DE102019118308A1 - Antriebs-Degradationssystem für Fahrzeuge mit mehreren Leistungsquellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Antriebs-Degradationssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, der durch Erzeugen einer elektromotorischen Leistung das Fahrzeug antreibt, mit mindestens zwei Leistungsquellen zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung, wobei eine erste Leistungsquelle in Form einer Hochvoltbatterie und eine zweite Leistungsquelle in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen sind, die alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung einsetzbar sind, mit einem Degradationsmodul, das in Abhängigkeit von der aktuell maximal möglichen Leistung der Brennstoffzelle eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit für einen stationären Betrieb berechnet, und mit einem Momentenkoordinator, der die elektromotorische Soll-Leistung derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit im stationären Betrieb nicht überschritten wird, wobei die Hochvoltbatterie als Leistungsquelle zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird.

Description

  • Stand der Technik:
  • In Brennstoffzellenfahrzeugen wird Wasserstoff als Energieträger für den Antrieb eingesetzt. Die im Wasserstoff gebundene Energie wird über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt und dient einer oder mehreren sogenannten E-Maschinen als Energiequelle für den elektromotorischen Antrieb des Fahrzeuges.
  • Überdies enthalten Brennstoffzellenfahrzeuge elektrische Energiespeicher, z.B. Lithium-Ionen-Batterien - auch als HV-Batterie oder Hochvoltspeicher (HVS) bezeichnet. Diese werden zur Aufnahme und Speicherung der Bewegungsenergie während Verzögerungs- bzw. Bremsvorgängen (Rekuperation), zur Unterstützung der Brennstoffzelle bei Beschleunigungsvorgängen (Boosten) und zur Abdeckung von dynamischen Leistungsdifferenzen (Über- und Unterdeckungen) zwischen der Brennstoffzelle als Energiequelle und den E-Maschinen und Nebenverbrauchern als Energiesenken benötigt.
  • Abhängig von Fahrerbeschleunigungs- und Verzögerungswünschen erfolgt die Ansteuerung von E-Maschinen und Brennstoffzelle über eine Softwarefunktionalität. Aufgrund des typischerweise deutlich geringeren Energieinhalts des elektrischen Energiespeichers gegenüber dem Wasserstoffspeicher erfolgt die Abdeckung des für die Fahrzeugbewegung notwendigen Leistungsbedarfs (zumindest langfristig) über die Brennstoffzelle.
  • Sowohl die Brennstoffzelle als auch der elektrische Energiespeicher sind bezüglich ihrer Leistungsabgabe, je nach Ausführung, Auslegung und Betriebspunkt, mehr oder weniger stark (statisch) begrenzt.
  • Im Betrieb kann durch bestimme Fahrprofile, Umwelteinflüsse und/oder Fehlerzustände eine zusätzliche Degradation der Brennstoffzelle bezüglich der Leistungsabgabe notwendig werden.
  • Beim Stand der Technik führt die Begrenzung der Brennstoffzellenleistung zu einer stärkeren Entladung der HV-Batterie und darüber hinaus zu einer Begrenzung der verfügbaren, vom Fahrer mittels Fahrpedal abrufbaren Antriebsleistung (E-Maschinenleistung). Es ist Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen enthalten.
  • Die Erfindung beschreibt ein Antriebs-Degradationssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, der durch Erzeugen einer elektromotorischen Leistung das Fahrzeug antreibt, mit mindestens zwei Leistungsquellen zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung, wobei eine erste Leistungsquelle in Form einer Hochvoltbatterie und eine zweite Leistungsquelle in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen sind, die alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung einsetzbar sind, mit einem Degradationsmodul, das in Abhängigkeit von der aktuell maximal möglichen Leistung der Brennstoffzelle eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit für einen stationären Betrieb berechnet, und mit einem Momentenkoordinator, der die elektromotorische Soll-Leistung derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit im stationären Betrieb nicht überschritten wird, wobei die Hochvoltbatterie als Leistungsquelle zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt ist.
  • Zusammengefasst stellt die Erfindung ein Antriebs-Degradationskonzept für Fahrzeuge mit mehreren Leistungsquellen ohne Dynamikverlust dar.
  • Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
    • Die Besonderheit bei einem Brennstoffzellenfahrzeug liegt darin, dass in den bekannten Konzepten die Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor nur einen geringen Anteil an der Gesamtantriebsleistung hat (siehe Stand der Technik). Gleichzeitig ist der Energieinhalt der HV-Batterie nicht darauf ausgelegt, die Hauptantriebsleistung langfristig zur Verfügung zu stellen, sie soll lediglich für die Dynamik des Fahrzeuges sorgen.
  • Bedingt durch diese Verteilung der Antriebsleistungen, führt ein Betrieb des Fahrzeuges oberhalb der Brennstoffzellenleistung zu einer starken Entladung der HV-Batterie und infolge dessen schnell zum Wegfall des HV-Speichers als Energiequelle.
    Dieser Betriebszustand tritt vermehrt bei degradierter Brennstoffzellenleistung, insbesondere nach einer längeren Bergfahrt und/oder nach einer Fahrt mit hoher Fahrgeschwindigkeit auf.
    Der Fahrer nimmt dies als sehr starke Begrenzung der abrufbaren Antriebsleistung/Beschleunigungsdynamik wahr.
  • Die vorliegende Erfindung soll dies verhindern:
    • Die Auslegung der Energieinhalte von H2-Tank und HV-Batterie, als auch die Leistungsdaten dieser Energiequellen führen dazu, dass dynamische Fahranteile verstärkt aus der HV-Batterie abgedeckt werden. Dagegen müssen die stationären Antriebsleistungsbedarfe (stationäre Fahrwiderstände, Leistungsbedarf für Bergfahrt und höhere Geschwindigkeiten) von der Brennstoffzelle abgedeckt werden.
  • Um bei degradierter Leistung der Brennstoffzelle der stärkeren Entladung der HV-Batterie entgegenzuwirken, ist ein Betrieb des Fahrzeugs in Bereichen höherer stationärer Antriebsleistungsbedarfe zu vermeiden.
  • Übersteigt der stationäre Antriebsleistungsbedarf (stationäre Fahrwiderstände) die maximal verfügbare Brennstoffzellenleistung, so wird die HV-Batterie entladen. Die Erfindung soll dies verhindern.
  • Die stationären Fahrwiderstände ergeben sich aus Einflussgrößen wie z.B. Rollwiderstand, Luftwiderstand und Steigungswiderstand. Diese Einflussgrößen wiederum ergeben sich aus konstanten, unveränderlichen Parametern wie z.B. Fahrzeugmasse, Luftwiderstandbeiwert und Fahrbahnneigung als auch der veränderbaren Fahrzeuggeschwindigkeit.
  • Aus dieser Überlegung ergibt sich, dass die einzig (sinnvoll) beeinflussbare Größe zur Reduktion des stationären Antriebsleistungsbedarfes die Fahrzeuggeschwindigkeit ist.
  • Deshalb wird aus der verfügbaren Brennstoffzellenleistung über ein Modell eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet und der Antrieb darauf begrenzt. Diese Vorgehensweise verhindert die Entladung der HV-Batterie bei in der Regel nur leicht reduzierter maximaler Fahrzeuggeschwindigkeit. Dadurch bleibt die volle Beschleunigungsdynamik erhalten. Die Fahrbarkeit wird deutlich verbessert.
  • Das Entladen der HV-Batterie kann über die reine Begrenzung auf eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit nicht in allen Fahrfällen vollständig unterbunden werden. Bei z.B. wiederholten Beschleunigungsmanövern, kann es auch hier zum Entladen der HV-Batterie kommen. Auch Fehler oder Ungenauigkeiten im Berechnungsmodell können zu einem schleichenden Entladen der Batterie führen.
  • Um auch diese Fälle zu berücksichtigen, werden vorzugsweise zusätzlich folgende Funktionalitäten vorgesehen:
    • - Vorhalt einer Mindest-Ladeleistung im Rahmen der Bestimmung der maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit zum Laden der HV-Batterie abhängig vom Batterieladezustand SOC.
    • - Begrenzung auf eine maximale Gesamtantriebsleistung abhängig vom Verhältnis der Brennstoffzellenleistung zur Gesamtantriebsleistung.
    • - Bestimmung der maximalen Gesamtantriebsleistung abhängig vom Batterieladezustand (SOC).
    • - Bestimmte temporär wirkende Fahrwiderstände können über vorausschauende Datenerfassung (z.B. Navigationsdaten) erkannt und gezielt in der Berechnung der maximalen brennstoffzellenleistungsbezogenen Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt oder ausgeblendet werden (z.B. Vorausschau blendet einen „kleinen Berg“ über Manipulation des Neigungswinkels aus. Analog führt ein Gefälle zu einem Anstieg der maximalen brennstoffzellenleistungsbezogenen Fahrzeuggeschwindigkeit.
    • - Ein „Überdrücken“ der Geschwindigkeitsbegrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit über Fahrpedal (z.B. Kickdown) kann in der Funktion enthalten sein.
    • - Die Begrenzung auf eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit kann auch unabhängig von einer Degradation des Brennstoffzellensystems immer aktiv oder aktivierbar sein (Anwendungsbeispiel Bergfahrt oder manuelle Auswählbarkeit dieser Funktion durch den Fahrer über ein entsprechendes Bedienelement).
    • - Übergänge von nicht degradiertem System zu den verschiedenen Degradationsniveaus sollen keine Sprünge in der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Folge haben, sondern verschliffen ausgeführt werden. Gleiches gilt für die Begrenzung der Antriebsleistung. Dies führt zur Verbesserung der Fahrbarkeit.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
    • 1 einen schematischen Überblick über eine erfindungsgemäße Funktionsstruktur mit entsprechenden Signalflüssen und
    • 2 ein Fahrprofil-Beispiel unter Anwendung der erfindungsgemäßen Funktionsstruktur.
  • Einleitend folgt ein Überblick über die Leistungsaufteilung bei einem Konzept mit einer E-Maschine (Elektromotor), einem Bordnetz mit Nebenverbrauchern (BNNV), einer Brennstoffzelle (FCS) und einem Hochvoltspeicher (HVS): P EM + P BNNV = P FCS + P HVS
    Figure DE102019118308A1_0001
    • PEM
    Leistung E-Maschine (Fahrerwunsch; nicht durch Betriebsstrategie beeinflusst)
    PBNNV
    Leistung Bordnetz- und Nebenverbraucher (Speicherheizung oder -kühlung, Innraumheizung oder -kühlung, 12 V Verbraucher; teilweise durch Betriebsstrategie beeinflusst)
    PFCS
    Leistung Brennstoffzelle (kann variiert werden, muss mittelfristig PEM + PBNNV abdecken; durch Betriebsstrategie beeinflusst)
    PHVS
    Leistung HV-Speicher (= „Resultierende“, ergibt sich aus der Leistungsbilanz; durch Betriebsstrategie beeinflusst)
  • PFCS => PHVS durch FCS-Leistungsanhebung oder -absenkung:
    • → PFCS ≠ PEM + PBNNV
    • → Laden / Entladen HV-Speicher
    • → Erhöhung HV-Speichertemperatur
  • Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Funktionsstruktur wird im Folgenden anhand von 1 näher erläutert. In 1 wird von einem Bremspedal 1 ein Bremspedaldruck p_B (oder eine Bremspedalkraft oder ein Bremspedalweg) an ein elektronisch gesteuertes Bremsregelsystem 2 geleitet. Das Bremsregelsystem 2 teilt den durch den Bremspedaldruck p_B angeforderten Verzögerungswunsch in einen Radbremsdruck p_R und in eine Bremsrekuperationsanforderung REKU_soll auf. Die Bremsrekuperationsanforderung REKU_soll ist Eingangssignal eines Momentenkoordinators 4. Ebenso ist der Fahrpedalwinkel FW eines vom Fahrer betätigten Fahrpedals 5 Eingangssignal des Momentenkoordinators 4 und gibt den Fahrerwunsch wieder. Der Momentenkoordinator 4 bestimmt aus diesen beiden Eingangssignalen ein Soll-Moment bzw. eine Soll-Antriebsleistung PEM_soll, die an einen Leistungskoordinator 7 ausgegeben wird. Der Leistungskoordinator 7 gibt vorzugsweise abhängig von der maximalen Leistung PHVS_max der Hochvoltbatterie 9, die insbesondere durch den Batterieladezustand SOC und anderen Speicherlimits bestimmt ist, abhängig von der angeforderten Leistung PBNNV der Nebenverbraucher 10 und eventuell abhängig von der aktuellen Leistung PFCS_ist der Brennstoffzelle 8 ein Soll-Leistung PFCS_soll an die Brennstoffzelle 8 aus.
  • Erfindungswesentlich ist, dass die aktuell maximal möglichen Leistung PFCS_max der Brennstoffzelle 8 bestimmt und an ein Degradationsmodul 12 ausgegeben wird, das in Abhängigkeit davon eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max für einen stationären Betrieb berechnet. Unter stationärem Betrieb wird eine Fahrt mit im Wesentlichen konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit v verstanden, also ohne Dynamikanforderung, insbesondere ohne positive Beschleunigungsanforderung über das Fahrpedal 5 bzw. den Fahrpedalwinkel FW.
  • Das Fahrzeug wird im stationären Betrieb mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Elektromotor 6 angetrieben, wobei die elektromotorischen Leistung PEM dazu mittels des Momentenkoordinators 4 vorzugsweise ausschließlich durch die Brennstoffzelle 8 als Leistungsquelle erzeugt wird. Die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max für einen stationären Betrieb ist Eingangssignal des Momentenkoordinators 4, der durch ein v_max-Begrenzungsmodul 11 die elektromotorische Soll-Leistung PEM derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max im stationären Betrieb nicht überschritten wird. Dabei wird die Hochvoltbatterie 9 als Leistungsquelle zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt.
  • Der Momentenkoordinator 4 mit dem v_max-Begrenzungsmodul 11, der Leistungskoordinator 7 und das Degradationsmodul 12 sind Funktionsmodule, die in mindestens einem elektronischen Steuergerät enthalten sein können.
  • Die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max kann zusätzlich auch von weiteren Fahrzeugparametern bestimmt werden, wie z. B. dem aktuellen Fahrwiderstand S1, dem Neigungswinkel S2 der Fahrbahn, Navigationsdaten S3 und/oder dem Vorhalt einer Mindestladeleistung S4 des Hochvoltspeichers 9.
  • Vorzugsweise wird eine Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max nur bis zu einem vorgegebenen vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeitsreduzierungsausmaß unterhalb der fahrerwunschbezogenen Soll-Leistung PEM_soll vorgenommen, damit der Fahrer eine nicht zu starke Leistungsbegrenzung empfindet.
  • Eine weitere Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit v wird beispielsweise durch das Zuschalten der Hochvoltbatterie 9 vermieden.
  • Auch kann die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max abhängig von der maximal möglichen Leistung PHVS_max bzw. dem Ladezustand HVS_SOC der Hochvoltbatterie 9 bestimmt werden.
  • Auch kann die Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max nur dann aktiviert werden, wenn die maximal möglichen Leistung PFCS_max der Brennstoffzelle 8 einen definierten Degradationsschwellwert PFCS_deg unterschritten hat. Diese Begrenzung kann aber auch manuell durch den Fahrer mittels eines Bedienelements ein- und ausschaltbar ausgestaltet werden.
  • Schließlich wird die Erfindung noch anhand von 5 Phasen P1 bis P5 eines Fahrprofil-Beispiels gemäß 2 näher erläutert:
    • - Die obere Kurve beschreibt die Fahrzeuggeschwindigkeit v über der Zeit t.
    • - Die mittlere Kurve beschreibt den Ladezustand der Hochvoltbatterie HVS_SOC über der Zeit t.
    • - Die untere Kurve beschreibt den Fahrerwunsch bzw. den Fahrpedalwinkel FW über der Zeit t.
    Phase ohne Erfindung mit Erfindung
    P1 Beschleunigung auf eine (etwas) höhere Geschwindigkeit als mit Erfindung. Beschleunigung, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit vom Geschwindigkeitsregler auf das gemäß der Erfindung berechnete Geschwindigkeitslimit v_max eingeregelt wird.
    P2 Der HV-Speicher (Batterie) wird entladen, da der stationäre Leistungsbedarf für die Fahraufgabe nicht von der Der HV-Speicher (Batterie) wird nachgeladen, da noch eine Leistungsreserve der Brennstoffzelle für das Nachladen vorhanden ist.
    Brennstoffzelle abgedeckt werden kann. Ist der HV-Speicher vollständig entladen, fällt die Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann dauerhaft gehalten werden.
    P3 Während der Fahrzeugverzögerung wird der HV-Speicher durch Rekuperation und die Brennstoffzelle auf relativ niedrigem Niveaus nachgeladen. Während der Fahrzeugverzögerung wird der HV-Speicher durch Rekuperation und die Brennstoffzelle auf relativ hohem Niveau nachgeladen.
    P4 Der Energieinhalt des HV-Speichers reicht nicht aus, um die vom Fahrer gewünschte Fahrzeugbeschleunigung (Dynamikanforderung) während des gesamten Beschleunigungsvorganges aufrecht zu erhalten. Die Fahrzeugbeschleunigung fällt deutlich unter den Fahrerwunsch ab. Der Energieinhalt des HV-Speichers reicht aus, um die vom Fahrer gewünschte Fahrzeugbeschleunigung während des gesamten Beschleunigungsvorganges aufrecht zu erhalten. Sofort nach Erreichen der Konstantfahrtphase oder eines niedrigeren Beschleunigungswunsches erfolgt das Nachladen des HV-Speichers.
    P5 Erst nach Ablauf des deutlich trägeren / längeren Beschleunigungsvorgangs kann der HV-Speicher nachgeladen werden. Der HV-Speicher hat frühzeitig hohen Ladezustand, um weitere Zwischenbeschleunigungen mit hoher Dynamik abdecken zu können.

Claims (5)

  1. Antriebs-Degradationssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Elektromotor (6), der durch Erzeugen einer elektromotorischen Leistung (PEM) das Fahrzeug antreibt, mit mindestens zwei Leistungsquellen zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung (PEM), wobei eine erste Leistungsquelle in Form einer Hochvoltbatterie (9; HVS) und eine zweite Leistungsquelle in Form einer Brennstoffzelle (8; FCS) vorgesehen sind, die alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung (PEM) einsetzbar sind, mit einem Degradationsmodul (12), das in Abhängigkeit von der aktuell maximal möglichen Leistung (PFCS_max) der Brennstoffzelle (8; FCS) eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) für einen stationären Betrieb berechnet, und mit einem Momentenkoordinator (4), der die elektromotorische Soll-Leistung (PEM) derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) im stationären Betrieb nicht überschritten wird, wobei die Hochvoltbatterie (9; HVS) als Leistungsquelle im stationären Betrieb zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird.
  2. Antriebs-Degradationssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) nur bis zu einem vorgegebenen Geschwindigkeitsreduzierungsausmaß abhängig von der fahrerwunschbezogenen Soll-Leistung (PEM_soll) vorgenommen wird.
  3. Antriebs-Degradationssystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) nur bis zu einem vorgegebenen Geschwindigkeitsreduzierungsausmaß abhängig von der der fahrerwunschbezogenen Soll-Leistung (PEM_soll) vorgenommen wird und dass eine weitere Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) durch das Zuschalten der Hochvoltbatterie (9; HVS) vermieden wird.
  4. Antriebs-Degradationssystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) abhängig von der maximal möglichen Leistung (PHVS_max) und/oder dem Ladezustand (HVS_SOC) der Hochvoltbatterie (9; HVS) bestimmt wird.
  5. Antriebs-Degradationssystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit (v_max) nur dann aktiviert wird, wenn die maximal mögliche Leistung (PFCS_max) der Brennstoffzelle (8; FCS) einen definierten Degradationsschwellwert (PFCS_deg) unterschritten hat.
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