DE102012010173A1

DE102012010173A1 - Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102012010173A1
Application number: DE102012010173A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Markus (FH) Aberle; Dipl.-Ing.(FH) Wiesner Peter; Jens Weber; Dr.-Ing Harald Teves; Rolf-Peter Eßling
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen und einem dem Fahrzeug zugeordneten Fahrzeugsteuergerät (10). Einem ersten der Brennstoffzellensysteme ist ein erstes Steuergerät (14) und einem zweiten der Brennstoffzellensysteme ist ein zweites Steuergerät (16) zugeordnet. Das erste Steuergerät (14) ist über eine erste Kommunikationseinrichtung (18) mit dem Fahrzeugsteuergerät (10) und das zweite Steuergerät (16) über eine zweite Kommunikationseinrichtung (20) mit dem ersten St4) ist als Master und das zweite Steuergerät (16) als Slave ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, welche wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme und ein dem Fahrzeug zugeordnetes Fahrzeugsteuergerät umfasst. Über wenigstens eine Kommunikationseinrichtung ist das Fahrzeugsteuergerät mit den wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen gekoppelt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in einem Fahrzeug zwei Brennstoffzellensysteme einzusetzen. Die Lastverteilung zwischen den beiden Brennstoffzellensystemen wird hierbei über ein vor geschaltetes Steuergerät realisiert, welches seinerseits mit dem Fahrzeugsteuergerät in Kommunikationsverbindung steht. Dies ist vergleichsweise aufwändig.
Des Weiteren beschreibt die US 2008/010 79 33 A1 ein Brennstoffzellensystem mit zwei oder mehr Brennstoffzellenstapeln.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders einfach ausgebildete Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art sowie ein entsprechend einfaches Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst ein erstes Steuergerät welches einem ersten der Brennstoffzellensysteme zugeordnet ist und ein zweites Steuergerät, welches einem zweiten der Brennstoffzellensteuersysteme zugeordnet ist.
Das erste Steuergerät ist über eine erste Kommunikationseinrichtung mit dem Fahrzeugsteuergerät und das zweite Steuergerät über eine zweite Kommunikationseinrichtung mit dem ersten Steuergerät gekoppelt. Hierbei ist das erste Steuergerät als Master und das zweite Steuergerät als Slave ausgebildet. Ist also das erste Steuergerät dem zweiten Steuergerät hierarchisch derart übergeordnet, dass das erste Steuergerät im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung Schaltbefehle erzeugt und das zweite Steuergerät im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung Schaltbefehle empfängt.
Diese Master-Slave-Topologie der Steuergeräte ermöglicht es, zwei Brennstoffzellensysteme parallel zu betreiben, ohne dass diesen Brennstoffzellensystemen ein separates Steuergerät vorgeschaltet zu werden braucht. Dadurch, dass kein zusätzliches, den Steuergeräten der Brennstoffzellensysteme vor geschaltetes Steuergerät eingesetzt zu werden braucht, lassen sich die mit dem Vorsehen eines zusätzlichen Steuergeräts verbundenen erheblichen Entwicklungskosten und Stückkosten vermeiden.
Zudem kommuniziert das Fahrzeugsteuergerät nur mit dem ersten Steuergerät des ersten Brennstoffzellensystems, nämlich mit dem Master-Steuergerät über eine einzige Kommunikationseinrichtung. Es braucht also an dem Fahrzeugsteuergerät keine weitere Schnittstelle für eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen zu werden.
Des Weiteren kann so das üblicherweise in dem Fahrzeug ohnehin vorhandene Fahrzeugsteuergerät in Verbindung mit zwei Brennstoffzellensystemen genutzt werden, selbst wenn das Fahrzeug nicht nur mit einem Brennstoffzellensystem, sondern wie vorliegend beschrieben mit mindestens zwei Brennstoffzellensystemen bestückt ist.
Da das Master-Steuergerät Schaltaufgaben übernimmt, welche die Steuerung der beiden Brennstoffzellensysteme betreffen, brauchen diese Aufgaben nicht vom Fahrzeugsteuergerät übernommen zu werden, und dieses kann besonders einfach ausgebildet sein. Auch die Schnittstellenausstattung des Fahrzeugsteuergeräts kann so besonders einfach gehalten werden, da nur eine Schnittstelle für die erste Kommunikationseinrichtung notwendig ist. Die Brennstoffzellenanordnung ist also besonders einfach ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Steuergerät zum Aufteilen einer über das Fahrzeugsteuergerät angeforderten Leistung auf die wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme ausgelegt. Die Lastverteilung erfolgt also über das Master-Steuergerät, und sie muss nicht mittels des Fahrzeugsteuergeräts oder eines vor geschalteten Steuergeräts durchgeführt werden. Dies verringert die an das Fahrzeugsteuergerät zu stellenden Anforderungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Steuergerät ein Standardmodul, welches dem Ansteuern des ersten Brennstoffzellensystems dient, und ein Mastermodul zum Ansteuern eines Standardmoduls des zweiten Brennstoffzellensystems. Ein solches Mastermodul kann als zusätzliches Softwaremodul im Master-Steuergerät vorgesehen sein, welches die Kommunikation mit dem Slave-Steuergerät und insbesondere die Lastverteilung übernehmen kann. Es braucht also lediglich das ohnehin zum Steuern des jeweiligen Brennstoffzellensystems vorgesehene Standardmodul und ein weiteres Mastermodul vorgesehen zu werden, um die einfach ausgebildete Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen.
Es kann jedoch auch ein vollständiger Austausch des Standardmoduls im ersten Steuergerät durch ein Modul vorgesehen sein, welches die Funktionalitäten des üblichen Standardmoduls und des Mastermoduls übernimmt. Besonders einfach ist es jedoch, wenn das Mastermodul zusätzlich zum Standardmodul vorgesehen ist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn sowohl das erste Steuergerät als auch das zweite Steuergerät jeweils ein Standardmodul zum Ansteuern des dem jeweiligen Steuergerät zugeordneten Brennstoffzellensystems und jeweils ein Mastermodul zum Ansteuern des Standardmoduls des anderen Brennstoffzellensystems aufweisen. Dann haben beide Brennstoffzellensysteme die gleiche Ausstattung. So kann wahlweise das erste Steuergerät oder das zweite Steuergerät als Master-Steuergerät verwendet werden und das jeweils andere Steuergerät dann als Slave-Steuergerät.
Bevorzugt sind hierbei Mittel zum Aktivieren des Mastermoduls des ersten Steuergeräts und zum Deaktivieren des Mastermoduls des zweiten Steuergeräts vorgesehen, sodass im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung lediglich eines der Mastermodule aktiv ist. Das Aktivieren des Mastermoduls des ersten Steuergeräts, welches dadurch zum Master-Steuergerät wird, kann durch Betätigen eines Schalters erfolgen.
Bevorzugt sind die Mittel als ein durch eine Software gebildeter Schalter ausgebildet. Dann kann besonders einfach und je nach Bedarf das Aktivieren der Master-spezifischen Funktionen im ersten Steuergerät und das Deaktivieren dieser Funktionen im zweiten Steuergerät vorgenommen werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die erste und die zweite Kommunikationseinrichtung als Brennstoffzellen-Busse, insbesondere als Brennstoffzellen-CAN-Busse ausgebildet sind. Dann kann nämlich die üblicherweise am Fahrzeugsteuergerät vorgesehene CAN-Schnittstelle zum Koppeln des Master-Steuergeräts mit dem Fahrzeugsteuergerät genutzt werden.
Besonders günstig ist es, wenn die zweite Kommunikationseinrichtung gleich aufgebaut ist wie die erste Kommunikationseinrichtung, damit für die Steuergeräte des ersten und des zweiten Brennstoffzellensystems eine identische Software zum Einsatz kommen kann.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn das jeweilige Brennstoffzellensystem als Brennstoffzellensystem für einen Personenkraftwagen ausgebildet ist. So können zwei standardisierte, für die Anwendung in einem Personenkraftwagen vorgesehene Brennstoffzellensysteme parallel betrieben werden, um mehr elektrische Leistung zu erhalten. So können als standardisierte Einheiten zur Verfügung stehende Brennstoffzellensysteme für andere Fahrzeuge als Personenkraftwagen zum Einsatz kommen.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Fahrzeugsteuergerät als Steuergerät eines Nutzfahrzeugs und die wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme zum Bereitstellen von elektrischer Energie für das Nutzfahrzeug ausgebildet sind. Dann kann die für ein Nutzfahrzeug wie beispielsweise einen LKW oder einen Bus vorzusehende elektrische Leistung besonders einfach durch die Verwendung von zwei oder mehr standardisierten Brennstoffzellensystemen bereitgestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug kommuniziert ein dem Fahrzeug zugeordnetes Fahrzeugsteuergerät über wenigstens eine Kommunikationseinrichtung mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen. Hierbei kommuniziert das Fahrzeugsteuergerät über eine erste Kommunikationseinrichtung mit einem ersten Steuergerät, welches einem ersten der Brennstoffzellensysteme zugeordnet ist. Das erste Steuergerät kommuniziert über eine zweite Kommunikationseinrichtung mit einem zweiten Steuergerät, welches einem zweiten der Brennstoffzellensysteme zugeordnet ist. Hierbei gibt das erste Steuergerät als Master Schaltbefehle an das zweite Steuergerät aus und das zweite Steuergerät empfängt als Slave die Schaltbefehle. So ist ein besonders einfacher und aufwandsarmer Betrieb der Brennstoffzellenanordnung ermöglicht, da auf ein zusätzliches Steuergerät verzichtet werden kann.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Master-Slave-Topologie von zwei Brennstoffzellensteuergeräten und einem Fahrzeugsteuergerät;
2 die Implementierung eines Master-Software-Moduls in ein Master-Brennstoffzellensteuergerät, wobei beide Brennstoffzellensteuergeräte Standardsoftware für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems für einen PKW aufweisen;
3 eine Topologie, bei welcher beide Brennstoffzellensteuergeräte sowohl ein Master-Softwaremodul als auch ein Standard-Softwaremodul für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines PKWs aufwiesen, wobei eines der Master-Softwaremodule aktiviert und das andere deaktiviert ist.
1 zeigt schematisch eine Topologie von Steuergeräten einer Brennstoffzellenanordnung, wie sie beispielsweise in einem wasserstoffbetriebenen Omnibus oder einem wasserstoffbetriebenen LKW oder dergleichen Nutzfahrzeug zum Einsatz kommen kann.
Ein erstes Steuergerät ist als Fahrzeugsteuergerät 10 des Nutzfahrzeugs ausgebildet, welches über einen CAN-Bus 12 mit Funktionseinheiten des Nutzfahrzeugs kommuniziert. Das Nutzfahrzeug weist zwei parallel betriebene Brennstoffzellensysteme auf, wobei ein erstes Brennstoffzellensteuergerät 14 der Steuerung des ersten Brennstoffzellensystems dient und ein zweites Brennstoffzellensteuergerät 16 der Steuerung des zweiten Brennstoffzellensystems. Hierbei ist das erste Brennstoffzellensteuergerät 14 als Master-Steuergerät ausgebildet und das zweite Brennstoffzellensteuergerät 16 als Slave-Steuergerät.
Lediglich das Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 kommuniziert direkt mit dem Fahrzeugsteuergerät 10, und zwar über einen Brennstoffzellen-CAN-Bus 18. Dadurch braucht das Fahrzeugsteuergerät 10 lediglich eine einzige Brennstoffzellen-CAN-Schnittstelle aufzuweisen.
Die Aufbereitung von Signalen wie beispielsweise die Verteilung der von dem Fahrzeugsteuergerät 10 angeforderten Leistung auf die beiden Brennstoffzellensysteme wird von dem Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 übernommen. Das Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 tauscht mit dem zweiten Brennstoffzellensteuergerät 16, also mit dem Steuergerät des zweiten Brennstoffzellensystems, aufbereitete Signale aus. Als Kommunikationseinrichtung zwischen dem Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 und dem Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 ist ein weiterer Brennstoffzellen-CAN-Bus 20 vorgesehen. Der erste Brennstoffzellen-CAN-Bus 18 und der weitere Brennstoffzellen-CAN-Bus 20 sind bevorzugt identisch aufgebaut.
Die beiden Brennstoffzellensysteme, welche in dem Nutzfahrzeug angeordnet sind, sind als Standard-Brennstoffzellensysteme ausgebildet, wie sie in Personenkraftwagen (PKW) zum Einsatz kommen. Entsprechend ist das Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 als Standard-Steuergerät für die Steuerung eines Brennstoffzellensteuersystems für einen PKW ausgebildet. Es enthält also ein Standard-Softwaremodul, wie es zum Ansteuern des zugeordneten PKW-Brenstoffzellensystems üblicherweise vorgesehen ist, wenn des Fahrzeug lediglich ein Brenstoffzellensystem aufweist.
In 2 ist eine Topologie veranschaulicht, bei welcher das Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 lediglich ein Standard-Softwaremodul 22 zum Ansteuern eines Brennstoffzellensystems für einen PKW aufweist. Es kann also für das Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 die unveränderte Software genutzt werden, wie sie für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines Personenkraftwagens zum Einsatz kommt.
Auch das Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 weist bei dieser Topologie ein solches Standard-Softwaremodul 22 auf, welches dem Ansteuern des diesem zugeordneten PKW-Brennstoffzellensystems dient.
Zusätzlich ist jedoch in dem Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 ein Master-Softwaremodul 24 vorgesehen, welches dem Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 die Master-spezifischen Funktionen verleiht. Alternativ kann auch in dem Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 ein ausgetauschtes Softwaremodul Verwendung finden, welches die Funktionalitäten des Standard-Softwaremoduls 22 und des Master-Softwaremoduls 24 in sich vereint.
Bei der in 2 schematisch gezeigten Topologie übernimmt jedoch das Master-Softwaremodul 24 die Kommunikation mit dem Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 über den zweiten Brennstoffzellen-CAN-Bus 20 und die Lastverteilung zwischen den Brennstoffzellensystemen.
Bei der in 3 gezeigten Master-Slave-Topologie weisen sowohl das erste, also das Master-Brennstoffzellensteuergerät 14 als auch das zweite, also das Slave-Brennstoffzellensteuergerät 16 identische Softwaremodule auf. Es ist also in beiden Brennstoffzellensteuergeräten 14, 16 sowohl das Standard-Softwaremodul 22 als auch das Master-Softwaremodul 24 vorgesehen. Hierbei wird jedoch eine Aktivierung der Master-spezifischen Funktionen gezielt vorgenommen, etwa mittels eines Software-Schalters.
Vorliegend ist beispielsweise auf dem ersten Brennstoffzellensteuergerät 14 das Master-Softwaremodul 24 mittels eines Softwareschalters aktiviert, und auf dem zweiten Brennstoffzellensteuergerät 16 ist das Master-Softwaremodul 24 deaktiviert. Dadurch weist das erste Brennstoffzellensteuergerät 14 die Funktionen eines Master-Brennstoffzellensteuergeräts auf, und aus dem zweiten Brennstoffzellensteuergerät 16 wird ein Slave-Brennstoffzellensteuergerät. Anstelle eines Softwareschalters oder zusätzlich zu diesem kann in alternativen Ausführungsformen auch ein Hardwareschalter vorgesehen sein.
Die vorliegend beschriebene Master-Slave-CAN-Topologie ermöglicht den einfachen parallelen Betrieb zweier Brennstoffzellensysteme, wie sie für PKWs vorgesehen sind, in einem Nutzfahrzeug, ohne dass ein zusätzliches Steuergerät vorgesehen zu werden braucht. So kann ohne großen Aufwand für das Nutzfahrzeug mehr elektrische Leistung bereitgestellt werden als sie ein Brennstoffzellensystem für einen PKW bereitstellt.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeugsteuergerät
12: CAN-Bus
14: Brennstoffzellensteuergerät
16: Brennstoffzellensteuergerät
18: Brennstoffzellen-CAN-Bus
20: Brennstoffzellen-CAN-Bus
22: Standard-Softwaremodul
24: Master-Softwaremodul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0107933 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen, und mit einem dem Fahrzeug zugeordneten Fahrzeugsteuergerät (10), welches über wenigstens eine Kommunikationseinrichtung mit den wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten der Brennstoffzellensysteme ein erstes Steuergerät (14) und einem zweiten der Brennstoffzellensysteme ein zweites Steuergerät (16) zugeordnet ist, wobei das erste Steuergerät (14) über eine erste Kommunikationseinrichtung (18) mit dem Fahrzeugsteuergerät (10) und das zweite Steuergerät (16) über eine zweite Kommunikationseinrichtung (20) mit dem ersten Steuergerät (14) gekoppelt ist, und wobei das erste Steuergerät (14) als Master und das zweite Steuergerät (16) als Slave ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (14) zum Aufteilen einer über das Fahrzeugsteuergerät (10) angeforderten Leistung auf die wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme ausgelegt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (14) ein Standardmodul (22) zum Ansteuern des ersten Brennstoffzellensystems und ein Mastermodul (24) zum Ansteuern eines Standardmoduls (22) des zweiten Brennstoffzellensystems aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Steuergerät (14) als auch das zweite Steuergerät (16) jeweils ein Standardmodul (22) zum Ansteuern des dem jeweiligen Steuergerät (14, 16) zugeordneten Brennstoffzellensystems und jeweils ein Mastermodul (24) zum Ansteuern des Standardmoduls (22) des anderen Brennstoffzellensystems aufweisen, wobei Mittel zum Aktivierendes Mastermoduls (24) des ersten Steuergeräts (14) und zum Deaktivieren des Mastermoduls (24) des zweiten Steuergeräts (16) vorgesehen sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als durch eine Software gebildeter Schalter ausgebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kommunikationseinrichtung als Brennstoffzellen-Busse, insbesondere als Brennstoffzellen-CAN-Busse (18, 20), ausgebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Brennstoffzellensystem als Brennstoffzellensystem für einen Personenkraftwagen ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsteuergerät (10) als Steuergerät eines Nutzfahrzeugs und die wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme zum Bereistellen von elektrischer Energie für das Nutzfahrzeug ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, bei welchem ein dem Fahrzeug zugeordnetes Fahrzeugsteuergerät (10) über wenigstens eine Kommunikationseinrichtung mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsteuergerät (10) über eine erste Kommunikationseinrichtung (18) mit einem ersten Steuergerät (14) kommuniziert, welches einem ersten der Brennstoffzellensysteme zugeordnet ist, wobei das erste Steuergerät (14) über eine zweite Kommunikationseinrichtung (20) mit einem zweiten Steuergerät (16) kommuniziert, welches einem zweiten der Brennstoffzellensysteme zugeordnet ist, und wobei das erste Steuergerät (14) als Master Schaltbefehle an das zweite Steuergerät (16) ausgibt und das zweite Steuergerät (16) als Slave die Schaltbefehle empfängt.