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DE10132558A1 - Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers

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DE10132558A1
DE10132558A1 DE10132558A DE10132558A DE10132558A1 DE 10132558 A1 DE10132558 A1 DE 10132558A1 DE 10132558 A DE10132558 A DE 10132558A DE 10132558 A DE10132558 A DE 10132558A DE 10132558 A1 DE10132558 A1 DE 10132558A1
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DE
Germany
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fuel cell
vehicle
motor vehicle
cell device
electrical
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DE10132558A
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Doorn Rene Van
Jens Arik Almkermann
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Audi AG
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Audi AG
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Abstract

Das Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor (11) und ein Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers (19) auf. Hierbei ist vorgesehen, dass das Fahrzeugversorgungssystem eine Brennstoffzellen-Einrichtung (21) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bereits bekannt, in einem Fahrzeug eine oder mehrere aufladbare Fahrzeugbatterien zur elektrischen Energieversorgung von mehreren elektrischen Verbrauchern vorzusehen. Nachteilhafterweise ist ein derartiges Fahrzeugversorgungssystem insbesondere in Anbetracht der ständig steigenden Anzahl an elektrischen Verbrauchern in modernen Kraftfahrzeugen nicht zufriedenstellend, da die Nutzung von aufladbaren Fahrzeugbatterien lediglich unter einem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad möglich ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art vorzuschlagen, dessen elektrischer Energiebedarf wenigstens teilweise in im Vergleich zum Einsatz einer aufladbaren Fahrzeugbatterie wirkungsgradgünstigerer Weise gedeckt werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass das Fahrzeugversorgungssystem eine Brennstoffzellen-Einrichtung aufweist. Hierdurch ist es möglich, alternativ oder in Ergänzung zu einer oder mehrerer Fahrzeugbatterien, mittels der Brennstoffzellen-Einrichtung eine relativ wirkungsgradgünstige Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug zu gewährleisten.
  • Entsprechend einer möglichen Ausführungsform weist die Brennstoffzellen-Einrichtung eine Kraftstoffaufbereitungseinheit und eine Membranbrennstoffzelle auf. Mittels einer derartigen Brennstoffzellen-Einrichtung kann aus von mitgeführtem Kraftstoff abgespaltenem Wasserstoff elektrischer Strom erzeugt werden.
  • Alternativ kann die Brennstoffzellen-Einrichtung auch eine Hochtemperatur- Festoxidbrennstoffzelle enthalten. Eine derartige Brennstoffzellen-Einrichtung erlaubt die Nutzung von verbrennungsmotorischen Kraftstoffen zu einer Direktverstromung im Kraftfahrzeug.
  • Mit Vorteil ist die Brennstoffzellen-Einrichtung mittels einer zentralen Steuereinrichtung aktivierbar und deaktivierbar. Dies ermöglicht eine insbesondere fahrzeugbetriebsangepasste und flexible Integration der Brennstoffzellen-Einrichtung in das aktive elektrische Fahrzeugversorgungssystem. Dabei können elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs direkt mit der Brennstoffzellen-Einrichtung oder auch indirekt - unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Fahrzeugbatterien - mit selbiger wirkverbunden sein.
  • Vorteilhafterweise enthält das Fahrzeugversorgungssystem zusätzlich mindestens eine Fahrzeugbatterie. Bei dieser Ausführungsform kann somit die Versorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs mit Strom mittels einer oder mehrerer Fahrzeugbatterien sowie unter Einsatz der Brennstoffzellen-Einrichtung stattfinden. Dabei ist es gegebenenfalls möglich, die Fahrzeugbatterie verhältnismäßig klein auszulegen und/oder weniger Fahrzeugbatterien im Kraftfahrzeug vorzusehen.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzellen-Einrichtung mit der Fahrzeugbatterie zu deren kontinuierlichen oder zeitweisen Aufladung wirkverbunden. Dabei kann die Batterieaufladung je nach Bedarf bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor und/oder bei laufendem Verbrennungsmotor erfolgen. Ferner kann die Fahrzeugbatterie einen Energiepuffer darstellen, wobei sie beispielsweise unabhängig vom Verbrennungsmotorbetrieb und an den jeweiligen elektrischen Energiebedarf im Kraftfahrzeug angepasst mittels der Brennstoffzellen-Einrichtung aufgeladen werden kann. Ein derartiger Batteriepuffer erlaubt eine in Bezug auf die Nennleistung geringere Auslegung der Brennstoffzellen-Einrichtung, welche somit auch kompakter und leichter ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrzeugbatterie auch in Bezug auf einen oder mehrere elektrische Verbraucher parallel mit der Brennstoffzellen-Einrichtung wirkverbunden sein.
  • Vorteilhafterweise ist die Fahrzeugbatterie und/oder die Brennstoffzellen-Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung des Verbrauchers mittels einer zentralen Steuereinrichtung dem elektrischen Fahrzeugversorgungssystem zuschaltbar. Eine alleinige Zuschaltung der Fahrzeugbatterie zur elektrischen Energieversorgung wird insbesondere zur Überbrückung eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums bis zur Einstellung der Betriebsbereitschaft der Brennstoffzellen-Einrichtung erforderlich, um ein erstmaliges Anlassen des Kraftfahrzeugs in Form eines Kaltstarts zu ermöglichen. Dabei kann aufgrund der nun möglichen Zuschaltung (Aktivierung) der Brennstoffzellen-Einrichtung die Fahrzeugbatterie im Vergleich zu einer traditionellen Starterbatterie wesentlich kleiner und leichter ausgebildet sein.
  • Vorteilhafterweise ist die Fahrzeugbatterie zur elektrischen Energieversorgung des Verbrauchers in Bezug auf die Brennstoffzellen-Einrichtung mittels einer zentralen Steuereinrichtung parallel und/oder in Serie schaltbar. Dies ermöglicht eine besonders flexible Energieversorgung einer Mehrzahl an unterschiedlichen elektrischen Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug.
  • Mit Vorteil ist die Fahrzeugbatterie in Bezug auf die Brennstoffzellen-Einrichtung und den elektrischen Verbraucher zwischengeschaltet. Die Fahrzeugbatterie stellt hierbei einen Energiezwischenpuffer in dem elektrischen Fahrzeugversorgungssystem dar.
  • Die Brennstoffzellen-Einrichtung ist vorzugsweise als Hilfseinrichtung ausgelegt, welche bedarfsweise mittels einer zentralen Steuereinrichtung aktivierbar ist. Hierbei wird unter Hilfseinrichtung eine lediglich zeitweise, gegebenenfalls in Ergänzung zu mindestens einer weiteren Einrichtung (Fahrzeugbatterie) aktive beziehungsweise aktivierbare Funktionseinheit verstanden.
  • Entsprechend einer möglichen Ausführungsform ist ein Motorregelungssystem zur insbesondere automatisierten Abschaltung und Anschaltung des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei bei mittels des Motorregelungssystems abgeschaltetem Verbrennungsmotor die Brennstoffzellen-Einrichtung zur Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers aktivierbar ist.
  • Ein derartiges Motorregelungssystem dient zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs im Leerlauf oder auch im Schubbetrieb. Hierzu wird der Verbrennungsmotor in definierten Betriebspunkten, in welchen vom Verbrennungsmotor keine mechanische Leistung abgegeben werden muss, mittels eines geeigneten Motorregelungssystems kontrolliert abgeschaltet und zu einem späteren Zeitpunkt - gegebenenfalls durch Vorgabe des Fahrers - mittels desselben Motorregelungssystems wieder angelassen. Ein derartiger Betriebspunkt kann beispielsweise beim Standbetrieb des Verbrennungsmotors vorliegen. Motorregelungssysteme dieser Art sind beispielsweise als Schwungnutzautomatik oder als "Start-Stop-Automatik" ("Start-Stop- Regelung") bekannt. Nachteilhafterweise beeinflusst eine Abschaltung des Verbrennungsmotors auch die Funktionsweise weiterer Fahrzeugkomponenten, wie zum Beispiel einer Servolenkung oder eines Bremskraftverstärkers, deren korrekte Funktionsweise von einem durch den Verbrennungsmotor erzeugten Betriebsunterdruck abhängt. Ferner ist bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors die Lichtmaschine des Fahrzeugs ebenfalls außer Betrieb, so dass die elektrischen Fahrzeugverbraucher mittels der vorgesehenen Fahrzeugbatterie betrieben werden müssen. Dies wirkt sich bei der verhältnismäßig hohen Anzahl an Stromverbrauchern in einem modernen Kraftfahrzeug negativ auf die Auslegung einer oder mehrerer Fahrzeugbatterien zur Deckung des vorliegenden elektrischen Energiebedarfs des Kraftfahrzeugs aus.
  • Mittels der Brennstoffzellen-Einrichtung ist es nun möglich, in - im Vergleich zu einem mittels des Verbrennungsmotors angetriebenen Generator - wirkungsgradgünstigerer Weise einen sogenannten "on-bord-Strom" zu produzieren. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da die Anzahl der elektrischen Verbraucher in einem Fahrzeug - beispielsweise in Form einer Komfortelektronik in Oberklassenfahrzeugen ("Mobiloffice", Standklimatisierung usw.) - ständig zunimmt. Der Wirkungsgrad einer traditionellen Lichtmaschine beträgt lediglich ca. 1% (Fahrtbetrieb des Kraftfahrzeugs) bis maximal 8%, während dagegen eine Brennstoffzellen-Einrichtung vorteilhafterweise unter einem Wirkungsgrad von ca. 40% betreibbar ist. Aufgrund des verhältnismäßig hohen elektrischen Wirkungsgrads der Brennstoffzellen-Einrichtung ist es ferner möglich, bisher direkt oder indirekt sowie in relativ wirkungsgradungünstiger Weise vom Verbrennungsmotor angetriebene Funktionskomponenten auf elektrischen Antrieb umzustellen, so dass durch Versorgen möglichst vieler Funktionskomponenten mittels der Brennstoffzellen-Einrichtung mit elektrischer Energie eine besonders effektive Wirkungsgradverbesserung des Kraftfahrzeugs erzielbar ist. Beispiele für derzeit lediglich aus regelungstechnischen Gründen erfolgte Umstellungen von Funktionskomponenten auf einen elektrischen Antrieb sind Systeme, die bekannt sind unter der Bezeichnung "break-by-wire", "E-steering". Mit Vorteil können nun derartige Funktionskomponenten/Systeme in effektiver Weise und unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors mit elektrischem Strom direkt oder indirekt aus der Brennstoffzellen-Einrichtung versorgt werden. Das als "Start-Stop- Automatik" bekannte Motorregelungssystem kann somit einschränkungsfrei den Verbrennungsmotor insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung jederzeit abschalten, wenn kein Bedarf des Kraftfahrzeugs an Antriebsmoment besteht, wobei gleichzeitig mittels der Brennstoffzellen-Einrichtung eine zuverlässige und hinreichende elektrische Energieversorgung von fahrdynamisch relevanten Funktionskomponenten/Systemen gewährleistet ist. Insbesondere kann nun eine unerwünschte Veränderung in der Wirkungsweise der Bremse, Lenkung usw. des Kraftfahrzeugs bei Abschalten des Verbrennungsmotors vermieden werden, so dass stets eine sichere und zufriedenstellende Kraftfahrzeughandhabung mit "Start-Stop-Automatik" gewährleistet ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.
  • Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 11 eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Das Kraftfahrzeug weist ein Motorregelungssystem 13 zur automatisierten Abschaltung und Anschaltung des Verbrennungsmotors 11 auf. Ein derartiges Motorregelungssystem 13 ist auch als "Start-Stop-Regelung" bekannt. Der Verbrennungsmotor 11 ist mittels eines Anlassers 15 anschaltbar. Das Kraftfahrzeug enthält eine Fahrzeugbatterie 17 zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern 19. Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Brennstoffzellen-Einrichtung 21 vorgesehen, die zur Gewährleistung einer hinreichenden Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 19 bei mittels des Motorregelungssystems 13 abgeschaltetem Verbrennungsmotor 11. Das Motorregelungssystem 13 steht mit dem Verbrennungsmotor 11, dem Anlasser 15, der Fahrzeugbatterie 17, den Verbrauchern 19 und der Brennstoffzellen-Einrichtung 21 in operativer Wirkverbindung (Pfeile 23, 24, 25). Pfeil 27 kennzeichnet die mögliche elektrische Energieversorgung des Anlassers 15 mittels der Fahrzeugbatterie 17, während der gestrichelte Pfeil 26 eine gegebenenfalls diskontinuierliche elektrische Energieversorgung der Verbraucher 19 mittels der Fahrzeugbatterie 17 dargestellt. Die elektrischen Verbraucher 19 sind ferner mit dem Anlasser 15 wirkverbunden (Doppelpfeil 29). Die Brennstoffzellen-Einrichtung 21 ist geeignet, die Fahrzeugbatterie 17 bei Bedarf aufzuladen (Pfeil 28). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzellen-Einrichtung 21 nicht direkt mit den elektrischen Verbrauchern 19 zu deren Energieversorgung wirkverbunden, sondern lediglich durch die zwischengeschaltete Fahrzeugbatterie 17, welche somit einen Zwischenpuffer im elektrischen Fahrzeugversorgungssystem darstellt.
  • Mittels einer zusätzlichen Integration der Brennstoffzellen-Einrichtung 21 in das elektrische Fahrzeugversorgungssystem ist es möglich, unter Einsatz einer "Start-Stop- Regelung" eine effektive Verbesserung des Betriebswirkungsgrads des Verbrennungsmotors 11 zu erzielen, wobei gleichzeitig eine betriebsgünstigere Peripheriearchitektur der elektrischen Verbraucher 19 im Kraftfahrzeug realisiert werden kann. Es ist ein zuverlässiges und flexibles Energie-Management im Kraftfahrzeug durchführbar. Da der Betriebswirkungsgrad einer Brennstoffzellen-Einrichtung um so höher ist, je geringer eine sich einstellende Lastspreizung derselben ist, wirkt sich eine Integration der Fahrzeugbatterie in das elektrische Fahrzeugversorgungssystem besonders vorteilhaft aus. In dieser Weise können beispielsweise das Fahrzeugbordnetz, die "X-by-wire-Systeme" und insbesondere der Anlasser mittels der Fahrzeugbatterie (Batteriepuffer) mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • Entsprechend einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch alternativ oder zusätzlich zum in der Figur gezeigten Beispiel eine direkte Verbindung zwischen Brennstoffzellen-Einrichtung und elektrischen Verbrauchern vorliegen zur Versorgung derselben mit elektrischer Energie. Dies kann deshalb von Vorteil sein, da ein Aufladen sowie ein Entladen einer Fahrzeugbatterie jeweils bei einem Wirkungsgrad von ca. 80% erfolgt, so dass ein Gesamtwirkungsgrad von 64% bei Fahrzeugbatterieeinsatz erzielbar ist. Im Gegensatz hierzu ist mittels einer Direktversorgung von Verbrauchern mittels einer Brennstoffzellen-Einrichtung und ohne Zwischenschaltung einer Fahrzeugbatterie ein wesentlich höherer Gesamtwirkungsgrad zur Energieversorgung erzielbar. Vorzugsweise ist der Einsatz einer Fahrzeugbatterie als Zwischenpuffer lediglich zur Überbrückung beispielsweise eines kurzzeitigen Fehlbetriebs der Brennstoffzellen-Einrichtung oder auch bei sehr hohen Bedarfsströmen, bei Kaltstarts und ähnlichem vorgesehen.

Claims (11)

1. Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeugversorgungssystem zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugversorgungssystem eine Brennstoffzellen-Einrichtung (21) aufweist.
2. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) eine Kraftstoffaufbereitungseinheit und eine Membranbrennstoffzelle enthält.
3. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) eine Hochtemperatur- Festoxydbrennstoffzelle enthält.
4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) mittels einer zentralen Steuereinrichtung aktivierbar und deaktivierbar ist.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugversorgungssystem zusätzlich mindestens eine Fahrzeugbatterie (17) aufweist.
6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) mit der Fahrzeugbatterie (17) zu deren kontinuierlichen oder zeitweisen Aufladung wirkverbunden ist.
7. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (17) und/oder die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) zur elektrischen Energieversorgung des Verbrauchers (19) mittels einer zentralen Steuereinrichtung dem elektrischen Fahrzeugversorgungssystem zuschaltbar ist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (17) zur elektrischen Energieversorgung des Verbrauchers (19) in Bezug auf die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) mittels einer zentralen Steuereinrichtung parallel und/oder in Serie schaltbar ist.
9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (17) in Bezug auf die Brennstoffzellen- Einrichtung (21) und den elektrischen Verbraucher (19) zwischengeschaltet ist.
10. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) eine bedarfsweise mittels einer zentralen Steuereinrichtung aktivierbare Hilfseinrichtung ist.
11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorregelungssystem (13) zur insbesondere automatisierten Abschaltung und Anschaltung des Verbrennungsmotors (11) vorgesehen ist, wobei bei mittels des Motorregelungssystems (13) abgeschaltetem Verbrennungsmotor (11) die Brennstoffzellen-Einrichtung (21) zur Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers (19) aktivierbar ist.
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