WO2018219528A1 - Verfahren zum betrieb eines steuergerätes - Google Patents

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Torsten Grahle
Michael Deibler
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a control unit, which is arranged in a vehicle and is connected to a fuel cell system arranged in the vehicle and energy storage and navigation device, wherein the vehicle has an electric drive.
  • a shutdown procedure for the fuel cell system is performed when parking the vehicle.
  • a cathode path is dried with an air system and a stack to avoid subsequent freezing of remaining water or water vapor in the cathode path and in the sensor.
  • the drying of the cathode path is typically carried out by blowing.
  • a device for promoting an air flow z.
  • As an air compressor, a fan or a compressed air storage short-term high flow rates.
  • it can not be determined with which state of charge of the battery the fuel cell system is switched off. This has the disadvantage that e.g. the battery is switched off with a state of charge of only 30%, the
  • the vehicle then stops for a longer period of time and when re-starting the battery is deflated - the vehicle is thus not bootable.
  • the invention has for its object to make vehicles with fuel cell system customer-friendly, the components of the vehicle should also be optimized for operation and cost-effective availability, so that these vehicles can compete in the market especially with battery-powered vehicles. Disclosure of the invention
  • the inventive method with the characterizing part of claim 1 has the advantage that the control unit, the components fuel cell and
  • a method for operating a control device which is arranged in a vehicle and is connected to a fuel cell system arranged in the vehicle and energy storage and a navigation device and has an electric drive.
  • the controller determines the route data (s_+1) by communication with the navigation device and by communication with the energy storage a current state of charge.
  • the control unit controls this
  • An advantage of this method is the knowledge of the route still to be traveled, which determines the control unit via the communication with the navigation device. Depending on the driving profile, the control unit can operate the fuel cell or the energy storage device as a function of planned intermediate stops or even in the event of an imminent end of travel. Another advantage is that the operating strategy can be optimized to reduce component degradation and aging.
  • the controller puts the fuel cell system in a stopover or for short periods in a sleep mode.
  • the fuel cell system does not undergo an elaborate switch-off procedure with every shorter stopover, which also slows down the aging process of the fuel cell.
  • the controller directs the shutdown procedure of
  • Fuel cell system Because the controller communicates with the Navigation device knows the still to be traveled route, stops and final destination, the shutdown procedure can be optimized in terms of energy requirements.
  • the controller directs the shutdown procedure of
  • control unit completely shuts off the fuel cell system at the destination / destination. Accordingly, the switch-off procedure has already taken place before the destination has been reached and has been completed at the destination.
  • the battery can be fully charged at target achievement.
  • the starting characteristic of the system is advantageously improved, since the fuel cell system with full battery gets more time for the run-up strategy.
  • the (alternative) energy store of the vehicle is, for example, a traction battery or also a further energy store with an energy converter.
  • the alternative energy store preferably comprises a traction battery or a supercapacitor (US Pat. also referred to as supercap or SC, English:
  • the alternative energy storage can also for
  • the shutdown procedure includes drying a cathode path of the fuel cell system. Accordingly, another advantage is that thus water pools when parking the vehicle can be avoided. At the Dehumidifying / blowing often condensed water is discharged and discharged to the street. In the parked case arise
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention
  • Vehicle with control unit fuel cell system
  • FIG. 1 is merely a schematic representation of the invention or its components according to an embodiment of the invention. In particular, distances and size relationships are not reproduced to scale in the figure.
  • the vehicle 11 has a hybrid energy source, which relates to the energy for the electric drive 14 of the vehicle 11.
  • the energy for the electric drive 14 can both from the
  • the electric drive 14 includes, for example, an electric powertrain (engl, powertrain) with an electric motor, a power electronics and a transmission, the latter can be designed as an integrated drive axle.
  • the vehicle 11 is preferably an electric vehicle (also called EV) with fuel cell system 12.
  • the vehicle may also be a hybrid vehicle or a plug-in hybrid vehicle with
  • an internal combustion engine such as a diesel or gasoline engine.
  • an electric drive 14 of one axle another drive may be incorporated, e.g. a 2-axle drive for all-wheel drive.
  • power electronics and transmission can be provided on an axis.
  • Both electric drives (14, 14 ') can be coupled to the fuel cell system 12 and the alternative energy store 14.
  • an electric machine 14 is fed from the battery 13 and recuperated into the battery 13.
  • the fuel cell system 12 includes a further energy storage 15 (not shown here), z. As an h-tank, with an electrochemical
  • the electrochemical energy converter alone (without H 2 - tank) is sometimes referred to as fuel cell system 12.
  • Fuel cell system 12 typically includes galvanic cells that convert the chemical reaction energy of a supplied fuel and an oxidant into electrical energy.
  • the fuel cell system 12 may be, for example, a hydrogen-oxygen fuel cell system, but also based on ethanol, methanol or other hydrocarbons.
  • the fuel cell system may include PEMFC (proton exchange membrane) technology or solid oxide fuel cell (SOFC) technology.
  • the controller 10 first determines by communication with the
  • Navigation device 16 the route data (s_range). The include
  • Track data including the planned stopovers, the final destination, driving profiles, elevation data, etc ..
  • Navigation data has the advantage that the system knows when the target is reached.
  • the controller 10 may begin the shutdown procedure on the last leg of the route.
  • the battery is charged so that it is fully charged at the destination and the last few meters to the destination the
  • Startup feature of the system improved because the fuel cell system with full battery gets more time for the run-up strategy.
  • stops e.g. At a rest area, the driver can decide whether the stopover justifies the shutdown procedure of the fuel cell system and thus the dry bubbles or if this is only a short stopover and the
  • Fuel cell system is only transferred to the extended sleep mode, which dispenses with a dry bubbles.
  • the controller also operates the fuel cell and energy storage system so that the battery is fully charged and the battery is fully charged
  • Fuel cell system provides the full power, if that
  • the vehicle is driving on a motorway.
  • the method can be used in highly automated or
  • the inventive method can in particular in such
  • Fuel cell systems 12 are used, in which the
  • Fuel cell system 12 includes. In doing so, the cathode path,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher verbunden istund über einen elektrischen Antrieb verfügt. Das Steuergerät ist mit einem im Fahrzeug angeordneten Navigationsgerät verbunden und ermittelt durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die Streckendaten (s_strecke) und durch Kommunikation mit dem Energiespeicher einen aktuellen Ladezustand. Das Steuergerät steuert das Brennstoffzellensystem und den Energiespeicher in Abhängigkeit der Streckendaten (s_strecke).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher und Navigationsgerät verbunden ist, wobei das Fahrzeug über einen elektrischen Antrieb verfügt.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen (auch als FCS bezeichnet, engl.: fuel cell System) wird beim Abstellen des Fahrzeugs eine Abschaltprozedur für das Brennstoffzellensystem durchgeführt. Dabei wird unter anderem auch ein Kathodenpfad mit einem Luftsystem und einem Stack getrocknet, um nachfolgendes Einfrieren von verbleibendem Wasser oder Wasserdampf im Kathodenpfad und in der Sensorik zu vermeiden. Das Trocknen des Kathodenpfads erfolgt typischerweise durch ein Ausblasen. Dabei muss eine Einrichtung zur Förderung eines Luftvolumenstroms, z. B. ein Luftverdichter, ein Gebläse oder ein Druckluftspeicher kurzfristig hohe Volumenströme liefern. Zusätzlich kann nicht bestimmt werden, mit welchem Ladezustand der Batterie das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird. Das hat den Nachteil, dass z.B. die Batterie mit einem Ladezustand von nur 30% abgeschaltet wird, das
Fahrzeug dann evtl. über einen längeren Zeitraum stehen bleibt und beim Wiederstart die Batterie entleert ist - das Fahrzeug somit nicht startbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fahrzeuge mit Brennstoffzellensystem kundenfreundlicher zu gestalten, wobei die Komponenten des Fahrzeugs außerdem für den Betrieb optimiert und kostengünstig verfügbar sein sollen, so dass diese Fahrzeuge im Markt insbesondere auch mit batteriebetriebenen Fahrzeugen konkurrieren können. Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Steuergerät die Komponenten Brennstoffzelle und
Energiespeicher für den Betrieb optimiert betreibt.
Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes vorgesehen, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystem und Energiespeicher und einem Navigationsgerät verbunden ist und über einen elektrischen Antrieb verfügt. Das Steuergerät ermittelt durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die Streckendaten (s_strecke) und durch Kommunikation mit dem Energiespeicher einen aktuellen Ladezustand. Das Steuergerät steuert das
Brennstoffzellensystem und den Energiespeicher in Abhängigkeit der
Streckendaten (s_strecke).
Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die Kenntnis der noch zu fahrenden Strecke, die das Steuergerät über die Kommunikation mit dem Navigationsgerät ermittelt. Je nach dem Fahrprofil kann das Steuergerät in Abhängigkeit von noch geplanten Zwischenstopps oder auch bei bevorstehendem Fahrtende die Brennstoffzelle bzw. den Energiespeicher entsprechend betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Betriebsstrategie so optimiert werden kann, dass eine Degradation und Alterung der Bauteile vermindert wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhafterweise versetzt das Steuergerät das Brennstoffzellensystem bei einem Zwischenstopp oder bei kurzen Standzeiten in einen Ruhemodus. Diese Optimierung hat zur Folge, dass das Brennstoffzellensystem nicht bei jedem kürzeren Zwischenstopp eine aufwändige Abschaltprozedur durchläuft, wodurch auch der Altem ngsprozess der Brennstoffzelle verlangsamt wird.
Vorteilhafterweise leitet das Steuergerät die Abschaltprozedur des
Brennstoffzellensystems ein. Da das Steuergerät durch Kommunikation mit dem Navigationsgerät die noch zu fahrende Strecke, Zwischenstopps und Endziel kennt, kann die Abschaltprozedur hinsichtlich des Energiebedarfs optimiert werden.
Vorteilhafterweise leitet das Steuergerät die Abschaltprozedur des
Brennstoffzellensystems zu einem Zeitpunkt ein, wenn eine erste Dauer (t_abschalt) der Abschaltprozedur einer zweiten Dauer (t_reststrecke) der noch zu fahrenden Reststrecke entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass das Fahrzeug für die zu fahrende Reststrecke die gleiche Zeitdauer wie die
Abschaltprozedur benötigt. Erreicht das Fahrzeug sein Ziel, ist die
Abschaltprozedur ebenfalls abgeschlossen.
Vorteilhafterweise schaltet das Steuergerät das Brennstoffzellensystem am Fahrziel / Ziel vollständig ab. Entsprechend ist die Abschaltprozedur bereits vor Erreichen des Fahrziels erfolgt und am Ziel abgeschlossen. Durch Anpassen der Ladestrategie der Batterie durch das Steuergerät durch Kenntnis der
Navigationsdaten / Streckendaten kann die Batterie bei Zielerreichung voll aufgeladen sein. Dadurch wird vorteilhafterweise auch die Starteigenschaft des Systems verbessert, da das Brennstoffzellensystem mit voller Batterie mehr Zeit für die Hochlaufstrategie bekommt.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der (alternative) Energiespeicher des Fahrzeugs beispielsweise eine Traktionsbatterie oder auch ein weiterer Energiespeicher mit einem Energiewandler ist. Unter dem Begriff„Batterie" wird in der vorliegenden Offenbarung wie im Sprachgebrauch üblich auch ein Akkumulatorsystem verstanden. Im Folgenden werden die Begriffe„Batterie" und„elektrischer Energiespeicher" zur Vereinfachung weitgehend synonym verwendet. Bevorzugt umfasst der alternative Energiespeicher eine Traktionsbatterie oder einen Superkondensator (auch als Supercap oder SC bezeichnet, engl.:
supercapacitor). Der alternative Energiespeicher kann dabei auch zur
Rückgewinnung von Bremsenergie im Fahrzeug verwendet werden.
Weiterhin umfasst die Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfades des Brennstoffzellensystems. Entsprechend ist ein weiterer Vorteil, dass somit Wasserlachen beim Abstellen des Fahrzeugs vermieden werden können. Beim Entfeuchten/Ausblasen wird häufig auch kondensiertes Wasser ausgetragen und auf die Straße abgelassen. Im abgestellten Fall entstehen dadurch
Wasserlachen unter bzw. hinter dem Fahrzeug, was nicht nur unschön ist, sondern im Winter auch Frostgefahr und Gefahr durch Glättestellen bedeutet. Auch ein wichtiger Vorteil des Verfahrens ist, dass das kondensierte Wasser auf der Restwegstrecke abgelassen und aufgrund der Fahrzeuggeschwindigkeit beim Ablassen verteilt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem
Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der einzigen Figur wird im Folgenden die Erfindung näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Fahrzeuges mit Steuergerät, Brennstoffzellensystem,
Energiespeicher und Navigationsgerät.
Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung der Erfindung bzw. seiner Bestandteile gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in der Figur nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Steuergerätes 10. Das Fahrzeug 11 weist eine hybride Energiequelle auf, was die Energie für den Elektroantrieb 14 des Fahrzeugs 11 betrifft. Die Energie für den Elektroantrieb 14 kann sowohl aus dem
Brennstoffzellensystem 12 als auch aus dem alternativen Energiespeicher 13 stammen. Der Elektroantrieb 14 umfasst beispielsweise einen elektrischen Antriebsstrang (engl, powertrain) mit einer E-Maschine, einer Leistungselektronik und einem Getriebe, wobei letztere als integrierte Antriebsachse ausgeführt sein können. Das Fahrzeug 11 ist bevorzugt ein Elektrofahrzeug (auch als EV bezeichnet, engl, electric vehicle) mit Brennstoffzellensystem 12. Alternativ dazu kann das Fahrzeug auch ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug mit
Brennstoffzellensystem 12 sein und zusätzlich einen Verbrennungsmotor aufweisen, etwa einen Diesel- oder Ottokraftstoffmotor.
Zusätzlich zu einem elektrischen Antrieb 14 einer Achse kann noch ein weiterer Antrieb eingebaut sein z.B. ein 2-Achsantrieb für Allrad. Insbesondere kann beispielsweise je ein Elektroantrieb mit E-Maschine, Leistungselektronik und Getriebe an einer Achse vorgesehen sein. Es können beide Elektroantriebe (14, 14') mit dem Brennstoffzellensystem 12 und dem alternativen Energiespeicher 14 gekoppelt sein. Es kann auch weitere Kombinationen geben, sodass z.B. eine E-Maschine 14 aus der Batterie 13 gespeist wird und in die Batterie 13 rekuperiert. Auch sind hier weitere Varianten möglich wie z.B. Radnabenantrieb etc.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren Energiespeicher 15 (hier nicht dargestellt), z. B. einen h -Tank, mit einem elektrochemischen
Energiewandler. Auch der elektrochemische Energiewandler alleine (ohne H2- Tank) wird manchmal als Brennstoffzellensystem 12 bezeichnet. Das
Brennstoffzellensystem 12 umfasst typischerweise galvanische Zellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandeln. Das Brennstoffzellensystem 12 kann beispielsweise ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellensystem sein, aber auch auf Ethanol, Methanol oder weiteren Kohlenwasserstoffen basieren. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem PEMFC-Membran-Technologie (Proton Exchange Membran) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solid oxide fuel cell) umfassen.
Das Steuergerät 10 ermittelt zunächst durch Kommunikation mit dem
Navigationsgerät 16 die Streckendaten (s_strecke). Dabei umfassen die
Streckendaten u.a. die geplanten Zwischenstopps, das Endziel, Fahrprofile, Höhendaten, etc.. Durch die Kombination der Brennstoffzellen-Steuerung mit den Navigationsdaten ist es möglich, das System so weit zu optimieren, dass das System bei Zwischenstopps oder bei kurzen Standzeiten in einen erweiterten Ruhemodus versetzt wird und erst am Ziel der Navigationsfahrt komplett abgeschaltet wird. Die Kombination aus Brennstoffzellen-Regelung und
Navigationsdaten bringt den Vorteil, dass das System weiß, wann das Ziel erreicht wird. Somit kann das Steuergerät 10 auf dem letzten Teilstück der Strecke mit der Abschaltprozedur beginnen. Durch Anpassen der Ladestrategie seitens des Steuergerätes 10 wird die Batterie so aufgeladen, dass sie am Ziel vollständig aufgeladen ist und die letzten Meter bis zum Ziel die
Abschaltprozedur eingeleitet werden kann. Dadurch wird auch die
Starteigenschaft des Systems verbessert, da das Brennstoffzellensystem mit voller Batterie mehr Zeit für die Hochlaufstrategie bekommt. Bei Zwischenstopps z.B. an einem Rastplatz kann der Fahrer entscheiden, ob der Zwischenstopp die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems und somit das Trockenblasen rechtfertigt oder ob dies nur ein kurzer Zwischenstopp ist und das
Brennstoffzellensystem nur in den erweiterten Ruhemodus überführt wird, der auf ein Trockenblasen verzichtet.
Das Steuergerät betreibt das System aus Brennstoffzelle und Energiespeicher des Weiteren so, dass die Batterie vollgeladen ist und das
Brennstoffzellensystem die volle Leistung zur Verfügung stellt, wenn das
Fahrzeug beispielsweise auf eine Autobahn fährt.
Insbesondere kann das Verfahren bei hoch automatisierten bzw.
vollautomatisierten Fahrzeugen, z. B. beim autonomen Fahren eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei derartigen
Brennstoffzellensystemen 12 eingesetzt werden, bei welchen die
Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfads des
Brennstoffzellensystems 12 umfasst. Dabei wird der Kathodenpfad,
insbesondere mit dem Stack, durch eine Luftfördereinheit trockengeblasen, um das Einfrieren von verbleibendem Wasser oder Wasserdampf im Kathodenpfad und in der Sensorik zu vermeiden.
Ebenfalls kann es genutzt werden um den Abschaltprozedur energetisch zu optimieren, z. B. durch Reduktion der Energie zur Luftförderung. Dies könnte auch zu mehr Freiheit bei der Auswahl der verwendeten Systemkomponenten führen, beispielsweise könnten kostengünstigere, weniger leistungsfähige Systemkomponenten eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes (10), welches in einem
Fahrzeug (11) angeordnet ist und mit einem im Fahrzeug (11) angeordneten Brennstoffzellensystem (12) und Energiespeicher (13) verbunden ist, wobei das Fahrzeug über einen elektrischen Antrieb (14) verfügt, wobei das Steuergerät (10) mit einem im Fahrzeug (11) angeordneten Navigationsgerät (16) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuergerät (10) mit dem Navigationsgerät (16) kommuniziert und Streckendaten (s_strecke) ermittelt;
das Steuergerät (10) mit dem Energiespeicher (13) kommuniziert und einen aktuellen Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (13) ermittelt;
das Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) und den Energiespeicher (13) in Abhängigkeit der Streckendaten (s_strecke) steuert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) bei einem
Zwischenstopp oder bei kurzen Standzeiten in einen Ruhemodus versetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (10) die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems (12) einleitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (10) die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems (12) einleitet, wenn eine erste Dauer (t_abschalt) der Abschaltprozedur einer zweiten Dauer (t_reststrecke) der noch zu fahrenden Reststrecke entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) das Brennstoffzellensystem (12) am Ziel vollständig abschaltet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (13) eine Traktionsbatterie oder ein Superkondensator ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur ein Trocknen eines Kathodenpfads des Brennstoffzellensystems (12) umfasst.
PCT/EP2018/058561 2017-05-30 2018-04-04 Verfahren zum betrieb eines steuergerätes WO2018219528A1 (de)

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