar bis 4 bar. Das Zuliefern von Druckluft zur zweiten Verdichtereinheit kompromittiert auf diese Weise nicht den Betrieb des Brennstoffzellensystems. Gleichzeitig genügt für eine solche Regelung im einfachsten Fall die Anpassung des Betriebs der ersten Verdichtereinheit auf ein höheres Drehzahlniveau, das rechnerisch oder experimentell vorab ermittelt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeug einen Drucksensor zur Erfassung des Luftdrucks im Druckluftspeicher auf, und das Steuergerät ist mit dem Drucksensor signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, das Luftanforderungssignal zu generieren, sobald der Luftdruck im Druckluftspeicher einen vorbestimmten Einschaltdruck erreicht oder unterschreitet. Der Einschaltdruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bar oder weniger. Alternativ oder zusätzlich weist der Druckluftspeicher einen, auch als Betriebsdruck bezeichneten, Soll-Druckwert auf, beispielsweise im Bereich von 12,5 bar oder mehr. Vorzugsweise generiert das Steuergerät das Luftanforderungssignal, sobald der Luftdruck im Druckluftspeicher um 10% oder mehr unterhalb des Soll-Druckwerts liegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die zweite Verdichtereinheit zur Verdichtung der ihr zugeführten Druckluft anzusteuern, nachdem das Luftanforderungssignal generiert worden ist. In einer ersten bevorzugten Variante ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die zweite Verdichtereinheit nach Ablauf einer vorbestimmten (ersten) Verzögerungsdauer anzusteuern, wobei die Verzögerungsdauer insbesondere in einem Bereich von 0,5 - 3,5 Sekunden liegt. In einer zweiten Variante ist das Steuergerät vorzugsweise alternativ oder zusätzlich dazu eingerichtet, die zweite Verdichtereinheit anzusteuern, nachdem die erste Verdichtereinheit an das Steuergerät ein Bestätigungssignal darüber übermittelt hat, dass der Durchsatz angepasst worden ist. In einer dritten bevorzugten Variante weist das Fahrzeug einen Sensor zur Erfassung des Durchsatzes der ersten Verdichtereinheit auf, beispielsweise einen Massenstromsensor oder einen Volumenstromsensor (dann vorzugsweise in Verbindung mit einem Drucksensor), und der Sensor ist signalleitend mit dem Steuergerät oder der zweiten Verdichtereinheit verbunden und dazu eingerichtet, ein repräsentatives Signal für den Durchsatz an die jeweilige Einheit zu übersenden. Durch diese Regelungen wird sichergestellt, dass die zweite Verdichtereinheit nicht zu früh mit der Verdichtungsarbeit beginnt, was eine Druckluftunterversorgung der Brennstoffzelle in ungünstigen Fällen nach sich ziehen könnte. Durch das vorgelagerte Ansteuern des ersten Verdichters wird verhindert, dass der zweite Verdichter aufgrund des unzureichenden Eingangsdrucks in einem ungünstigen Wirkungsgrad (oder gar nicht) läuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die zweite Verdichtereinheit so lange in den aktiven Zustand zu versetzen, wie das Luftanforderungssignal anliegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Luftanforderungssignal so lange zu generieren, bis der Luftdruck im Druckluftspeicher einen vorbestimmten Abschaltdruck erreicht hat oder überschreitet. Der Abschaltdruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 12,0 bar oder darüber. Alternativ oder zusätzlich liegt der Einschaltdruck in einem Bereich von 10% - 15% unterhalb des Abschaltdrucks.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Verdichtereinheit dazu eingerichtet, den Durchsatz nach einer vorbestimmten (zweiten) Verzögerungsdauer Wegfall des Luftanforderungssignals anzupassen, insbesondere zu senken. Vorzugsweise liegt die Verzögerungsdauer in einem Bereich von 0,5 Sekunden bis 3,5 Sekunden. Auch dieses fortgesetzte Fördern des höheren Durchsatzes dient dazu, eine Unterversorgung zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät, beispielsweise eine Brennstoffzellensteuerung, auf, welches dazu eingerichtet ist, die erste Verdichtereinheit anzusteuern und welche signalleitend mit dem Steuergerät verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Steuergerät des Brennstoffzellensystems und dem Steuergerät des Druckluftsystems könnte beispielsweise über einen CAN-Bus oder eine ähnliche Bus-Verbindung gewährleistet werden. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann das Steuergerät auch hardwaremäßig oder softwaremäßig in die Brennstoffzellensteuerung integriert sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeug ein der zweiten Verdichtereinheit nachgeschaltetes Luftaufbereitungsmodul auf, wobei vorzugsweise das Steuergerät in das Luftaufbereitungsmodul integriert ist. Auch hier gilt, dass das Steuergerät alternativ auch als dediziertes eigenständiges Steuergerät ausgebildet sein kann. Das Steuergerät kann beispielsweise alternativ auch der zweiten Verdichtereinheit zugeordnet, bzw. auch in deren Steuerung hardwaremäßig oder softwaremäßig integriert sein.

Das vorstehend beschriebene Luftaufbereitungsmodul, auch bezeichnet als APU, und insbesondere als eAPU (Air Processing Unit) umfasst vorzugsweise einen Lufttrockner und/oder eine Ventilanordnung wie beispielsweise ein Mehrkreisschutzventil, und/oder einen Drucksensor. Sofern das Luftaufbereitungsmodul das Steuergerät umfasst, ist das Steuergerät vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, den Druck im Strömungsverfahren auslassseitig an der zweiten Verdichtereinheit, und damit den Betrieb des Verdichters, zu regeln und wie vorstehend beschrieben das Luftanforderungssignal zu generieren. Abhängig von der Anwesenheit weiterer Logikeinheiten im Fahrzeug kann es auch sinnvoll sein, das Steuergerät in andere, hier nicht namentlich genannte, Logikeinheiten zu integrieren.

In den vorstehenden Ausführungsformen wurde eine Reihenschaltung der ersten Verdichtereinheit und der zweiten Verdichtereinheit beschrieben, die für den Betrieb der zweiten Verdichtereinheit stets auch den Betrieb der ersten Verdichtereinheit zur Vorverdichtung annahm. Es kann im Betrieb des Fahrzeugs zu Situationen kommen, in denen die erste Verdichtereinheit nicht aktiv ist, beispielsweise bei Defekten, oder wenn die Brennstoffzelle beim Befahren längerer Gefällestrecken oder Standzeiten heruntergefahren wird. Sofern in solchen Situationen dennoch ein Betrieb der zweiten Verdichtereinheit notwendig wird, weist das Fahrzeug in einer bevorzugten Ausführungsform eine Bypassleitung auf, welche die erste Verdichtereinheit überbrückt und stromaufwärts der zweiten Verdichtereinheit mündet. Auf diese Weise wird der Einlass für die zu verdichtende Luft, welcher sonst die erste Verdichtereinheit überbrückt, direkt mit der zweiten Verdichtereinheit verbunden, und die zweite Verdichtereinheit kann, wenn auch mit niedrigerem Einlassdruck als für ihren Betrieb ideal wäre, unter Überbrückung der ersten Verdichtereinheit betrieben werden.

In Ausführungsformen, in denen die erste Verdichtereinheit wenigstens einen Verdichter, d. h. eine Verdichterstufe, aufweist, und in denen der Luftfilterstrom aufwärts des Verdichters angeordnet ist, erstreckt sich die Bypassleitung vorzugsweise von einem Abgang zwischen dem Luftfilter und des Verdichters aus hin zur Zweigleitung. Hierdurch wird auch für den Fall, dass die zweite Verdichtereinheit ohne die erste Verdichtereinheit betrieben werden muss, nur ein Luftfilter notwendig, der dem zentralen Einlass für die Verdichtereinheiten zugeordnet sein kann und unvermindert seinen Dienst leistet, auch wenn die erste Verdichtereinheit nicht aktiv ist.

Die Erfindung ist vorstehend anhand eines ersten Aspektes unter Bezugnahme auf ein Fahrzeug beschrieben worden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs. Die Erfindung löst die eingangs bezeichnete Aufgabe bei einem solche Verfahren, in dem das Verfahren die Schritte umfasst:

- Versorgen einer Brennstoffzelle mit Druckluft mittels einer ersten Verdichtereinheit, und - Versorgen eines Druckluftsystems des Fahrzeugs mit Druckluft mittels einer zweiten Verdichtereinheit, wobei ein erster Teilstrom der von der ersten Verdichtereinheit ausgegebenen Druckluft der Brennstoffzelle zugeführt wird, und ein zweiter Teilstrom der von der ersten Verdichtereinheit ausgegebenen Druckluft der zweiten Verdichtereinheit zugeführt wird.

Die Erfindung macht sich hinsichtlich des zweiten Aspekts dieselben Vorteile und Erwägungen zunutze, wie das Fahrzeug gemäß dem ersten Aspekt. Bevorzugten Ausführungsformen des Fahrzeugs sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt.

In beispielhaften bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren mit einem, mehreren oder sämtlichen der folgenden Merkmale weitergebildet:

- Die der zweiten Verdichtereinheit von der ersten Verdichtereinheit zugeführte Druckluft wird zusätzlich verdichtet und dem Druckluftspeicher zugeführt; und/oder

- Die der ersten Verdichtereinheit zugeführte Luft wird stromaufwärts der Zweigleitung gefiltert, insbesondere stromaufwärts der ersten Verdichtereinheit; und/oder

- die erste Verdichtereinheit wird mit einem veränderlichen Durchsatz betrieben ein Luftanforderungssignal wird zur Steuerung des Durchsatzes der ersten Verdichtereinheit generiert, vorzugsweise sobald ein Luftdruck im Druckluftspeicher einen vorbestimmten Einschaltdruck erreicht oder unterschreitet; weiter vorzugsweise solange, bis ein vorbestimmter Abschaltdruck erreicht oder überschritten wird; und/oder

- der von der ersten Verdichtereinheit geförderte Durchsatz wird in Abhängigkeit des Luftanforderungssignals angepasst, insbesondere erhöht;

- in einem ersten Betriebsmodus wird ein erster Durchsatz gefördert, der bei inaktiver zweiter Verdichtereinheit exklusiv der Brennstoffzelle zugeführt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus wird ein zweiter Durchsatz gefördert, der höher ist als der erste Durchsatz, und aus dem bei aktiver zweiter Verdichtereinheit der erste Teilstrom für die Brennstoffzelle und der zweite Teilstrom für die zweite Verdichtereinheit gebildet werden, wobei vorzugsweise die Luft im zweiten Betriebsmodus auf den gleichen Ausgangsdruck verdichtet wird wie im ersten Betriebsmodus und/oder als zweiter Teilstrom derselbe Durchsatz gefördert wird wie im ersten Betriebsmodus als Gesamtdurchsatz; und/oder

- die zweite Verdichtereinheit wird angesteuert, nachdem das Luftanforderungssignal generiert worden ist; und/oder

- der von der ersten Verdichtereinheit geförderte Durchsatz wird nach einer vorbestimmten Verzögerungsdauer ab Wegfall des Luftanforderungssignals angepasst, insbesondere gesenkt; und/oder

- die erste Verdichtereinheit mittels einer Bypass-Leitung überbrückt wird, welche stromaufwärts der zweiten Verdichtereinheit mündet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2 ein exemplarischer Verfahrensablauf für den Betrieb des Fahrzeugs gemäß Fig. 1 .

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 , welches beispielsweise ein Nutzfahrzeug sein kann, abgebildet. Das Fahrzeug 1 weist ein Brennstoffzellensystem 3 auf, welches eine Verdichtereinheit 5 umfasst. Die Verdichtereinheit 5 weist wenigstens einen (ersten) Verdichter 7 auf, der von einer elektrischen Maschine 9 angetrieben wird. Der Verdichter 7 kann beispielsweise ein Radialverdichter, Axialverdichter oder Scrollkompressor sein. Die Verdichtereinheit 5 ist dazu eingerichtet, Sauerstoff O2 enthaltende Luft an einem Einlass 4 anzusaugen, auf einen ausgangsdruck pn zu verdichten und an einem Auslass 6 mit einem entsprechend des Betriebs der Verdichtereinheit 5 gesteuerten Durchsatz D auszugeben. So wird verdichtete Druckluft L über eine Hauptleitung 8 einer Brennstoffzelle 13 kathodenseitig zugeführt. Optional ist in der Hauptleitung 8 ein Luftbefeuchter 1 1 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 3 weist eine Steuergerät 15 auf, welches als ein oder mehrere bauliche Einheiten aufgebaut sein kann und beispielsweise die Brennstoffzellensteuerung sein kann, und/oder ein Kompressor-Steuergerät. Das Steuergerät 15 kann als dediziertes Steuergerät ausgebildet sein, oder hardwaremäßig oder softwaremäßig in die Brennstoffzelle 13 oder die Verdichtereinheit 5 integriert sein.

Das Fahrzeug 1 weist neben dem Brennstoffzellensystem 3 ferner ein Druckluftsystem 17 auf. Das Druckluftsystem 17 dient zur Versorgung sicherheitsrelevanter und nicht-sicherheitsrelevanter pneumatischer Verbraucher des Fahrzeugs 1 mit der Druckluft L und weist eine dedizierte Verdichtereinheit 19 auf. Die Verdichtereinheit 5 des Brennstoffzellensystems 3 ist somit eine erste Verdichtereinheit und die Verdichtereinheit 19 des Druckluftsystems 17 ist eine separate dedizierte zweite Verdichtereinheit.

Die zweite Verdichtereinheit 19 weist eine elektrische Maschine 21 auf, die dazu eingerichtet ist, einen (zweiten) Verdichter 23 der zweiten Verdichtereinheit 19 anzutreiben, könnte alternativ beispielsweise aber auch ein einen Verbrennungsmotor mittels einer Kupplung angeschlossen sein. Der Verdichter

23 kann beispielsweise ein Kolben- oder Scrollkompressor sein.

Die zweite Verdichtereinheit 19 kann beispielsweise als Kolbenkompressor ausgebildet sein, während die erste Verdichtereinheit 5 des Brennstoffzellensystems vorzugsweise als Turbokompressor ausgebildet ist.

Die zweite Verdichtereinheit 19 des Druckluftsystems 17 ist über einen Einlass

24 und eine Zweigleitung 10 fluidleitend mit dem Auslass 6 der ersten Verdichtereinheit 5 des Brennstoffzellensystems 3 verbunden. Die zweite Verdichtereinheit 19 ist dazu eingerichtet, die ihr über die Zweigleitung 10 zugeführte Druckluft L von dem Ausgangsdruck pu der ersten Verdichtereinheit 5 aus weiter zu verdichten auf einen zweiten ausgangsdruck pi_2 > pu , und diesen weiter verdichteten Teilstrom T2 über einen Auslass 26 abzugeben, während über die Hauptleitung 8 weiterhin Druckluft L bei pn als erster Teilstrom Ti zur Brennstoffzelle 13 gefördert wird. Der Gesamtdurchsatz D setzt sich aus Ti und T2 zusammen.

Das Druckluftsystem 17 weist ein der zweiten Verdichtereinheit 19 nachgeschaltetes Luftaufbereitungsmodul 27, auch bezeichnet als APU (Air Processing Unit) oder eAPU (electronic Air Processing Unit) auf. Das Luftaufbereitungsmodul 27 ist dazu eingerichtet, die von der zweiten Verdichtereinheit 19 verdichtete Luft zu konditionieren, beispielsweise zu trocknen, und mittelbar oder unmittelbar einem fluidleitend mit dem Luftaufbereitungsmodul 27 verbundenen Druckluftspeicher 29 zuzuführen.

Das Druckluftsystem 17 weist ferner ein Steuergerät 31 auf, welches beispielsweise softwaremäßig oder hardwaremäßig in das Luftaufbereitungsmodul 27 integriert sein kann oder ein eigenständiges Steuergerät sein kann. Das Steuergerät 31 des Druckluftsystems 17 ist dazu eingerichtet, die zweite Verdichtereinheit 19 mittels eines Verdichter- Steuersignals Sc zum Betrieb anzusteuern.

Das Steuergerät 31 ist signalleitend mit einem Drucksensor 33 verbunden, wobei der Drucksensor 33 dazu eingerichtet ist, einen Luftdruck ps = pi_2 des Druckluftspeichers 29 zu erfassen. Der Drucksensor 33 ist vorzugsweise baulich dem Druckluftspeicher 29 zugeordnet, kann aber auch in der Fluidleitung zwischen dem Luftaufbereitungsmodul 27 und dem Druckluftspeicher 29 angeordnet sein, oder in das Luftaufbereitungsmodul 27 integriert sein.

Das Steuergerät 31 ist dazu eingerichtet, ein Luftanforderungssignal SL an das Brennstoffzellensystem 3 zu senden, sobald der Druck ps im Druckluftspeicher 29 einen vorbestimmten Einschaltdruck ps erreicht oder unterschreitet. Der Einschaltdruck ps liegt vorzugsweise 10-15% oder mehr unterhalb des eigentlichen Betriebsdrucks des Druckluftspeichers, wie eingehend im allgemeinen Teil beschrieben. Das Steuergerät 31 ist dazu eingerichtet, das Luftanforderungssignal Si_ und das Verdichter-Steuersignal Sc so lange auszusenden, wie es erforderlich ist, um den Druckluftspeicher 29 ausreichend mit Druckluft L zu versorgen. Insbesondere ist das Steuergerät 31 dazu eingerichtet, das Aussenden des Luftanforderungssignals SL und des Verdichter-Steuersignals Sc abzustellen, wenn der Druck ps des Druckluftspeichers 29 einen Abschaltdruck PA erreicht oder überschritten hat, der vorzugsweise 10-15% oberhalb von PE liegt.

Das Erzeugen und Abstellen der Signale SL und Sc, kann zeitgleich erfolgen, kann allerdings auch zeitlich abgestuft erfolgen, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert wird.

Das Brennstoffzellensystem 3 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Erhalts des Luftanforderungssignals SL den Betrieb der ersten Verdichtereinheit 5 zwischen einem ersten Betriebsmodus Bi und einem zweiten Betriebsmodus B2 umzuschalten. In dem ersten Betriebsmodus Bi ist die erste Verdichtereinheit 5 dazu eingerichtet, einen ersten Durchsatz Di zu fördern und zu verdichten, der ausreichend für einen Betrieb der Brennstoffzelle 13 ist, insbesondere für einen Betrieb mit Sauerstoffüberschuss.

Die erste Verdichtereinheit 5 ist dazu eingerichtet, im zweiten Betriebsmodus B2 einen zweiten Durchsatz D2 zu fördern, der soviel größer ist als der erste Durchsatz Di, dass der zweite Teilstrom T2 zusätzlich gefördert wird, ohne dass der Ausgangsdruck pui abfällt.

Der zweite Betriebsmodus B2 wird in der Regel aktiviert, wenn das Steuergerät 31 des Druckluftsystems 17 die zweite Verdichtereinheit 19 mittels Aussenden des Verdichter-Steuersignals Sc aktiviert, um den Druck im Druckluftspeicher 29 zu erhöhen. Bei aktivierter zweiter Verdichtereinheit 19 wird der Durchsatz D2, der am Auslass 6 der ersten Verdichtereinheit 5 anliegt, in den ersten Teilstrom Ti und den zweiten Teilstrom T2 aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom Ti vorzugsweise einen genau so hohen Durchsatz aufweist, wie Di im ersten Betriebsmodus Bi. Der zusätzliche Durchsatz (D2 - Di) strömt als der zweite Teilstrom T2 durch die Zweigleitung 10 in die erste Verdichtereinheit 19.

Das Fahrzeug 1 weist einen Luftfilter 34 auf, der dazu eingerichtet ist, die vom Brennstoffzellensystem 3 angesaugte Luft O2 vor Eintritt in die erste Verdichtereinheit 5 in allgemein bekannter Weise zur reinigen. Durch das Inreiheschalten der ersten Verdichtereinheit des Brennstoffzellensystems mit der zweiten Verdichtereinheit 19 des Druckluftsystems 17 ergibt sich hier ein weiterer spezifischer Vorteil der Erfindung: Es wird zum kontaminationsfreien Betrieb beider Verdichtereinheiten 5, 19 lediglich ein einziger Luftfilter 34 benötigt. Der Luftfilter 34 kann dem Brennstoffzellensystem 3 zugeordnet sein, er kann aber auch, wie hier in Fig. 1 angedeutet, als dedizierte Baueinheit dem Brennstoffzellensystem 3 vorgeschaltet werden. Auch im Überbrückungsbetrieb mittels der Bypassleitung 37 ist der Luftfilter 34 aktiv und wird dann unter Umgehung der ersten Verdichtereinheit 5 zum direkten Filtern der ausschließlich der zweiten Verdichtereinheit 19 zugeführten Strom an Luft O2 genutzt.

Der vorstehend beschriebene Anwendungsfall, der als Hauptanwendungsfall betrachtet wird, setzt einen simultanen Betreib der ersten Verdichtereinheit 5 und der zweiten Verdichtereinheit 19 über zumindest bestimmte Zeitabschnitte im zweiten Betriebsmodus B2 voraus. Es kann allerdings Betriebssituationen geben, in denen die erste Verdichtereinheit 5 nicht betrieben werden kann, dennoch allerdings Druckluft zum Erhöhen des Druckluftspeichers 29 benötigt wird. Für diese Situationen weist das Fahrzeug 1 eine Bypassleitung 37 auf, die sich von einem Abgang 35 stromaufwärts des Verdichters 7 bis zu einem Anschlussstück 41 in der Zweigleitung 10 erstreckt. Ein Rückschlagelement 39 verhindert einen ungewollten Rückstrom von Druckluft L in Richtung des Abgangs 35.

In Fig. 2 ist ein exemplarischer Verfahrensablauf für den Betrieb des Fahrzeugs 1 gemäß Fig. 1 illustriert.

In der nachfolgenden Beschreibung sind mehrere Verfahrensschritte der Reihe nach beschrieben und abgebildet. Im tatsächlichen Betrieb des Fahrzeugs 1 müssen diese Schritte aber nicht notwendigerweise in dieser zeitlichen Reihenfolge ausgeführt werden, sondern können zumindest partiell auch zeitgleich stattfinden. Die nachfolgende Schilderung der Reihe nach dient dem besseren Verständnis.

In einem Ausgangsschritt 101 des Verfahrens 100 wird das Fahrzeug 1 zum Fahren betrieben. Sobald in einem ersten Entscheidungsschritt 103 entschieden wird, dass ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 3 notwendig ist, wird im nächsten Verfahrensschritt 105 die Brennstoffzelle 13 im ersten Betriebsmodus Bi dazu angetrieben, einen ersten Durchsatz Di an Druckluft L zu fördern. Solange das Fördern von Druckluft L mittels der ersten Verdichtereinheit 5 durchgeführt, wird in Schritt 102 ein Versorgen einer Brennstoffzelle mit Druckluft mittels einer ersten Verdichtereinheit durchgeführt.

Sofern das Fahrzeug 1 für seinen Betrieb Druckluft aus dem Druckluftsystem 17 benötigt, so wird diese aus dem Druckluftspeicher 29 zur Verfügung gestellt. Sobald in einem Schritt 107 erkannt wird, dass der Druck ps den Einschaltdruck PE erreicht oder unterschreitet, erzeugt das Steuergerät 31 den Schritt 109 das Luftanforderungssignal SL, infolge dessen in Schritt 1 1 1 die erste Verdichtereinheit 5 in dem zweiten Betriebsmodus B2 zum Aussteuern des zweiten Durchsatzes D2 veranlasst wird. Sobald der erforderliche Durchsatz D2 für die beiden Teilströme Ti, T2 erreicht ist, und/oder nach Verstreichen einer vorbestimmten ersten Verzögerungsdauer ti was in Schritt 1 13 geprüft wird, wird auch die zweite Verdichtereinheit 19 mittels des Verdichter-Steuersignals Sc in Schritt 1 15 zur Aufnahme des Betriebs angesteuert.

Solange das Fördern des zweiten Teilstroms T2 durch die zweite Verdichtereinheit 19 erfolgt, wird also ein Verfahrensschritt 1 16 des Versorgens des Druckluftsystems 17 des Fahrzeugs 1 mit Druckluft L mittels der zweiten Verdichtereinheit 19 ausgeführt, wobei der erste Teilstrom Ti der von der ersten Verdichtereinheit 5 ausgegebenen Druckluft L der Brennstoffzelle 13 zugeführt wird, und der zweite Teilstrom T2 der von der ersten Verdichtereinheit 5 ausgegebenen Druckluft L der zweiten Verdichtereinheit 19 zugeführt wird. Das Luftanforderungssignal SL liegt währenddessen weiter an. Der simultane Betrieb beider Verdichtereinheiten 5, 19 wird so lange fortgesetzt, wie im Druckluftspeicher 29 der Druck ps noch angehoben werden muss.

Sobald in Schritt 117 ermittelt wird, dass der Druck ps den Abschaltdruck PA erreicht oder überschreitet, wird, vorzugsweise nach einem Einhalten einer zweiten Verzögerungsdauer t2 in Schritt 1 19 der Betrieb der zweiten Verdichtereinheit mittels Abstellen des Verdichter-Steuersignals Sc in Schritt 121 eingestellt.

Nachdem vorzugsweise eine dritte Verzögerungsdauer t3 in Schritt 123 erreicht wurde, kann in Schritt 125 auch das Luftanforderungssignal SL abgestellt werden, und in den Betrieb nur der ersten Verdichtereinheit 5 gemäß Schritt 105 oder keiner Verdichtereinheit gemäß Schritt 101 zurückgekehrt werden.

Nachfolgend soll auf eine alternative Betriebssituation eingegangen werden, die sich einstellen kann. Sofern im Betrieb gemäß Schritt 101 des Fahrzeugs 1 bei der Überprüfung gemäß Schritt 103 ermittelt wird, dass ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 3 nicht erforderlich ist, aber in einem folgenden Schritt 104 ermittelt wird, dass der Druck ps im Druckluftspeicher 29 den Einschaltdruck ps unterschreitet, wird das Verdichter-Steuersignal Sc vom Steuergerät 31 an die zweite Verdichtereinheit 19 übermittelt, ohne zuvor die erste Verdichtereinheit 5 anzusteuern, siehe Schritt 106.

Infolgedessen wird in einem Schritt 108 die erste Verdichtereinheit 5 des Brennstoffzellensystems 3 überbrückt mittels der Bypassleitung 37. In Schritt 1 10 verdichtet die zweite Verdichtereinheit 19 des Druckluftsystems 17 in einem dritten Betriebsmodus B3 die einlassseitig zugeführte Luft O2 bei Umgebungsdruck (beziehungsweise dem Einlass-Druck stromaufwärts des Brennstoffzellensystems 3). Es wird vorzugsweise ein dritter Durchsatz D3 gefördert, der beispielsweise dem zuvor beschriebenen Teilstrom T2=(D2-DI) entsprechen kann. Sobald in Schritt 112 ermittelt wird, dass der Druck ps im Druckluftspeicher 29 größer oder gleich dem Abschaltdruck PA ist, kann in Schritt 114 das Verdichter- Steuersignal Sc abgestellt werden, und zum Betrieb des Fahrzeugs wie gemäß Schritt 101 zurückgekehrt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE (TEIL DER BESCHREIBUNG)

1 Fahrzeug

3 Brennstoffzellensystem

4 Einlass, Brennstoffzellensystem

5 erste Verdichtereinheit, Brennstoffzellensystem

6 Auslass, Brennstoffzellensystem

7 (erster) Verdichter, Brennstoffzellensystem

8 Hauptleitung

9 el. Maschine, Brennstoffzellensystem

10 Zweigleitung

11 Luftbefeuchter

13 Brennstoffzelle

15 Steuergerät, Brennstoffzellensystem

17 Druckluftsystem

19 zweite Verdichtereinheit, Druckluftsystem

21 elektrische Maschine, Druckluftsystem

23 (zweiter) Verdichter, Druckluftsystem

24 Einlass, zweite Verdichtereinheit

29 Druckluftspeicher, Druckluftsystem

31 Steuergerät, Druckluftsystem

34 Luftfilter

35 Abgang zu Bypassleitung

37 Bypassleitung

41 Anschlussstück von Bypassleitung

100 Verfahren 101 Ausgangsschritt

102 Versorgen der Brennstoffzelle

103 Entscheidung Betrieb Brennstoffzelle

104 Erfassen p _s < PE

105 Start Betriebsmodus Bi

106 Beginn Ansteuern zweite Verdichtereinheit

107 Erfassen p _s < PE

108 Überbrücken erste Verdichtereinheit

109 Generieren von Luftanforderungssignal SL

110 Start Betriebsmodus B3

111 Start Betriebsmodus B2

112 Erfassen p _s PA

113 Erfassen D=Ü2 und/oder ti

114 Ende Betriebsmodus B3

115 Beginn Ansteuern zweite Verdichtereinheit

116 Versorgen des Druckluftsystems

117 Erfassen p _s PA

119 Erfassen t2

121 Ende Ansteuern zweite Verdichtereinheit, Ende B2

123 Erfassen t3

125 Ende Generieren von Luftanforderungssignal SL

BI, B2, B3 Betriebsmodi

D, Di, D2, D3 Durchsatz

L Druckluft

O2 Luft ti, t2, t3 Verzögerungsdauer Ti, T2 Teilstrom

SL Luftförderungssignal

Sc Steuersignal pn Ausgangsdruck erste Verdichtereinheit pi_2 Ausgangsdruck zweite Verdichtereinheit ps Luftdruck Druckluftspeicher

PE Einschaltdruck

PA Abschaltdruck