DE19541575A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Last-Sollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem in einem Elektrofahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung eines Last-Sollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem in einem Elektrofahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Last- Sollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem, insbe­ sondere ein Brennstoffzellensystem, in einem Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 43 22 765 C1 ist ein Verfahren zur dynamischen Regelung der Leistung einer elektrischen Antriebseinheit in einem Fahrzeug bekannt, die von einer im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt wird. Aus­ gehend von einer Leistungsanforderung, die aus der Fahrpedal­ stellung ermittelt wird, wird der Luftmassenstrom, der zur Bereitstellung dieser Solleistung seitens der Brennstoffzelle benötigt wird, in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Elektro-Fahrmotors anhand von Kennfeldern ermittelt und durch eine Regelung der Drehzahl eines in der Luftansaugleitung angeordneten Kompressor eingestellt.
Nachteilig bei diesem System ist, daß ein Abgleich der Kenn­ felder anhand von Tests notwendig ist, um den Fahrantrieb und das Brennstoffzellensystem aufeinander abzustimmen. Nachteilig ist außerdem, daß die Luftversorgung der Brennstoffzelle einem bestehenden Leistungs- beziehungsweise Stromistwert des Fahr­ antriebs zeitversetzt angepaßt wird, wodurch bei Beschleuni­ gungsvorgängen eine Luftunterversorgung der Brennstoffzelle entsteht und somit die Wahrscheinlichkeit für Leistungseinbrüche steigt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung eines Last-Sollwertes für ein lastabhängiges Strom­ erzeugungssystem in einem Elektrofahrzeug mit verbesserter Dynamik zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Generierung eines Strom-Sollwertes direkt im Fahrmotor- Umrichter weist den Vorteil auf, daß zum einen die Abstimmung der Strom- beziehungsweise Leistungskennfelder entfällt. Zum anderen wird das Fahrverhalten dadurch verbessert, daß durch die vorgelagerte Luftversorgung eine Fahrpedalbegrenzung beim Beschleunigen nicht mehr auftritt und daß die Zahl der Zell­ spannungsalarme verringert wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennstoffzelle und
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Antriebsregelung für einen Elektro-Fahrmotor mit integrierter Sollwertgenerierung zeigt.
Für Fahrzeuge, die von einem Elektro-Fahrmotor angetrieben werden, gibt es unterschiedliche Ansätze zur Bereitstellung der jeweils benötigten elektrischen Energie. Zum einen werden Batterien eingesetzt, die die benötigte elektrische Energie zwischenspeichern. Die elektrische Energie kann hierbei entweder außerhalb des Fahrzeugs erzeugt und über einen Ladevorgang der Batterie zugeführt werden oder mit Hilfe eines Stromerzeugungs­ systems direkt im Fahrzeug erzeugt werden. Die jeweilige Leistung des Stromerzeugungssystems ist bei diesem System inner­ halb eines weiten Bereichs unkritisch, da durch die Puffer­ wirkung der Batterie die Leistung des Stromerzeugungssystems von der Motorleistung entkoppelt ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Energie im Fahrzeug zu erzeugen und dem Elektro-Fahrmotor ohne Zwischen­ schaltung einer Pufferbatterie zuzuführen. Um hierbei eine gute Energieausnutzung zu gewährleisten muß jedoch die Leistung des Stromerzeugungssystems möglichst optimal an den jeweiligen momentanen Strombedarf des Elektro-Fahrmotors angepaßt werden. Hierzu muß laufend ein Sollwert für die Leistung des Stromer­ zeugungssystems generiert und die Leistung des Stromerzeugungs­ systems dann entsprechend gesteuert oder geregelt werden. Um eine gute Fahrdynamik zu erhalten muß die Sollwertgenerierung und die anschließende Steuerung oder Regelung des Stromer­ zeugungssystems entsprechend schnell erfolgen.
Ein bekanntes lastabhängiges Stromerzeugungssystem für Elektro­ fahrzeuge ist die Brennstoffzelle. Obwohl die Erfindung im folgenden anhand eines Brennstoffzellensystems beschrieben wird, beschränkt sich der Erfindungsgegenstand nicht auf dieses Aus­ führungsbeispiel, sondern kann für ein beliebiges lastabhängiges Stromerzeugungssystem für Elektrofahrzeuge angewendet werden.
Der in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichneten Brennstoffzelle, beispielsweise einer als PEM-Zelle bezeichneten Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran, wird über eine erste Zuleitung 2 ein Brennmittel, beispielsweise Wasserstoffgas, zugeführt. Über eine zweite Zuleitung 3, in der ein Kompressor 4 angeordnet ist, wird der Brennstoffzelle 1 außerdem ein Oxydant, vorzugsweise Sauerstoff oder Umgebungsluft, unter Druck zugeführt. In der Brennstoffzelle 1 wird der Brennstoff an der Anode oxydiert, das Oxydant wird an der Kathode reduziert, wobei Anode und Kathode zur Vermeidung einer Knallgasreaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sind. Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht zwischen den beiden Elektroden eine Spannung. Durch Parallel- beziehungsweise Hintereinanderschaltung vieler solcher Zellen zu einem sogenannten Stack können Spannungen und Stromstärken erreicht werden, die zum Antrieb eines Fahrzeugs ausreichen.
Zum Antrieb des Kompressors 4 ist ein Elektromotor 5 vorgesehen. Mit Hilfe eines Kompressor-Umrichters 6 kann die Drehzahl nK des Elektromotors 5 und somit auch des Kompressors 4 gesteuert oder geregelt werden. Über die Drehzahl nK des Kompressors 4 kann der Oxydant-Massenstrom L-ist und damit die Leistung PBZ der Brenn­ stoffzelle 1 beeinflußt werden. Das Abführen der Gase aus der Anode und der Kathode erfolgt über Abströmleitung 7, 8. Zum Antrieb des Fahrzeugs ist eine Antriebseinheit 9, bestehend aus einem Fahrmotor-Umrichter 10 und einem Elektro-Fahrmotor 11, vorgesehen.
Um die Luftversorgung der Brennstoffzelle 1 vor der Leistungs- beziehungsweise Stromaufnahme der Antriebseinheit 9 anzusteuern und damit eine Begrenzung der Fahrpedalanforderung FP beim Beschleunigen möglichst zu vermeiden, wird beim erfindungs­ gemäßen Verfahren ein Strom-Sollwert IFP für die Brennstoffzelle 1 durch eine zusätzliche Einrichtung im Fahrmotor-Umrichter 10 generiert. Aus der an die Antriebseinheit 9 weitergegebenen Drehmomentanforderung Mdsoll werden im Fahrmotor-Umrichter 10 Sollwerte für die Motorstrangströme IMS-soll(i) des Elektro-Fahr­ motors 11 ermittelt und daraus in Abhängigkeit von der Fahr­ motor- beziehungsweise Zwischenkreisspannung U, UBZ, der Leistungsstellertemperatur TLS und dessen Wirkungsgrad ηLS ein Strom-Sollwert IFP für die Brennstoffzelle 1 generiert. Aus diesem Strom-Sollwert IFP wird dann ein Sollwert nK-soll für die Kompressor-Drehzahl bestimmt und entsprechend eingestellt.
Der elektrischen Antriebseinheit 9 und der Luftversorgung werden die jeweiligen Sollwerte IMS-soll(i), IFP also praktisch zeitgleich zur Verfügung gestellt. Eine Begrenzung der Fahrleistung beim Beschleunigen aufgrund des Brennstoffzellensystems 1 tritt durch diese vorgelagerte Luftversorgung nicht mehr auf. Ebenso sind weniger Zellspannungsalarme UZA in der Brennstoffzelle 1 zu erwarten, was insgesamt ein besseres Fahrverhalten bedeutet.
Antriebsregelungen für Drehstrom-Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Zeitschrift Elektronik, Heft 21/1994, Seite 58 ff., bekannt. Da außerdem die Antriebsregelung an sich nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird hier nur kurz das Prinzip anhand von Fig. 2 erläutert. Die Antriebsregelung, bestehend aus Sollwert-Generator 12, Lage­ regler 13, Drehzahlregler 14, Koordinaten-Transformation 15, Phasenstromregler 16 und Pulsweitenmodulator 17, kann vorzugs­ weise im Fahrmotor-Umrichter 10 integriert und sowohl in analoger als auch in digitaler Bauweise ausgeführt werden. Ausgehend von der Fahrpedalanforderung FP werden in der Antriebsregelung Sollwerte für die Motorstrangströme IMS-soll(i) ermittelt und dem Elektro-Fahrmotor 11 zugeführt.
Als Regelgrößen wird der Antriebsregelung neben den Istwerten der Motorstrangströme IMS-ist(i) die mit Hilfe eines sogenannten Resolvers 18 erfaßten Werte für die Geschwindigkeit und für die absolute Winkelposition des Rotors des Elektro-Fahrmotors 11 zugeführt. Bei den üblichen feldorientierten Antriebsegelungen sind die Ist-Motorstrangströme IMS-ist(i) und die jeweiligen Soll­ werte IMS-soll(i) der Motorstrangströme zirka alle 70 µs verfügbar. Es ist daher möglich, den Sollwert für den von der Brennstoff­ zelle 1 für den Elektro-Fahrmotor 11 bereitzustellenden Strom IFP aus den Sollwerten IMS-soll(i) für die Motorstrangströme direkt im Fahrmotor-Umrichter 10 zu berechnen.
Erfindungsgemäß werden hierzu im Fahrmotor-Umrichter 10 die Motorstrang-Sollwerte IMS-soll(i), die Motor- beziehungsweise Zwischenkreisspannung U, UBZ und die Leistungsstellertemperatur TLS erfaßt und daraus ein Strom-Sollwert IFP oder ein Leistungs- Sollwert PFP ermittelt. Um den Einfluß von Leistungssteller­ temperatur TLS und Leistungsstellerwirkungsgrad ηLS zu korrigieren können abgelegte Kennfelder zur Temperatur- und/oder Wirkungs­ gradkompensation eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern bezieht sich auf alle bekannten Elektromotoren und entsprechende Antriebsregelungen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung eines Last-Sollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, in einem Elektrofahrzeug, wobei ausgehend von einer Fahrpedalanforderung ein Lastsollwert für das Stromerzeugungssystems vorgegeben und die Leistung des Stromerzeugungssystems auf diesen Sollwert laufend eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fahrmotor-Umrichter (10) ausgehend von der Fahr­ pedalanforderung (FP) ein Sollwert für die Motorstrangströme (IMS-soll(i)) des Elektro-Fahrmotors (11) ermittelt und daraus ein Lastsollwert (IFP) für das Stromerzeugungssystems (1) generiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Generierung des Last-Sollwertes (IFP) eine Temperatur- und/oder Wirkungsgradkompensation erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur- und/oder Wirkungsgradkompensation anhand von entsprechenden Kennfeldern erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromerzeugungssystem ein Brennstoffzellensystem (1) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Last-Sollwert ein Soll-Stromwert (IFP) oder ein Soll- Leistungswert (PFP) für die Brennstoffzelle (1) vorgegeben wird.
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