DE10200120B4 - Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems in einem Elektrofahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems in einem Elektrofahrzeug Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems (44) in einem Elektrofahrzeug, mit folgenden Schritten:Ermitteln der Fahrzeuglast;Berechnen einer gewünschten Ausgangsstromstärke für das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44), beruhend auf der Fahrzeuglast;Betreiben des lastabhängigen Stromgeneratorsystems (44) in seinem effizientesten Arbeitsbereich;Berechnen der verfügbaren Ausgangsstromstärke von dem lastabhängigen Stromgeneratorsystem (44) bei Betrieb im effizientesten Arbeitsbereich;Ermitteln, ob eine Energiespeicherquelle (54) zur Nivellierung der Fahrzeuglast benötigt wird, durch Vergleich der gewünschten Ausgangsstromstärke mit der genannten bei Betrieb im effizientesten Arbeitsbereich verfügbaren Ausgangsstromstärke;Nivellierung der Fahrzeuglast in Abhängigkeit des genannten Vergleichs durch Zuschalten der Energiespeicherquelle (54) zur Kompensation von Leistungsdefiziten, wenn die verfügbare Ausgangsstromstärke kleiner als die gewünschte Ausgangsstromstärke ist, und Laden der Energiespeicherquelle (54) vom lastabhängigen Stromgeneratorsystem (44), wenn die verfügbare Ausgangsstromstärke größer als die gewünschte Ausgangsstromstärke ist; undWiedergewinnung kinetischer Energie des Fahrzeugs aus regenerativen Bremsen und Speicherüng der hierdurch erzeugten elektrischen Energie in der Energiespeicherquelle (54), dadurch gekennzeichnet, dassdas Laden der Energiespeicherquelle (54) durch das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44) und das regenerative Bremsen bei Erreichen unterschiedlich großer Obergrenzen (SOCb; SOCb5) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird derart, dass das Laden der Energiespeicherquelle (54) durch das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44) bei Erreichen einer ersten Obergrenze (SOCb4) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird, dass das Laden der Energiespeicherquelle (54) durch regeneratives Bremsen erst bei Erreichen einer zweiten Obergrenze (SOCb5) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird, wobei die Energiespeicherquelle (54) als Hilfsenergiequelle eingesetzt wird, bis der Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) auf die genannte erste Obergrenze (SOCb4) abgefallen ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems in einem Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Notwendigkeit, den Verbrauch fossilen Kraftstoffs und die Luftverschmutzung, die durch Automobile und andere von Verbrennungsmotoren angetriebene Fahrzeuge erzeugt werden, zu verringern, ist weitgehend bekannt. Es sind Fahrzeuge in Entwicklung, die von alternativen Energiequellen betrieben werden, z.B. sind im Stand der Technik Fahrzeuge mit batteriegespeisten elektrischen Antriebsmotoren gut bekannt. Andere elektrisch betriebene Motorfahrzeuge sind bekannt, die lastabhängige Stromgeneratoren haben. Ein Beispiel eines solchen lastabhängigen Systems ist ein Brennstoffzellensystem. Brennstoffzellen erzeugen elektrische Leistung durch elektrochemische Reaktionen eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel, z.B. Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei entsteht durch die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, Wasser, ein Produkt, das leicht zu entsorgen ist. Hier sei allgemein auf das Mufford erteilte US-Patent Nr. US 5 991 670 A verwiesen.
  • Der Wunsch an elektromotorisch betriebenen Fahrzeugen ist einleuchtend. Dennoch gibt es beträchtlichen Raum für Entwicklungen, die die Fahrzeugleistung verbessern. Beispielsweise zieht in einem typischen, batteriebetriebenen Elektrofahrzeug das elektromotorische Antriebssystem (die Last) nach Bedarf Strom aus der Batterie, um in einer „offenen Schleife“ mehr oder weniger Antriebsleistung zu erzeugen. In diesem Fall folgt die Batterie automatisch der Last, d.h. sie bildet ein „Lastfolgesystem“.
  • Eine Brennstoffzellenenergiequelle oder andere lastabhängige Stromgeneratoren stellen eine noch komplexere Herausforderung dar. Hier kann das Elektromotorantriebssystem den Strom nicht länger in der oben beschriebenen offenen Schleife ziehen. Steuer/Regelalgorithmen für diese Systemarten sind im Stand der Technik bekannt. Eine Regelung dafür muss dem Brennstoffzellensystem (FCS) einen „Strombefehl“ liefern, um dessen Ausgangsleistung einzustellen, woraus sich eine momentane „Stromverfügbarkeit“ ergibt. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem (FCS) ebenfalls ein Lastfolgesystem sein.
  • Unerwünschte Effekte oder Probleme ergeben sich, wenn der tatsächliche, von der Last gezogene Strom die Stärke des zur Verfügung stehenden Stroms nicht zieht. Wenn zunächst die von der Last gezogene Iststromstärke über der von dem FCS zur Verfügung gestellten Stromstärke liegt, sinkt die von dem FCS erzeugte Hochspannung auf dem Gleichstrombus in unerwünschter Weise ab, z.B. kann sie tiefer sinken als das FCS vorgegeben hat und verursacht Probleme im FCS. Wenn zum anderen der von der Last gezogene Istwert des Stroms auf dem Gleichstrombus größer ist als das FCS zur Verfügung stellt, kann die Fahrzeugbatterie den zusätzlichen Strombedarf zur Erfüllung des Strombefehls zur Verfügung stellen („als Lastnivellierer“ wirken).
  • Es gibt andere technische Hindernisse bei der kommerziellen Verwirklichung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen. Eine wesentliche Herausforderung stellt der Kaltstart dar. So wurde noch kein erfolgreicher Kaltstart, der sowohl schnell als auch sauber ist, demonstriert. Es gibt Bedarf, eine große thermische Masse schnell zu erhitzen. Der Brennstoffprozessor enthält eine Anzahl von Katalysatorbetten und deshalb gibt es die Notwendigkeit, einen Kompromiss zwischen einer beträchtlichen Masse, die für die Dauerhaftigkeit notwendig ist, und einer leichten Konstruktion für eine schnelle Reaktion. Der Kaltstart benötigt auch den Eingriff besonderer Regeltechniken. Stapelverarbeitung bei der Prozessausrüstung kann in dieser Hinsicht viel bieten.
  • Außer dem Kaltstart machen der Brennstoffzelle transiente Betriebszustände Schwierigkeiten. Die Auswahl der Verarbeitungstechniken und deren Realisierung ist für das Ziel der korrekten Wirkungsweise bei solchen Übergangszuständen grundlegend. Für Personenwagen sind Übergangszustände besonders auf die Erfüllung der Abgaskriterien unter gleichzeitiger Lieferung ausreichender Leistung für die Antriebserfordernisse zu prüfen. Zur Erfüllung derartiger Kriterien sind Steuer/Regelungstechniken und die Hybridisierung grundlegende Aussagen für das System. Antriebsmotoren setzen im Stadtverkehr während häufiger Stopps mechanische Energie als Wärme frei. Regenerative Bremsvorgänge, die mit lastnivellierender Energie, wie sie in einer Fahrzeugbatterie gespeichert ist, gekoppelt sind, können eine beträchtliche Menge dieser Energie zurückgewinnen und dadurch den Brennstoffverbrauch senken.
  • Somit gibt es Bedarf, ein leistungsfähiges und kostengünstiges Verfahren und System zu entwickeln, um eine lastfolgende Energiequelle (wie z.B. ein Brennstoffzellensystem) in Kombination mit einer lastnivellierenden Energiequelle (wie z.B. eine Batterie) bei gleichzeitig guter Antriebsfähigkeit des Fahrzeuges zu steuern bzw. zu regeln.
  • Leistungsregelstrategien für die Kombination einer Brennstoffzelle mit einem Batterieenergieregelsystem sind im Stand der Technik bekannt. Die US 5 929 595 A beschreibt die Regelung eines Elektrofahrzeugs, das einen elektrischen Hilfsgenerator hat, der z.B. von einem Dieselmotor angetrieben wird. Dieses System möchte den Betrieb eines herkömmlichen ICE-Fahrzeuges in Übereinstimmung mit dem Ladezustand einer Batterie bringen und Batterien für die Lastnivellierung verwenden. Diese Erfindung geht jedoch, obwohl sie nützlich ist, nicht auf die wirksamsten Mittel zur Regelung/Steuerung des Systems ein.
  • Die US 5 780 980 A das sich mit der Regelung eines elektrischen Antriebsstrangs befasst, beschreibt einen Regler für ein Elektrofahrzeug, jedoch ist die Brennstoffzelle darin klein und dient lediglich zum Laden der Batterie, wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie auf einen bestimmten Grenzwert abgefallen ist. Die US 5 820 172 A beschreibt die Verwendungsmöglichkeit einer Brennstoffzellen/Batterie-Kombination, um die Leistungsanforderungen mit geringsten Brennstoffkosten zu erfüllen. Dieses System hängt primär nicht von der Verwendung eines FCS für ein Lastfolgesystem und einer Batterie für ein Lastnivellierung ab. Außerdem betrachtet dieses Patent nicht den regenerativen Bremsvorgang, um kinetische Energie zurückzugewinnen und auch nicht die Unterstützung beim Anlauf durch die Batterie (was die Erwärmung der Brennstoffzelle, Leistungszufuhr zu einer Brennstoffpumpe und Leistungszufuhr zu einem Antriebsmotor einschließt). Außerdem behandelt dieses Patent nicht die nutzbare Lebensdauer, die Dauerhaftigkeit und Leistungscharakteristika der Batterie und der Brennstoffzelle.
  • Die US 5 898 282 A beschreibt ein wirksames Verfahren zur Regelung eines Elektrofahrzeugs mit Hybridantrieb mit einer einzigen Energiequelle (wie z.B. eine ICE Brennstoffzelle oder Metall-Luftzelle) basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem regenerativen Bremsen und Systemspannungspegeln. Wieder behandelt dieses Regelungssystem den Kaltstart eines Brennstoffzellensystems nicht. Batterie, SOC und Kaltstart beeinflussen diese Strategie nicht. Außerdem betrachtet dieses Patent nicht die Auswirkung von Batteriegebrauchswerten auf die nutzbare Lebensdauer der Batterie.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems in einem Elektrofahrzeug der eingangs genannten Art ist aus der Schrift WO 98/ 56 058 A1 bekannt. Diese Schrift erwähnt es, die Brennstoffzelle vorzugsweise in einem Betriebspunkt mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, dies jedoch nur solange der Ladezustand der Batterie des Systems einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet. Fällt der Ladezustand der Batterie unter einen unteren Schwellwert ab, wird die Brennstoffzelle stärker zugeschaltet und ggf. auch in einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben.
  • Ferner beschreibt die Schrift DE 195 41 575 A1 ein Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle lastabhängig so geregelt wird, dass sie den angeforderten Strom bereitstellt, auch wenn dies aus dem Betriebsbereich des optimalen Wirkungsgrades der Brennstoffzelle herausführt, beispielsweise wenn ein Fahrzeugführer das Gaspedal vollständig durchdrückt.
  • Die Schrift DE 198 10 467 C1 schlägt vor, eine Brennstoffzelle zusammen mit einem Energiespeicher zu verwenden, so dass bei Bedarf zusätzliche Energie aus dem Energiespeicher zugeschaltet werden kann und umgekehrt im Bremsbetrieb von dem dann als Generator arbeitenden Motor Energie in den Energiespeicher gespeist werden kann. Die Brennstoffzelle wird lastabhängig geregelt, wobei die Brennstoffzelle auch hier außerhalb ihres Betriebsbereichs optimalen Wirkungsgrades betrieben wird, wenn die Gaspedalstellung dies erfordert.
  • Leider gibt es keine sowohl effiziente als auch kostengünstige Regelstrategie für Elektrofahrzeuge mit Hybridantrieb bei gleichzeitig akzeptablen Antriebsbedingungen, die sowohl das regenerative Bremsen, einen den Kraftstoffverbrauch positiv beeinflussenden Batterieladevorgang, den Kaltstart und die Lastnivellierung einbezieht.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Regelung/Steuerung eines Energieversorgungssystems zu schaffen, das in Kombination eine Brennstoffzelle und ein Batteriepack hat, um einen effizienten und kostengünstigen Antriebsstrang mit akzeptablen Fahreigenschaften und ohne Abgase oder mit reduzierten Abgasemissionen zu ermöglichen.
  • Eine weitere Aufgabe zielt dahin, die Wartungskosten des Fahrzeugs durch die Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer der Batterie und Erhöhung der Brennstoffeffizienz zu senken.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Senkung der Fahrzeugkosten durch Verringerung der für einen hybriden Elektrofahrzeugantrieb benötigten Brennstoffzellengröße zu erzielen.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in einer schnellen Reaktion auf Laständerungen.
  • Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, einen raschen Kaltstart zu erzielen.
  • Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Kraftstoffverbrauch durch Wiedergewinnung, Speicherung und Wiederverwendung der kinetischen Energie des Fahrzeugs, die beim Bremsvorgang normalerweise als Wärme abgegeben wird.
  • Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht eine allgemeine Fahrzeugsystemregelung/steuerung für ein einen elektrischen Antriebsmotor verwendendes Brennstoffzellensystem.
    • 2 veranschaulicht die Effizienz des Brennstoffzellensystems als Funktion der abgegebenen Leistung.
    • 3 veranschaulicht, dass das Leistungssystem aus einem Brennstoffzellensystem und einem parallel geschalteten Batteriepack (oder Batteriemodul) besteht.
    • 4 zeigt Pulsformen bei einem gepulsten Batterieladevorgangs.
    • 5 stellt eine Regel/Steuerstrategie für das aus einem kombinierten FCS 44 und einer Batterie 54 bestehenden Fahrzeugantriebssystems während des Anlaufens des FCS 44.
    • 6 veranschaulicht eine Regel/Steuerstrategie für ein Fahrzeugantriebssystem, das aus der Kombination eines FCS 44 und einer Batterie 54 besteht, während einer Laständerung.
    • 7 veranschaulicht eine Regel/Steuerstrategie für das Fahrzeugantriebssystem, das aus der Kombination eines FCS 44 und eine Batterie 54 besteht, während stationärer Lastzustände.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Diese Erfindung betrifft generell ein Verfahren zum Regeln eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems, z.B. eines Brennstoffzellensystems (FCS) in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Wechsel- oder Gleichstromantriebsmotor. Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform ein FCS beschrieben wird, kann jedwedes elektrisch angetriebene Fahrzeug mit einem lastabhängigen Stromgeneratorsystem, beispielsweise Verbrennungsmotoren und Metall-Luftzellen verwendet werden.
  • Dabei kann ein Fahrzeug-Energieerzeugungssystem aus einer lastnivellierenden Energiequelle (bevorzugt ein Batteriepack) in Kombination mit einer Energiequelle (Brennstoffzellen), die ein Lastfolgesystem bildet, verwendet werden. Dabei wird eine neuartige Konfiguration und Arbeitsweise für die effiziente Energieversorgung eines Elektrofahrzeugs und ermöglicht eine schnelle dynamische Reaktion auf die Last, die Kaltstartzustände einschließt, erzielt.
  • 1 zeigt ein Diagramm der Hauptkomponenten der bevorzugt eine Brennstoffzelle und eine Batterie aufweisenden Ausführungsform unter Verwendung jedes beliebigen geeigneten elektrischen Antriebsmotors. Der Fahrerbedarf wird von einer innerhalb einer Fahrzeugsystemsteuerung („VSC“) 20 vorgesehenen Applikationssteuereinheit 18 ermittelt, die von einem Gaspedalpositionsfühler 22, einem Bremspedalpositionsfühler 24, einem Zündschloss-Ein/Aus-Fühler 26, einem Gangselektorfühler 28 und verschiedenen Systemtemperaturfühlern (Temperaturen) 30 abgegebene Signale empfängt. Andere Systembeschränkungen und Bedingungen können ebenfalls zur Ermittlung des Fahrerbedarfs in Betracht gezogen werden.
  • Die Applikationssteuereinheit 18 gibt eine „Iq-Drehmomentanforderung“ 32 an eine Motorsteuerung 34, die dementsprechend einen elektrischen Antriebsmotor 36 eines Fahrzeugs speist. Die Applikationssteuereinheit 18 empfängt auch Motorregelungs-Rückkoppeldaten 38 von der Motorsteuerung 34. Die Motorsteuerung 34 ist dafür verantwortlich, den Drehmomentbefehl der Applikationssteuereinheit 18 schnell, glatt und effizient für den im System eingesetzten Typ des Motors 36 auszuführen.
  • Auf der Basis des Fahrerbedarfs gibt die Applikationssteuereinheit 18 auch ein Signal: „can-out-curr-demand“ 40 (der Befehl für den gewünschten Strom) an eine Brennstoffzellensystemsteuereinheit 42, die dementsprechend Befehle an ein Brennstoffzellensystem 44 und einen Batterieregler 50 gibt, der entsprechend einer Fahrzeugbatterie Befehle erteilt. Die Applikationssteuereinheit 18 empfängt auch ein Signal: „can-in-curr-aval“ 46 und ein Signal: „can-in-max-curr“ 52 von der Brennstoffzellensystemsteuereinheit 42 und dem Batterieregler 50. Die der Applikationssteuereinheit 18 von der Brennstoffzellensystemsteuerung 42 eingegebenen Signale: „can-in-curr-aval“ 46 und „can-in-max-curr“ 52 geben die maximale Stärke des Stroms 48, den das Brennstoffzellensystem 44 liefern kann (can-in-max-curr 52) und eine momentan zur Verfügung stehende Stärke des Stroms 48 an (can-in-curr-aval 46). Das Signal: „can-in-curr-aval“ 46 und das Signal: „can-in-max-curr“ 52, die der Applikationssteuereinheit 18 von dem Batterieregler 50 eingegeben werden, geben die maximale Stärke des Stroms 48, die die Batterie 54 liefern kann (Can-in-max-curr 52) und die jeweils momentan zur Verfügung stehende Stärke des Stroms 48 an (Can-in-curr-aval 46).
  • Zusammengefasst ist die wesentliche Ausgangsgröße von der Applikationssteuereinheit 18 an die Brennstoffzellensystemsteuereinheit 42 und den Batterieregler 50 der Strombedarf: „can-out-curr-demand“ 40. Das entscheidende Ausgangssignal von der Applikationssteuereinheit 18 an den Motorregler 34 ist das angeforderte Drehmoment: „Iq-Drehmomentanforderung“ 32. Die wesentlichen Eingangsgrößen zur Applikationssteuereinheit 18 kommen von dem Motorregler 34 und sind verschiedene Motorregel-Rückkopplungsdaten 38. Die wichtigen Eingangsgrößen bzw. Signale zur Applikationssteuereinheit 18 von der Brennstoffzellensystemsteuereinheit 42 und dem Batterieregler 50 sind die Stärke des Stroms 48, die das Brennstoffzellensystem 44 und die Batterien 54 zur Verfügung stellen können (can-in-max-curr 52) und die momentan zur Verfügung stehende Stärke des Stroms 48 (can-in-currout 46). Zusätzlich stellt die Applikationssteuereinheit 18, wenn der Zündschlossfühler 26 eine ausgeschaltete Position des Zündschlosses erfasst, sicher, dass der Strombefehl 48 null ist, wenn der Motor 36 aus oder entregt ist.
  • Der Wirkungsgrad des FCS 44 ändert sich mit seiner Ausgangsleistung, wie in 2 veranschaulicht ist. In 2 sind auf der Y-Achse der Wirkungsgrad 60 des Brennstoffzellensystems in Prozent und auf der X-Achse prozentual dessen Ausgangsleistung 62 angegeben. Die Kurve 64 des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems zeigt, dass, wenn die Ausgangsleistung 62 des Brennstoffzellensystems niedrig ist, der Wirkungsgrad 60 des Brennstoffzellensystems sehr gering ist, und sein Maximum erreicht, wenn die Ausgangsleistung 62 des Brennstoffzellensystems 6% bis 60% ihres Maximums beträgt.
  • Das Verfahren zielt darauf ab, das Fahrzeug-FCS 44 in diesem effizientesten Bereich von 6% bis 60% arbeiten zu lassen, das FCS 44 während des Kaltstarts zu unterstützen und eine dynamische Reaktion bei transienten Zuständen zu erzielen, die das FCS 44 allein nicht erzielen kann. Dazu ist die Anwendung einer Regelstrategie in der Applikationssteuereinheit 18 und für die Batterie 54 erforderlich.
  • Das FCS 44 arbeitet aufgrund seiner parasitären Last, wenn seine Ausgangsleistung niedrig ist, weniger effizient als die Batterie 54. Die parasitäre Last bilden z.B. ein Luftverdichter, die Brennstoffpumpe u.s.w., die eine beträchtliche Menge der elektrischen Energie verbrauchen. Unglücklicherweise hat die Batterie 54 eine verhältnismäßig niedrige Energiedichte. Die Batterie 54 in dieser Erfindung ist dafür vorgesehen, als Lastnivelliervorrichtung zu arbeiten, um die dynamischen Reaktion beim Kaltstart zu erzielen und um Energie aus dem regenerativen Bremsen zu sammeln. Die Verwendung von Zusatzenergie aus der Batterie 54 verringert die Größe der Brennstoffzelle und damit auch die Kosten.
  • Das FCS 44 kann auch den Batteriepack 54 laden, wenn der Drehmomentbedarf des Fahrzeugs oder die Last klein sind oder wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie 54 niedrig ist. Die Ladeeffizienz der Batterie 54 beeinflusst den Brennstoffwirkungsgrad des Fahrzeugs. Durch eine geeignete Kombination des FCS 44 mit der Batterie 54 kann der Brennstoffwirkungsgrad erhöht werden.
  • Die Zusatzleistung der Batterie 54 hat eine begrenzte nutzbare Lebensdauer, und außerdem ist die Brennstoffökonomie verringert, wenn die Lastnivellierbatterie 54 ungeeignete Lade- und Entladevorgänge erfährt. Ein frühzeitiger Kapazitätsverlust wird eine Verkürzung der nutzbaren Lebensdauer der Batterie 54 verursachen. Eine begrenzte Batterielebensdauer erhöht ihrerseits die Wartungskosten für das Fahrzeug.
  • 3 veranschaulicht ein Antriebssystem, bei dem das Brennstoffzellensystem 44 und die Batterie 54 (oder ein Batteriemodul) parallel geschaltet sind (die Verbindungen mit der Fahrzeugsystemsteuerung 20 sind nicht gezeigt). Eine Diode 56 (oder alternativ jedes, eine Diode und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) aufweisende System) hat mehrere Funktionen. Wenn die von der Last(dem Motor 36)-geforderte Leistung gering ist, liefert das FCS 44 Strom oder Spannung, um die Batterie 54 wirksam zu laden, wenn deren Ladezustand (SOC) niedrig ist. Bei hohem Leistungsbedarf liefern sowohl die Batterie 54 als auch das FCS 44 Leistung, um den Lastbedarf zu erfüllen. Außerdem sollte ein Inverter 58 dem FCS 44 und/oder der Batterie 54 zugeordnet sein, um die von der Regelstrategie dieser Erfindung geforderte richtige Energie und Energieverteilung sicherzustellen.
  • Die Strategie wird am besten unter den nachstehend veranschaulichten Annahmen für die verschiedenen Komponenten der Anordnung begreiflich. Die maximale Ausgangsleistung des FCS 44 ist Pfmax = P1. Der Ladezustand SOC des FCS 44 ist mit SOCf bezeichnet. Der effizientere Arbeitsbereich des FCS 44 wird mit Pf bezeichnet. Die vom FCS 44 zur Verfügung stehende transiente Leistung ist mit Pa bezeichnet. Wenn der Ladezustand SOCf kleiner ist als ein unterer Grenzwert SOCf1, wird ein Warnsignal abgegeben.
  • Die maximale Ausgangsleistung (Spitzen- oder Dauergrenzleistung) der Batterie 54 ist Pbmax = P2. Der Ladezustand SOC der Batterie 54 ist mit SOCb bezeichnet. Die Leistungserfordernisse für die Fahrzeuglast (z.B. für den Motor 36) ist Preq. In der bevorzugten Ausführungsform sind Batterie 54 und FCS 44 einander parallel geschaltet.
  • Der Inverter 58 kann dem FCS 44 und/oder der Batterie 54 zugeordnet sein, um die von der Regelstrategie dieser Erfindung geforderte richtige Energie und Energieverteilung sicherzustellen. Z.B. beträgt die Spannung des FCS 44 bei offener Schaltung 450 V und die Spannung des Batteriepacks aus 240 Ni/MH-Zellen beträgt bei offener Schaltung (wenn voll geladen) 340 V. FCS 44 und Batterie 54 können nicht beide die von der Last angeforderte Spitzenleistung liefern. Aus diesem Grund benötigt man Inverter, die die Flexibilität ermöglichen, dass FCS 44 und Batterie 54 bei Bedarf die benötigte Leistung abgeben.
  • Die Untergrenze des SOC der Batterie 54, bei der diese keine Leistung mehr abgibt, ist SOCb1. Die Untergrenze des SOC für die Batterie 54, so dass diese keine Leistung an einen Hochspannungsbus abgibt (oder Leistung, um den Leistungsdefizit des FCS 44 auszugleichen, jedoch nicht die beim Anlauf des FCS 44 benötigte Leistung liefert) ist SOCb2. Die SOC-Untergrenze für die Batterie 54, um den Aufladevorgang von der FCS 44 zu starten, ist SOCb3. Die Obergrenze des SOC für die Batterie 54, um den Ladevorgang von dem FCS 44 zu unterbrechen, ist SCOb4. Die Obergrenze des SOC, damit das Aufladen der Batterie 54 aus dem regenerativen Bremsen stoppt, ist SOCb5. Dabei sind 0 - 10% < SOCb1 < 10 - 20%; 10 - 20% < SOCb2 < 30 - 50%; 40 - 50% < SOCb3 < 70 - 80%; 70 - 80% < SOCb4 < 70 - 90%; 75 - 85% < SOCb5 ≤ 100%.
  • Der Leistungsbedarf von der Last (die Leistung, die für den Inverter 58 benötigt wird) ist Preq. Der Inverter 58 ist notwendig, damit ausreichend Flexibilität für die von der Batterie 54 und dem FCS 44 benötigte Leistung zur Verfügung steht.
  • Die Batterie 54 kann (aus dem FCS 44 oder dem regenerativen Bremsen) mit Konstantstrom, Konstantspannung oder mit einer Kombination beider geladen werden. Die Batterie 54 kann aus dem FCS 44 und dem regenerativen Bremsen auch mit einem Pulsladeverfahren geladen werden, welches die Ladeeffizienz und die nutzbare Lebensdauer der Batterie 54 erhöht. Für den Pulsladebetrieb kann die Pulsform eine der in 4 dargestellten sein. In 4 kann die Pulsdauer 212 und die Pulsamplitude 66 während des Ladevorgangs moduliert werden. Die Pulsamplitude 66 kann in der 0,1C- bis 10C-Rate liegen (1C-Rate bedeutet den Einsatz des Stroms, der die Batterie in einer Stunde bis zur Nennkapazität entladen kann; 0,1C ist ein Zehntel dieser 1C-Rate und 10C ist das Zehnfache der 1C-Rate). Die Puldauer 212 kann eine Mikrosekunde bis 10 Mikrosekunden betragen. Die Ruhedauer 68 kann 0,1 Millisekunden bis 10 Millisekunden betragen.
  • Während des Anlaufs des FCS 44 wird, wenn SOCb5 > SOCb > SOCb2 ist, immer die Batterie 54 als Anlaufhilfe des FCS 44 benutzt (einschließlich des Aufwärmens des FCS 44 und der Leistungsversorgung des FCS 44). Der Grund dafür ist, dass sich die zur Unterstützung des Anlaufs der Brennstoffzelle notwendige Energie mit der Umgebungstemperatur ändert und dass sich die Batteriekapazität wie auch die Entladungsrate der Batterie 54 mit der Umgebungstemperatur ändern. Die Grenzwerte SOCb2, SOCb3 und SOCb4 können mit der Umgebungstemperaturänderung veränderlich gestaltet werden. Beispielsweise kann SOCb2 bis auf 95% erhöht werden, um den Anlauf der Brennstoffzelle besser zu unterstützen, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist (z.B. -15°C).
  • Unter den oben angeführten Annahmen verwendet die in den 5, 6 und 7 dargestellte Regelungsstrategie von den Gesichtspunkten der Brennstoffeffizienz und den Fahreigenschaften des Fahrzeugs abgeleitete Arbeitsweisen.
  • 5 veranschaulicht eine Regelstrategie für das aus der Kombination des FCS 44 mit der Batterie 54 bestehende Fahrzeugantriebssystem während des Anlaufs des FCS 44. Bei Beginn der Anlaufstrategie ermittelt der VSC 20 im Schritt 70, ob SOCf > 0 ist. Wenn SOCf nicht > 0 ist, gibt die Regelstrategie einen Befehl 72, der den Anlauf des FCS anhält und ein Warnsignal an die Bedienperson des Fahrzeugs abgibt. Wenn im Schritt 70 SOCf > 0 ist, schreitet die Strategie mit Schritt 74 fort. Im Schritt 74 wird ermittelt, ob SOCf > SOCf1 ist. Wenn SOCf nicht > SOCf1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 76 aus, um ein Warnsignal an die Bedienperson des Fahrzeugs abzugeben, und fährt mit Schritt 78 fort. Wenn im Schritt 74 SOCf > SOCf1 ist, fährt die Strategie mit Schritt 78 fort. Im Schritt 78 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≥ SOCb1 ist. Wenn im Schritt 78 SOCb nicht ≥ SOCb1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 80 zum Start des FCS 44 ohne Unterstützung durch die Batterie 54 aus. Wenn im Schritt 78 SOCb ≥ SOCb1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 82 aus, um das FCS 44 mit Hilfe der Batterie 54 zu starten.
  • 6 veranschaulicht eine Regelstrategie für das aus der Kombination des FCS 44 mit der Batterie 54 bestehende Fahrzeugantriebssystems während einer Laständerung. Beim Start der Strategie wird zuerst in Schritt 84 ermittelt, ob SOCf > 0 ist. Wenn SOCf nicht > 0 ist, gibt die Strategie einen Befehl 86 aus, um den Leistungsbezug vom FCS 44 zu stoppen und gibt an die Bedienperson des Fahrzeugs ein Warnsignal ab. Wenn SOCf > 0 ist, geht die Strategie mit Schritt 88 weiter. Im Schritt 88 ermittelt die Strategie, ob SOCf > SOCf1 ist. Wenn SOCf nicht > SOCf1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 90 aus, um die Bedienperson mit einem Warnsignal zu warnen, und schreitet mit Schritt 92 fort. Wenn im Schritt 88 SOCf > SOCf1 ist, geht die Strategie zum Schritt 92. Im Schritt 92 ermittelt die Strategie, ob SOCb > SOCb2 ist. Wenn SOCb nicht > SOCb2 ist, gibt die Strategie einen Befehl 94 aus, der das Fahrzeug mit dem FCS 44 ungeachtet des Leistungsbedarfs ohne Batteriehilfe 54 betreibt. Wenn SOCb ≥ SOCb2 ist, geht die Strategie mit Schritt 96 weiter. Im Schritt 96 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb5 ist. Wenn SOCb nicht ≤ SOCb5 ist, gibt die Strategie einen Befehl 98 aus, der die Aufladung der Batterie unter Verwendung des regenerativen Bremsens unterbricht und liefert Energie aus der Batterie 54, bis SOC auf SOCb4 abgefallen ist, und verwendet das FCS 44, um irgendeinen Fehlbetrag bei der Leistungsanforderung auszugleichen. Wenn SOCb ≤ SOCb5 ist, gibt die Strategie einen Befehl 200 aus, um die Batterie 54 unter Verwendung des regenerativen Bremsens zu laden, bis SOC = SOCb5 ist und fährt dann mit Schritt 100 fort. Im Schritt 100 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb4 ist. Wenn SOCb nicht ≤ SOCb4 ist, gibt die Strategie einen Befehl 102 aus, das FCS 44 als Lastfolger zu betreiben und die Batterie 54 als Hilfsenergiequelle einzusetzen (z.B. um Fehlbeträge bei der Leistungsanforderung auszugleichen), bis SOC auf SOCb2 abgefallen. Wenn SOCb ≤ SCOb4 ist, fährt die Strategie mit Schritt 104 fort. Im Schritt 104 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb3 ist. Wenn SOCb nicht ≤ SOCb3 ist, gibt die Strategie einen Befehl 106 zum Laden der Batterie 54 aus dem regenerativen Bremsen aus, bis SOC = SOCb5 ist und zur Verwendung des FCS 44 als Lastfolger und der Batterie 54 als Hilfsenergiequelle (z.B. um Leistungsfehlbeträge auszugleichen), bis SOC auf SOCb2 gesunken ist. Wenn SOCb ≤ SOCb3 ist, geht die Strategie zu Schritt 108. Im Schritt 108 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb2 ist. Wenn SOCb nicht ≤ SOCb2 ist, gibt die Strategie einen Befehl 112 zum Laden der Batterie 54 durch das FCS 44 aus (Betrieb im effizienten Bereich oder mit Spitzenleistung), bis SOC = SOCb4 ist und setzt das FCS 44 als Lastfolger und die Batterie 54 als Hilfsleistungsquelle ein (zum Ausgleich von Leistungsfehlbeträgen), bis SOC auf SOCb2 gesunken ist. Wenn SOCb ≤ SOCb2 ist, gibt die Strategie einen Befehl 110 zum Laden der Batterie 54 durch das FCS 44 im effizienten Bereich oder mit Spitzenleistung aus, bis SOC = SOCb4 ist und setzt das FCS 44 zur Erfüllung des Leistungsbedarfs des Fahrzeugs ein.
  • 7 veranschaulicht eine Regelstrategie für das eine Kombination des FCS 44 mit der Batterie 54 aufweisende Fahrzeugantriebssystem während des stationären Zustands, d.h. weder während des Anlaufs des FCS 44, noch während einer Laständerung des Fahrzeugs. Beim Start der Strategie wird zunächst im Schritt 114 ermittelt, ob SOCf > 0. Wenn SOCf nicht > 0 ist, gibt die Strategie einen Befehl 116 aus, um den Leistungsbezug vom FCS 44 zu unterbrechen und gibt ein Warnsignal an die Bedienperson des Fahrzeugs und geht zum Schritt 118 weiter. Falls SOCf > 0 ist, geht die Strategie mit Schritt 118 weiter. Im Schritt 118 ermittelt die Strategie, ob SOCf > SOCf1 ist. Wenn SOCf nicht > SOCf1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 120 aus, der ein Warnsignal für die Bedienperson des Fahrzeugs erzeugt und geht mit Schritt 122 weiter. Wenn SOCf > SOCf1 ist, geht die Strategie mit Schritt 122 weiter. Beim Schritt 122 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≥ SOCb2 ist. Wenn SOCb nicht ≥ SOCb2 ist, gibt die Strategie einen Befehl 124 aus, um das Fahrzeug mit dem FCS 44 ohne Batteriehilfe ungeachtet des Leistungsbedarfs von der Last zu betreiben. Wenn SOCb ≥ SOCb2 ist, geht die Strategie mit Schritt 126 weiter, und im Schritt 126 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb5 ist. Falls SOCb nicht ≤ SOCb5 ist, gibt die Strategie einen Befehl 128 aus, der den Ladevorgang der Batterie 54 aus dem regenerativen Bremsen unterbricht und der Batterie 54 Leistung zuführt, bis SOC auf SOCb4 abgefallen ist. Das FCS 44 wird dazu eingesetzt, Fehlbeträge des Leistungsbedarfs auszugleichen. Wenn SOCb ≤ SOCb5 ist, gibt die Strategie einen Befehl 130 zum Laden der Batterie 54 aus dem regenerativen Bremsen aus, bis SOC = SOCb5 ist, und schreitet mit Schritt 132 fort. Beim Schritt 132 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb4 ist. Falls SOCb nicht ≤ SOCb4 ist, gibt die Strategie einen Befehl 134 aus, um das FCS 44 als Lastfolger und die Batterie 54 als Hilfenergiequelle einzusetzen (zur Erfüllung von Leistungsdefiziten), bis SOC auf SOCb2 abgefallen ist. Falls SOCb ≤ SOCb4 ist, geht die Strategie mit Schritt 136 weiter. Im Schritt 136 ermittelt die Strategie, ob SOCb ≤ SOCb3 ist. Wenn SOCb nicht ≤ SOCb3 ist, geht die Strategie zum Schritt 138 und ermittelt, ob Preq > Pf ist. Wenn Preq nicht > Pf ist, gibt die Strategie einen Befehl aus, um die Batterie 54 mittles Pf - Preq zu laden, bis SOCb = SOCb4 ist. Falls Preq > Pf ist, geht die Strategie mit Schritt 142 weiter und ermittelt, ob Preq > P1 ist. Wenn Preq nicht > P1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 144 zum Laden der Batterie 54 mittels P1 - Preq aus, bis SOCb = SOCb4 ist. Falls Preq > P1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 146 aus, um das FCS 44 als Lastfolger und die Batterie 54 als Hilfsleistungsquelle zu benutzen (zur Erfüllung eines Leistungsdefizits), bis SOC auf SOCb2 gefallen ist.
  • Zurück zu Schritt 136 geht, wenn SOCb ≤ SOCb3 ist, die Strategie mit Schritt 148 weiter und ermittelt, ob SOCb ≤ SOCb2 ist. Falls SOCb nicht ≤ SOCb2 ist, geht die Strategie zum Schritt 150 und ermittelt, ob Preq > Pf ist. Falls Preq nicht > Pf ist, gibt die Strategie einen Befehl 210 zum Aufladen der Batterie 54 mit Pf - Preq aus, bis SOC = SOCb4 ist. Falls Preq > Pf ist, fährt die Strategie mit Schritt 152 fort und ermittelt, ob Preq > P1 ist. Wenn Preq nicht > P1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 154 zum Laden der Batterie 54 mittels P1 - Preq aus, bis SOCb = SOCb4 ist. Falls Preq > P1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 156 zur Verwendung des FCS 44 als Lastfolger und der Batterie 54" als Hilfsleistungsquelle aus (z.B. zur Erfüllung eines Leistungsdefizits), bis SOC auf SOCb2 gefallen ist. Zurück zu Schritt 148 geht die Strategie, falls SOCb ≤ SOCb2 ist, zum Schritt 158 und ermittelt, ob Preq > P1 ist. Falls Preq nicht > P1 ist, geht die Strategie zum Befehl 160, um die Batterie 54 mit P1 - Preq zu laden, bis SOCb = SOCb4 ist. Falls Preq > P1 ist, gibt die Strategie einen Befehl 162 aus, um das FCS 44 zur Erfüllung des Leistungsbedarfs des Fahrzeugs zu verwenden.
  • Kurzgefasst wird eine Regelstrategie zur Verfügung gestellt, die auf die Brennstoffeffizienz eines Antriebs- und Leistungssystems mit kombiniertem Brennstoffzellenmotor und Batteriepackung abgestellt ist. Die Regelstrategie verringert außerdem die Wartungskosten des Fahrzeugs durch Erhöhung der Brennstoffeffizienz und der nutzbaren Lebensdauer der Batterie, verringert die Fahrzeugkosten, kann schnell auf Lastenänderungen reagieren, sorgt für schnellen Start und Energierückführung beim regenerativen Bremsen, ermöglicht die Unterstützung der Batterieleistung beim Beschleunigen und bei der Bergfahrt und ermöglicht dadurch ein kleineres, potentiell billigeres und effizienteres Brennstoffzellensystem FCS.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Regelung eines lastabhängigen Stromgeneratorsystems (44) in einem Elektrofahrzeug, mit folgenden Schritten: Ermitteln der Fahrzeuglast; Berechnen einer gewünschten Ausgangsstromstärke für das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44), beruhend auf der Fahrzeuglast; Betreiben des lastabhängigen Stromgeneratorsystems (44) in seinem effizientesten Arbeitsbereich; Berechnen der verfügbaren Ausgangsstromstärke von dem lastabhängigen Stromgeneratorsystem (44) bei Betrieb im effizientesten Arbeitsbereich; Ermitteln, ob eine Energiespeicherquelle (54) zur Nivellierung der Fahrzeuglast benötigt wird, durch Vergleich der gewünschten Ausgangsstromstärke mit der genannten bei Betrieb im effizientesten Arbeitsbereich verfügbaren Ausgangsstromstärke; Nivellierung der Fahrzeuglast in Abhängigkeit des genannten Vergleichs durch Zuschalten der Energiespeicherquelle (54) zur Kompensation von Leistungsdefiziten, wenn die verfügbare Ausgangsstromstärke kleiner als die gewünschte Ausgangsstromstärke ist, und Laden der Energiespeicherquelle (54) vom lastabhängigen Stromgeneratorsystem (44), wenn die verfügbare Ausgangsstromstärke größer als die gewünschte Ausgangsstromstärke ist; und Wiedergewinnung kinetischer Energie des Fahrzeugs aus regenerativen Bremsen und Speicherüng der hierdurch erzeugten elektrischen Energie in der Energiespeicherquelle (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der Energiespeicherquelle (54) durch das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44) und das regenerative Bremsen bei Erreichen unterschiedlich großer Obergrenzen (SOCb4; SOCb5) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird derart, dass das Laden der Energiespeicherquelle (54) durch das lastabhängige Stromgeneratorsystem (44) bei Erreichen einer ersten Obergrenze (SOCb4) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird, dass das Laden der Energiespeicherquelle (54) durch regeneratives Bremsen erst bei Erreichen einer zweiten Obergrenze (SOCb5) für den Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) gestoppt wird, wobei die Energiespeicherquelle (54) als Hilfsenergiequelle eingesetzt wird, bis der Ladezustand der Energiespeicherquelle (54) auf die genannte erste Obergrenze (SOCb4) abgefallen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als lastabhängiges Generatorsystem eine Brennstoffzelle (44) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Energiespeicherquelle eine Batterie (54) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des Fahrzeugzustands folgende Schritte ausgeführt werden: Ermitteln, ob eine Fahrzeuganlaufstrategie benötigt wird; Ermitteln, ob eine Fahrzeuglaständerungsstrategie benötigt wird; und Ermitteln, ob eine Strategie für den stationären Zustand des Fahrzeugs benötigt wird, und wobei in Abhängigkeit des ermittelten Fahrzeugzustands der Einsatz der Energiespeicherquelle (54) gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der effizienteste Arbeitsbereich 6% bis 60% der Leistungsfähigkeit beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, wobei weiterhin die Energiespeicherquelle (54) zur Unterstützung des Brennstoffzellensystems (44) beim Kaltstart verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine transiente dynamische Reaktion unter Verwendung der Energiespeicherquelle (54) zur Nivellierung der Fahrzeuglast verwendet wird.
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