Demgemäss betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, enthal- tend eine Hybrid-Fahrantriebseinrichtung mit einem Verbren- nungsmotor und mit mindestens einer elektrischen Maschine ; mindestens einen elektrischen Energiespeicher ; ein Brenn- stoffzellensystem zur Stromerzeugung.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.

Ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren dieser Art sind aus der DE 199 13 794 AI (= US 6 276 473) bekannt. Das bekannte Kraftfahrzeug enthält einen Verbrennungsmotor, von welchem das Kraftfahrzeug sofort nach dem Starten des elektrischen Bordnetzes antreibbar ist, und einen Elektromotor als Hauptantriebsmotor, zu dessen Energieversorgung ein Brenn- stoffzellensystem vorgesehen ist. Das Kraftfahrzeug wird von dem Elektromotor anstatt vom Verbrennungsmotor angetrieben, sobald das Brennstoffzellensystem durch Erwärmung von den Ab- gasen des Verbrennungsmotors Betriebstemperatur erreicht hat.

Nachdem das Brennstoffzellensystem Betriebstemperatur er- reicht hat, kann das Kraftfahrzeug von dem Elektromotor und/oder von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Mit der von dem Brennstoffzellensystem erzeugten Energie können auch Nebenaggregate des Kraftfahrzeuges und Aggregate des Brennstoffzellensystems mit Strom versorgt werden, welche zum Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle des Brennstoff- zellensystems erforderlich sind.

Aus der WO 98/40922 ist ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid- Energieerzeugungssystem bekannt, welches ein Brennstoffzel- lensystem und einen Verbrennungsmotor enthält. Kohlenwasser- stoff-Brennstoff wird zunächst in einem Pyrolyse-Reaktor in einen Wasserstoff enthaltenden Brennstoffanteil und einen Rest-Brennstoff aufgespalten. Mit dem Wasserstoff enthalten- den Anteil wird die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems betrieben, welches elektrische Ener- gie für einen Elektromotor liefert. Der Rest-Brennstoff kann als Treibstoff für den Verbrennungsmotor verwendet werden.

Das Brennstoffzellensystem ist so ausgelegt, dass es etwa 50% der von dem Hybridfahrzeug maximal bereitstellbaren Energie liefern kann. In einem Bereich niedriger Last stellt das Brennstoffzellensystem die gesamte oder einen großen Teil der benötigten Energie bereit. Bei höherer Last wird zusätzlich der Verbrennungsmotor betrieben. Der Verbrennungsmotor kann direkt zum Antrieb von Fahrzeugrädern oder zum Antrieb eines elektrischen Generators, welcher Strom für einen einzigen E- lektromotor erzeugt, verwendet werden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den Ener- gieverbrauch eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung eines Brennstoffzellensystems zu senken. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.

Demgemäss wird die Erfindung dadurch gelöst, dass das Brenn- stoffzellensystem als Hilfsenergiequelle für die Abgabe einer kleineren Leistung als der Verbrennungsmotor ausgebildet ist ; dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, durch welche das Brennstoffzellensystem in seinem eingeschalteten Zustand kon- tinuierlich in einem vorbestimmten Betriebsbereich oder Be- triebspunkt guten Wirkungsgrades betreibbar ist, wobei seine abgebbare Leistung mindestens einem Energieaufnehmer und eine gegebenenfalls anfallende Überschussenergie des Brennstoff- zellensystems mindestens einem weiteren Energieaufnehmer zu- führbar ist, um die für den genannten guten Wirkungsgrad er- forderliche hohe, Energieentnahme aus dem Brennstoffzellensys- tem aufrecht zu erhalten.

Das Brennstoffzellensystem bildet daher eine Hilfs-Energie- Einheit (auxiliary power unit). Weitere Merkmale der Erfin- dung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele be- schrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein Kraftfahrzeug nach der Erfindung mit Parallel- Hybrid-Antrieb, Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Kraft- fahrzeuges nach der Erfindung mit einem Seriell-Hybrid- Antrieb, Fig. 3 ein Diagramm, welches den funktionalen Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und abgegebener Leistung des Brenn- stoffzellensystems zeigt.

Das in Fig. 1 dargestellte Kraftfahrzeug 2 enthält eine Pa- rallel-Hybrid-Fahrantriebseinrichtung 4 mit einem Verbren- nungsmotor 6 und mindestens einer elektrischen Maschine 8 und/oder 10. Ferner ist mindestens ein Energiespeicher 12 zur Speicherung von elektrischer Energie und ein Brennstoffzel- lensystem 14 zur Erzeugung von elektrischer Energie und vor- zugsweise auch zur Erzeugung von nutzbarer Wärmeenergie vor- gesehen. Der Energiespeicher 12 kann beispielsweise eine Bat- terie oder ein Kondensator sein.

Der Verbrennungsmotor 6 ist über einen Antriebsstrang 16 mit einem Fahrantriebsgetriebe 18 verbunden und kann durch dieses Fahrzeugräder 20 antreiben. Weitere Fahrzeugräder 22 können auf die gleiche Weise antreibbar sein oder nicht angetriebene Räder sein.

Im Antriebsstrang 16 befindet sich die zweite elektrische Ma- schine 10. Wenn sie als Elektromotor betrieben wird, kann sie zusätzlich oder anstelle des Verbrennungsmotors über das Fahrantriebsgetriebe 18 die Fahrzeugräder 20 antreiben. Vor- zugsweise befinden sich in mindestens einem der beiden Strangabschnitte 16-1 und/oder 16-2 zwischen der zweiten e- lektrischen Maschine 10 und dem Verbrennungsmotor 6 und/oder dieser zweiten elektrischen Maschine 10 und dem Fahrantriebs- getriebe 18 eine schaltbare erste Kupplung 18 bzw. eine schaltbare zweite Kupplung 21. Bei geöffneter erster Kupplung 18 und gleichzeitig geschlossener zweiter Kupplung 21 kann die zweite elektrische Maschine 10, a) ohne den Verbrennungs- motor 6 mitzuschleppen, als Elektromotor Strom von dem Ener- giespeicher 12 und/oder von dem Brennstoffzellensystem bezie- hen und Antriebsdrehmoment auf die Fahrzeugräder 20 übertra- gen, oder b) als elektrischer Generator, welcher von den Fahrzeugrädern 20 angetrieben wird, elektrischen Storm erzeu- gen, welcher in dem Energiespeicher 12 gespeichert und/oder auf Hilfsaggregate 22 und/oder 24 übertragbar ist, oder c) als elektromagnetische Fahrzeugbremse betrieben werden. Bei geöffneter zweiter Kupplung 21 und gleichzeitig geschlossener erster Kupplung 18 kann die zweite elektrische Maschine 10 a) vom Verbrennungsmotor 6 angetrieben werden und dabei als Ge- nerator elektrischen Strom erzeugen, welcher in dem Energie- speicher 12 speicherbar und/oder den Nebenaggregaten 22 und 24 zuführbar ist, oder b) als Starter zum Starten des Verbrennungsmotors 6 verwendet werden.

Die erste elektrische Maschine 8 kann als Elektromotor elekt- rischen Strom aus dem Energiespeicher 12 und/oder aus dem Brennstoffzellensystem 14 beziehen und über das Fahrantriebs- getriebe 18 Drehmoment auf die Fahrzeugräder 20 übertragen, entweder allein oder zusammen mit der als Elektromotor be- triebenen zweiten elektrischen Maschine 10 und/oder zusammen mit dem Verbrennungsmotor 6. Ferner kann die erste elektri- sche Maschine 8 von den Fahrzeugrädern 20 angetrieben werden und dadurch elektrischen Strom erzeugen, welcher in dem Ener- giespeicher 12 speicherbar und/oder den Nebenaggregaten 22, 24 und/oder Hilfsaggregaten des Brennstoffzellensystems 14 zuführbar ist, welche zum Betrieb von deren mindestens einen Brennstoffzelle erforderlich sind, beispielsweise Verdichter, Heizungs-oder Klimatisiereinrichtung, Kühlgebläse, Ventile.

Die Stromverteilung auf die verschiedenen Elemente erfolgt durch eine elektronische Steuereinrichtung 30 eines Bordnet- zes 28. Nach dem Einschalten des elektrischen Bordnetzes und damit auch der Steuereinrichtung 30 kann das Kraftfahrzeug 2 sofort mit dem Verbrennungsmotor 6 starten. Die dabei entste- hende Wärme des Verbrennungsmotors, beispielsweise von dessen Abgasen, kann zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystems 14 auf Betriebstemperatur verwendet werden. Stattdessen oder zu- sätzlich kann eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Brenn- stoffzellensystems 14 vorgesehen sein. Nachdem das Brenn- stoffzellensystem 14 Betriebstemperatur erreicht hat, kann dessen elektrische Energie allein oder zusätzlich zur mecha- nischen Energie des Verbrennungsmotors 6 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 2 verwendet werden.

Auf den elektrischen Verbindungswegen zwischen den einzelnen Teilen angegebene Doppelpfeile 32 und Einzelpfeile 34 in den Zeichnungen geben die elektrische Stromflussrichtung an. Die Doppelpfeile 32 zeigen an, dass der Strom entweder in der ei- nen oder in der anderen Richtung fließen kann, je nach dem, ob den betreffenden Teilen Strom entnommen oder zugeführt wird.

Gemäß der Erfindung ist das Brennstoffzellensystem 14 als Hilfsenergiequelle für die Abgabe einer kleineren Leistung als der Verbrennungsmotor 6 ausgebildet und durch die Steuer- einrichtung 30 ist das Brennstoffzellensystem 14 bei einge- schaltetem Bordnetz kontinuierlich in einem vorbestimmten Be- triebsbereich oder Betriebspunkt guten Wirkungsgrades betreibbar, wobei die abgebbare Energie des Brennstoffzellen- systems mindestens einem vorbestimmten der Energieaufnehmer "elektrische Maschine 8,10, Energiespeicher 12, und/oder Ne- benaggregate 22,24, Bordnetz 28 und Steuereinrichtung 30" zuführbar ist und eine gegebenenfalls anfallende Überschuss- energie des Brennstoffzellensystems 14 mindestens einem wei- teren von diesen Energieaufnehmern zuführbar ist, in Abhän- gigkeit von vorbestimmten Betriebskriterien wie beispielswei- se von dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 12 und dem momentanen Leistungsbedarf der anderen Energieaufneh- mer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Brennstoffzellensystem 14 nur für den maximalen Leistungsbe- darf des Bordnetzes 28 und von mindestens einem der Nebenag- gregate 22,24 ausgebildet. Die Nebenaggregate 22,24 dienen nicht zur Abgabe von Fahrantriebsleistung, sondern zu anderen Zwecken, beispielsweise zum Betrieb einer Klimaanlage, Innen- raumheizung, Sitzheizung, Zigarettenanzünder, Radio, Fernse- her, Navigationssystem, Datenverarbeitungsanlage, Kühlbox oder Kühlschrank, Fensteröffner, Türöffner, Schiebedach-oder Faltdachöffner, Kofferraumöffner, Fahrzeuglenkung, Fahrzeug- bremsanlage, Fahrzeuginnenbeleuchtung, Fahrzeugaußenbeleuch- tung, Telekommunikationssysteme, Kompressor, Ölpumpe, Wasser- pumpe und/oder Benzinpumpe und/oder ein Arbeitsgerät, insbe- sondere eine Seilwinde, Fahrzeughubstütze und/oder Straßen- kehrbürste.

Gemäß bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der maxi- male Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 14 in dem vor- bestimmten Betriebsbereich oder in dem vorbestimmten Be- triebspunkt.

In Fig. 2 sind Fig. 1 entsprechende Teile mit gleichen Be- zugszahlen versehen. Ein Generator 40 ist zur Erzeugung von elektrischem Strom mit einem Verbrennungsmotor 6 durch eine Antriebsverbindung 42 antriebsmäßig verbunden oder verbindbar und über eine elektrische oder elektronische Steuereinrich- tung 30 des Bordnetzes 28 mit dem elektrischen Energiespei- cher 12 und/oder einer elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden oder verbindbar. Die elektrische Maschine 10 ist entweder direkt oder vorzugsweise über die Steuereinrichtung 30 mit dem Generator 40 oder mit dem elektrischen Energie- speicher 12 (z. B. eine Batterie oder ein Kondensator) elekt- risch verbunden oder verbindbar. Die elektrische Maschine 10 ist über einen Antriebsstrangabschnitt 16-2 mit Fahrzeugrä- dern 20 antriebsmäßig verbunden oder durch eine schaltbare Kupplung 21 verbindbar. Der Antriebsstrangabschnitt 16-2 kann ein Getriebe enthalten.

Der Generator 40 ist vorzugsweise auch als Elektromotor zum Starten des Verbrennungsmotors 6 betreibbar.

Wenn die elektrische Maschine 10 von dem Energiespeicher 12 oder dem Generator 40 mit elektrischem Strom versorgt wird, wirkt sie als elektrischer Fahrantriebsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. Ferner kann diese elektrische Maschine 10, wenn sie bei rollendem Fahrzeug von den Fahrzeugrädern 20 an- getrieben wird, als Generator arbeiten und dabei Strom in den Energiespeicher 12 abgeben. Ferner besteht auch die Möglich- keit, die elektrische Maschine 10 als elektrische Fahrzeug- bremse mit Strom zu versorgen.

Ein Brennstoffzellensystem 14 ist entweder direkt oder vor- zugsweise durch die elektrische Steuereinrichtung 30 mit dem elektrischen Energiespeicher 12 verbunden oder verbindbar.

Zum Starten des Brennstoffzellensystems 14 bezieht es elekt- rischen Strom aus dem Energiespeicher 12. Nachdem das Brenn- stoffzellensystem 14 Betriebszustand erreicht hat, beispiels- weise die für interne Stoffumsetzungen erforderliche Be- triebstemperatur erreicht hat, kann es selbst Strom erzeugen, welcher in dem Energiespeicher 12 speicherbar ist. Ferner kann auch eine elektrische Verbindung des Brennstoffzellen- systems mit der elektrischen Seite der elektrischen Maschine 10 und/oder mit der elektrischen Seite des Generators 40 vor- gesehen werden, vorzugsweise über die Steuereinrichtung 30, um das Brennstoffzellensystem 14, um es zu starten, mit e- lektrischer Energie zu versorgen, oder um die elektrische Ma- schine 10 mit elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellen- system 14 zu versorgen.

Wie bei Fig. 1 so ist auch bei Fig. 2 der Verbrennungsmotor 6 der Hauptenergieerzeuger für den Fahrantrieb des Kraftfahr- zeuges. Das Brennstoffzellensystem 14 ist als Hilfsenergie- quelle für die Abgabe einer kleineren Leistung als der Verbrennungsmotor 6 ausgebildet. Durch die Steuereinrichtung 30 wird das Brennstoffzellensystem 14, wenn es eingeschaltet ist, kontinuierlich in einem vorbestimmten Betriebsbereich o- der Betriebspunkt guten Wirkungsgrades betrieben, wobei die abgebbare Energie des Brennstoffzellensystems einem oder meh- reren vorbestimmten der Energieaufnehmer zuführbar ist und eine gegebenenfalls anfallende Überschussenergie des Brenn- stoffzellensystems 14 mindestens einem weiteren von diesen E- nergieaufnehmern zuführbar ist, abhängig von deren Energiebe- darf, um die für einen guten Wirkungsgrad erforderliche hohe Energieentnahme aus dem Brennstoffzellensystem 14 aufrecht zu erhalten.

Die von dem Brennstoffzellensystem 14 zuviel erzeugte Energie wird vorzugsweise für den Fahrantrieb benutzt oder im Ener- giespeicher 12 gespeichert. Der maximale Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 14 liegt vorzugsweise in dem vorbe- stimmten Betriebsbereich oder in dem vorbestimmten Betriebs- punkt. Auch in Fig. 2 können ähnlich wie in Fig. 1 Nebenag- gregate 22 und/oder 24 vorgesehen sein.

Die Überschussenergie des Brennstoffzellensystems 14 kann in Fig. 2 ähnlich wie in Fig. 1 entweder vollständig oder teil- weise dem Energiespeicher 12 oder der elektrischen Maschine 10 bei dessen Betrieb als elektrischer Fahrantriebsmotor zu- geführt werden, in Abhängigkeit von Betriebskriterien. Solche Betriebskriterien sind beispielsweise die Ladekapazität des Energiespeichers 12 und dessen momentaner Ladezustand, und der momentane Energiebedarf der elektrischen Maschine 10.

Daraus ist ersichtlich, dass die elektrische Energie des Brennstoffzellensystems 14 entweder nur dem Energiespeicher 12 zuführbar sein kann oder gemäß anderer Ausführungsform gleichzeitig oder alternativ auch der elektrischen Maschine 10.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brennstoff- zellensystem 14 bezüglich seiner maximal abgebbaren Leistung nur für den maximalen Leistungsbedarf des Bordnetzes und/oder von mindestens einem der Nebenaggregate oder von allen Neben- aggregaten 22,24 ausgebildet, welche nicht zur Abgabe von Fahrantriebsleistung vorgesehen sind.

Das Brennstoffzellensystem 14 dient somit nur als Hilfsener- gieeinheit (Auxiliary Power Unit), während die Haupt- Fahrenergiequelle der Verbrennungsmotor 6 ist. Das Brenn- stoffzellensystem 14 hat seinen besten Wirkungsgrad, wenn an ihn ein Verbraucher angeschlossen ist, welcher dem Brenn- stoffzellensystem 14 dessen maximal erzeugbare Leistung ent- nimmt.

Das Brennstoffzellensystem 14 ist bei Fig. 1 und Fig. 2 der- art ausgebildet, dass es eine Standversorgung (Stillstand des Kraftfahrzeuges und/oder Stillstand des Verbrennungsmotors 6) ermöglicht. Das Brennstoffzellensystem 14 erzeugt bei Fahr- zeugstillstand, insbesondere bei Stillstand des Verbrennungs- motors, beim Betrieb der wichtigsten Nebenaggregate 22 und/oder 24, ausreichend Strom für die Aufrechterhaltung ei- nes Mindestladezustandes des Energiespeichers 12 und für ein erneutes Starten des Brennstoffzellensystems 14 sowie für das Starten des Verbrennungsmotors 6.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 näher beschrieben. Sie zeigt den Wirkungsgrad il des Brennstoffzel- lensystems 14 in Abhängigkeit von dessen erzeugten Leistung "P"für alle Ausführungsformen der Erfindung.

Das Brennstoffzellensystem 14 hat seinen besten, d. h. maxi- malen Wirkungsgrad %"bei einem systembedingten optimalen E- nergieabgabewert. Dies erfordert einen Optimal-Energiebedarf Po des mindestens einen an das Brennstoffzellensystem 14 an- geschlossenen Energieaufnehmers. Damit ergibt sich ein opti- maler Betriebspunkt"B". Das Brennstoffzellensystem 14 ist auf den Maximalbedarf Pmax des Bordnetzes und der Nebenaggre- gate 22,24 ausgelegt. Das Brennstoffzellensystem 14 läuft gemäß der Erfindung sowohl bei dem Optimal-Energiebedarf Po als auch bei einem Energie-Minderbedarf Pi in dem Optimal- Betriebspunkt"B", bei welchem der maximale Wirkungsgrad Nm gegeben ist, oder in einem Betriebsbereich, welcher dem Opti- mal-Betriebspunkt"B"angenähert ist oder diesen enthält.

Dies wird dadurch erreicht, dass bei einem Minderbedarf Pl die zuviel erzeugte Überschussleistung AP (Differenz zwischen dem Energie-Minderbedarf P1 und dem Optimal-Energiebedarf Po bei maximalem Wirkungsgrad nom=) an mindestens eine der elekt- rischen Maschinen 8 und 10 für den Fahrantrieb oder in den E- nergiespeicher 12 abgegeben wird. Die optimale Energie bzw.

Leistung Po, bei welcher der maximale Wirkungsgrad rjmax sys- tembedingt gegeben, beträgt beispielsweise für einen Perso- nenkraftwagen 2,5 kW. Der Wert kann je nach Art des Fahrzeu- ges beispielsweise zwischen 1,5 kW und 5,0 kW liegen. Bei ei- ner optimalen Leistung (Optimal-Energiebedarf) Po von 2,5 kW und einem Minderbedarf Pi von 0,6 kW ergibt sich eine Über- schussleistung von 1,9 kW, die für den Fahrantrieb direkt verwendbar ist oder in dem Energiespeicher 12 zwischenspei- cherbar ist.

Auf diese Weise wird vermieden, dass das Brennstoffzellensys- tem 14 in einem Betriebsbereich mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird. Falls der optimale Betriebspunkt"B"nicht in den Bereich des maximalen Wirkungsgrades limas gelegt werden kann, wird er vorzugsweise eher in Richtung zum maximalen Leistungsbedarf Pmax hin verlegt als in Richtung zum Minderbe- darf P1, weil die Wirkungsgradkurve ausgehend vom maximalen Wirkungsgrad rjmaxn. nach unten wesentlich steiler abfällt als nach oben.

Das Brennstoffzellensystem 14 ist nur für eine so große Leis- tung ausgebildet, dass eine Grundversorgung für den Mindest- betrieb des Kraftfahrzeuges sichergestellt ist, beispielswei- se für das Starten des Verbrennungsmotors und für das Starten des Brennstoffzellensystems sowie die für den Betrieb des Kraftfahrzeuges notwendige Lichtanlage. Vorzugsweise dient jedoch die Grundversorgung des Brennstoffzellensystems 14 auch zur Energieversorgung für Bordeinrichtungen wie bei- spielsweise eine Klimaanlage und/oder vorstehend genannte Ne- benaggregate.

Durch die Erfindung ergeben sich beispielsweise folgende Vor- teile : Hohe Energieeinsparung ; hoher Gesamt-Wirkungsgrad des Kraft- fahrzeuges durch Brennstoffzellen-Stromversorgung und Strom- rekuperation durch Betrieb einer oder mehrerer elektrischer Maschinen als Generator, welche vom rollenden Kraftfahrzeug und/oder vom Verbrennungsmotor antreibbar sind ; Energiever- sorgung bei Fahrzeugstillstand, insbesondere bei ausgeschal- tetem Verbrennungsmotor, was besonders geräuscharm, effektiv und umweltschonend ist ; Entlastung des Energiespeichers 12, womit dieser eine höhere Lebensdauer hat ; es ist auch ein rein elektrischer Fahrzeugantrieb dauerhaft möglich, solange nur kleine Leistungen gefordert werden ; alle bekannten Vor- teile eines Hybridantriebes bleiben erhalten.