DE102018202106A1

DE102018202106A1 - Energiemanagement eines Brennstoffzellenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018202106A1
Application number: DE102018202106.6A
Authority: DE
Inventors: Martin BREU; Maximilian Schiedermeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2019-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
Bei Elektro- und auch Brennstoffzellenfahrzeugen werden die mechanischen Bremsen meist so dimensioniert, dass dabei die Rekuperation von Bremsenergie durch den elektrischen Antrieb bei der Verzögerung des Fahrzeugs mit eingerechnet wird. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird wegen der als zusätzliche Energiequelle vorhandenen Brennstoffzelle die HV-Batterie im Vergleich zu reinen Elektrofahrzeugen kleiner dimensioniert.
Wegen der relativ geringen Kapazität der HV-Batterie in einem Brennstoffzellenfahrzeug kann diese nur begrenzt Rekuperationsleistung aus dem Antriebsstrang aufnehmen. Bei längeren Bergabfahrten und bereits voll geladener HV-Batterie ist daher kaum Rekuperation über den elektrischen Antriebsstrang möglich. Das kann bei zu geringer Dimensionierung der mechanischen Bremsen zu einer eingeschränkten Bremswirkung bzw. zum Ausfall der mechanischen Bremsen führen.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die einem Brennstoffzellenfahrzeug eine Rekuperation von Bremsenergie auch dann ermöglichen, wenn dessen HV-Batterie keine elektrische Energie mehr aufnehmen kann.
Aus der DE 10 2013 013 258 A1 geht eine Dauerbremse (Bremshilfe) für ein Elektrofahrzeug hervor. Die Dauerbremse ist als Wirbelstrombremse ausgeführt und ermöglicht ein Bremsen des Elektrofahrzeugs bei vollständig geladener Fahrzeugbatterie.
Aus der DE 10 2014 224 890 A1 sind ein Betriebsverfahren und ein Betriebssystem für ein Brennstoffzellen-System bekannt, die einen Rekuperationsbetrieb bei vollständig geladener Batterie ermöglichen, indem ein Verbraucher aktiviert wird, durch den die rekuperierte Energie verbraucht wird.
Die DE 199 54 306 A1 offenbart eine Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung. Das Fahrzeug umfasst einen Energiezwischenspeicher und eine Wandlervorrichtung, die in einem Gehäuse mehrere bidirektionale Spannungswandler miteinander verbindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
In einem Brennstoffzellenfahrzeug ist es üblich, die Brennstoffzelle (BZ) als Energielieferant über einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) an den Traktions-Zwischenkreis mit der HV-Batterie anzubinden, an die die Pulswechselrichter (PWR) mit den Traktionsmaschinen (Elektromotoren) angeschlossen sind. Dies ist nötig, da die Spannung der Brennstoffzelle stark von dem aus der Brennstoffzelle gelieferten Strom abhängt. Die Spannung der Brennstoffzelle ist umso kleiner je mehr Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Durch den DC/DC-Wandler kann dieser Effekt kompensiert und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (Brennstoffzelle plus DC/DC-Wandler) auf konstantem Niveau gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird der Kreiswandel des Gleichstromwandlers, welcher zwischen Brennstoffzelle und HV-Batterie die Spannungsanpassung vornimmt, angewandt. Eingangs-Voraussetzung dafür ist, dass eine oder mehrere Phasen des DC/DC-Wandlers bidirektional ausgeführt sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Energiemanagementsystem für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichstromwandler; und mindestens einen Elektromotor, der dafür eingerichtet ist, mindestens ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben oder abzubremsen. Erfindungsgemäß umfasst der Gleichstromwandler mehrere Phasen, von denen mindestens eine bidirektional ausgeführt ist. In einer Ausführungsform sind die Phasen mit Phasenversatz getaktet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind alle Phasen des Gleichstromwandlers bidirektional ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform ist nur ein Teil der Phasen bidirektional ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens die Hälfte der Phasen bidirektional ausgeführt. Sind mindestens die Hälfte der Phasen des Wandlers bidirektional ausgeführt, kann der Kreiswandelbetrieb bis zur Leistungsgrenze des Wandlers erfolgen, d.h. die maximale Verlustleistung im Kreiswandelbetrieb entspricht der Verlustleistung bei maximaler Eingangsleistung des Wandlers. Wird nur eine geringere Verlustleistung angestrebt, können weniger als die Hälfte der Phasen des Wandlers bidirektional ausgeführt sein. Damit kann der schaltungstechnische Mehraufwand gering gehalten werden.
In einer Ausführungsform des Systems weist der Gleichstromwandler mindestens drei Phasen auf. In einer anderen Ausführungsform weist der Gleichstromwandler mindestens sechs Phasen auf. In einer speziellen Ausführungsform weist der Gleichstromwandler zehn Phasen auf. Prinzipiell kann die Phasenanzahl beliebig groß werden.
In einer Ausführungsform des Systems umfasst der Gleichstromwandler mindestens einen Hochsetzsteller. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler mindestens einen Tiefsetzsteller. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler mindestens einen Vollbrückenwandler (Hochsetz-Tiefsetzsteller). In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler mindestens einen Inverswandler. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler mindestens eine Transformator-Einheit. In einer Variante des Wandlers dient die Transformator-Einheit zur galvanischen Trennung. In einer anderen Variante des Wandlers ist die Transformator-Einheit als Spartransformator ausgelegt zur leistungsdichten konstanten Anpassung der Spannung. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler mindestens eine Ladungspumpe.
Der Gleichstromwandler kann auch sowohl mehr- als auch einphasige Kombinationen der vorgenannten Topologien aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit mindestens einer Brennstoffzelle; mindestens einer HV-Batterie; einem mit der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie verbundenen Gleichstromwandler, der mehrere Phasen umfasst, von denen mindestens eine bidirektional ausgeführt ist; sowie mindestens einem Elektromotor, der dafür eingerichtet ist, mindestens ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben oder abzubremsen, worin von dem mindestens einen Elektromotor rekuperierte elektrische Energie in einem Kreiswandelbetrieb des Gleichstromwandlers zumindest teilweise in elektrische Verlustleistung umgewandelt wird, wenn die mindestens eine HV-Batterie keine Energie mehr aufnehmen kann.
Bei einem Bremsvorgang oder einer Bergabfahrt wird ein negatives Antriebsmoment am Antriebsstrang gestellt. Der Elektromotor arbeitet dann als Generator und es wird Rekuperationsleistung bzw. elektrische Energie generiert. Diese wird im Normalfall in der HV-Batterie gespeichert. Wenn die HV-Batterie voll geladen ist oder durch andere Einflüsse (z.B. tiefe Temperaturen, Überspannung) keine Energie mehr aufnehmen kann, wird der Kreiswandelbetrieb des Gleichstromwandlers aktiviert und die überschüssige Energie aus dem HV-System abgebaut. Der elektrische Antriebsstrang kann weiter elektrische Energie rekuperieren und dadurch das Fahrzeug verzögern.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Kreiswandelbetrieb aktiviert, wenn die Spannung der HV-Batterie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In einer Ausführungsform ist der vorgegebene Schwellenwert die Nennspannung der HV-Batterie.
Die Regelung des Kreiswandelbetriebs erfolgt in einer Ausführungsform derart, dass die Phasen, welche den Strom durch die Drosseln in Richtung HV-Batterie treiben, als überlagerte Regelungsanforderung den Eingangsstrom des Wandlers erhalten. Die Phasen, welche den Strom in Richtung Brennstoffzelle treiben, erhalten einen Strom-Regelwert pro Phase, der kleiner ist als der maximal mögliche Strom einer Phase, im Bereich von 80 bis 95%, beispielsweise 90%, des maximal möglichen Stroms. Dadurch ist eine Regelreserve für die Phasen möglich, welche auf 0 A Wandler-Eingangsstrom wandeln. Die Energie, welche für die Aufrechterhaltung des Kreiswandels nötig ist, wird damit aus dem HV-Batteriekreis entnommen.
Steht nun im HV-Kreis ein Überschuss an Energie zur Verfügung, so kann z.B. die eine Hälfte der Phasen im Hochsetzstellbetrieb betrieben werden, die andere Hälfte im Tiefsetzstellbetrieb. Dadurch wird keine Energie in den Traktionskreis geleitet. Durch den Betrieb des Wandlers entstehen aber Verluste, ähnlich den Verlusten, welche entstehen, wenn aus der Brennstoffzelle Strom abgerufen wird. Durch die Verlustleistung wird so Rekuperationsleistung aus dem Antriebsstrang abgebaut.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens gehört, dass ein Abbau überschüssiger Energie im HV-System ermöglicht wird. Es sind außer einem geringen schaltungstechnischen Aufwand, um die nötige Bidirektionalität des DC/DC-Wandlers herzustellen, keine zusätzlichen Komponenten zum Abbau der überschüssigen Energie im HV-System erforderlich, was zu Einsparungen bei Bauraum und Gewicht führt, was sich positiv auf die Gesamtreichweite des Fahrzeugs auswirkt.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens verringert die durch eingeschränkte Bremsleistung der mechanischen Bremsen auftretenden Gefahren und das Risiko eines Ausfalls der mechanischen Bremsen, ohne dass das mechanische Bremssystem des Fahrzeugs für höhere Bremsleistungen ausgelegt werden müsste.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform eines bidirektionalen Gleichstromwandlers.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems 10 mit zusätzlichen elektrischen Verbrauchern 16, 17, 18. Das System 10 umfasst als Energiequellen eine Brennstoffzelle 11 und eine HV-Batterie 12. Diese sind über einen bidirektionalen Gleichstromwandler 13 verbunden, der die Spannungsschwankungen der Brennstoffzelle 11 kompensiert und für einen Kreiswandelbetrieb eingerichtet ist. Elektromotoren 15 sind über Pulswechselrichter 14 mit der HV-Batterie 12 und der Brennstoffzelle 11 verbunden. Ein Luftverdichter 18, der die Brennstoffzelle 11 mit Luft versorgt, ist über eine Leistungselektronik 17 ebenfalls an den die Brennstoffzelle 11 und die HV-Batterie 12 umfassenden Stromkreis angeschlossen. In der gezeigten Version sind an den Stromkreis noch weitere HV-Komponenten 16 angeschlossen, z.B. Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, Klimakompressoren, HV-Heizer etc.
Bei einer Bergabfahrt oder einem anderem Verzögerungswunsch des Fahrers wird von den Elektromotoren 15 ein negatives Antriebsmoment am Antriebsstrang gestellt. Die Elektromotoren 15 fungieren dann als Generator und generieren Rekuperations-Leistung bzw. Energie. Diese wird im Normalfall in der HV-Batterie 12 gespeichert. Wenn die HV-Batterie 12 voll geladen ist oder durch andere Einflüsse (z.B. tiefe Temperaturen, Überspannung) keine Energie mehr aufnehmen kann, wird die von den Elektromotoren 15 bereitgestellte Rekuperationsenergie im bidirektionalen Betrieb des Gleichstromwandlers 13 in elektrische Verlustleistung umgesetzt. Dadurch wird die überschüssige elektrische Energie abgebaut und der elektrische Antriebsstrang kann weiter rekuperieren und damit das Fahrzeug verzögern.
In 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform des bidirektionalen Gleichstromwandlers 13 aus 1 dargestellt, welche zehn Phasen umfasst. Der maximale Eingangsstrom des dargestellten Wandlers 13 beträgt 500 A, die maximale Stromtragfähigkeit einer Phase beträgt 50 A. Wenn im HV-Stromkreis (HV-Batteriekreis, Traktionskreis) ein Überschuss an von den Elektromotoren 15 rekuperierter elektrischer Energie zur Verfügung steht, können z.B. fünf Phasen im Hochsetzstellbetrieb betrieben werden und die anderen fünf Phasen können im Tiefsetzstellbetrieb wandeln. Der Wandler 13 wandelt den maximal darstellbaren Strom im Kreis, ohne tatsächlich Energie vom BZ-Kreis in den HV-Batteriekreis zu speisen. Durch den Betrieb des Wandlers 13 entstehen elektrische Verluste, wie sie entstünden, wenn aus der Brennstoffzelle 500 A abgerufen würden, aber es wird keine Energie in den Traktionskreis geleitet. Dadurch wird die überschüssige elektrische Energie verbraucht.
Die Regelung des Betriebs des Wandlers 13 kann so erfolgen, dass die Phasen, welche den Strom durch die Drosseln in Richtung HV-Batterie 12 treiben, als überlagerte Regelungsanforderung den Eingangsstrom des Wandlers 13 erhalten. Die Phasen, welche den Strom in Richtung Brennstoffzelle 11 treiben, erhalten sodann einen Strom-Regelwert pro Phase, der kleiner ist als der maximal mögliche Strom einer Phase (im obigen Beispiel etwa 45 A). Dadurch ist eine Regelreserve für die Phasen möglich, welche auf 0 A Wandler-Eingangsstrom wandeln. Die für die Aufrechterhaltung des Kreiswandels nötige Energie wird damit aus dem HV-Batteriekreis entnommen, in den die von den Elektromotoren 15 rekuperierte elektrische Energie eingeleitet wird.
Die oben erörterte Situation kann als maximale Ausführung verstanden werden. Der Wandler 13 ist dabei an seiner Leistungsgrenze. Es ist auch möglich, den Wandler 13 so zu konfigurieren, dass eine geringere Verlustleistung erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass nicht alle Phasen des Wandlers 13 bidirektional ausgeführt sein müssen. Damit kann der schaltungstechnische Mehraufwand gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste

10: Energiesystem
11: Brennstoffzelle (BZ)
12: HV-Batterie
13: bidirektionaler Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler)
14: Pulswechselrichter (PWR)
15: Elektromotor (EM)
16: Sonstige HV-Komponenten
17: Leistungselektronik für die Luftverdichtereinheit
18: Luftverdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013013258 A1 [0005]
DE 102014224890 A1 [0006]
DE 19954306 A1 [0007]

Claims

Energiemanagementsystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (11); mindestens eine HV-Batterie (12); einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der mindestens einen HV-Batterie (12) angeordneten Gleichstromwandler (13); und mindestens einen Elektromotor (15), der dafür eingerichtet ist, mindestens ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben oder abzubremsen; dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromwandler (13) mehrere Phasen umfasst und mindestens eine der Phasen bidirektional ausgeführt ist.
Energiemanagementsystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der Gleichstromwandler (13) drei oder mehr Phasen, insbesondere zehn Phasen, aufweist.
Energiemanagementsystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens die Hälfte der Phasen des Gleichstromwandlers (13) bidirektional ausgeführt ist.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens einen Hochsetzsteller umfasst.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens einen Tiefsetzsteller umfasst.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens einen Vollbrückenwandler (Hochsetz-Tiefsetzsteller) umfasst.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens einen Inverswandler umfasst.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens eine Transformator-Einheit umfasst.
Energiemanagementsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Gleichstromwandler (13) mindestens eine Ladungspumpe umfasst.
Verfahren zum Energiemanagement in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit mindestens einer Brennstoffzelle (11); mindestens einer HV-Batterie (12); einem mit der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der mindestens einen HV-Batterie (12) verbundenen Gleichstromwandler (13), der mehrere Phasen umfasst, von denen mindestens eine bidirektional ausgeführt ist; sowie mindestens einem Elektromotor (15), der dafür eingerichtet ist, mindestens ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben oder abzubremsen, worin von dem mindestens einen Elektromotor (15) rekuperierte elektrische Energie in einem Kreiswandelbetrieb des Gleichstromwandlers (13) zumindest teilweise in elektrische Verlustleistung umgewandelt wird, wenn die mindestens eine HV-Batterie (12) keine Energie mehr aufnehmen kann.