DE102005039822A1

DE102005039822A1 - Fahrzeugsteuersystem für regeneratives Bremsen

Info

Publication number: DE102005039822A1
Application number: DE102005039822A
Authority: DE
Inventors: Russel James Thacher; James William Musser
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2006-03-09
Also published as: GB0517628D0; GB2418743B; US20060046895A1; GB2418743A

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des regenerativen Bremsens eines Fahrzeugs ermöglicht eine Verringerung der Aufwärmphase einer dem Fahrzeug zugeordneten Brennstoffzelleneinheit (54) von der Inbetriebnahme bis zum Erreichen der vollen elektrischen Leistungserzeugungskapazität. Eine Steuereinheit (36) erfasst eine Startzeit der Brennstoffzelleneinheit (54). Ein mit einem Fahrzeugrad mechanisch verbundener Antriebsmotor (26, 28) erzeugt während des Bremsens oder Verzögerns des Fahrzeugs elektrische Energie. Die Steuereinheit (36) legt ein Zeitfenster fest, das sich an die Startzeit anschließt. Während des Zeitfensters richtet eine Schalteinheit (34) die durch den Antriebsmotor (26, 28) erzeugte elektrische Energie an eine ohmsche Last (46), die mit einem Wärmetauscher (48) und der Brennstoffzelleneinheit (54) thermisch in Verbindung steht.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugsteuersystem und ein Verfahren für regeneratives Bremsen.

Eine regenerative Bremseinheit kann einen Fahrmotor enthalten, der verwendet wird, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder anzuhalten. Zum Beispiel kann die regenerative Bremseinheit als Generator wirken, welcher mechanische Energie der Raddrehung in elektrische Energie umwandelt. Gemäß dem Stand der Technik können Triebfahrzeuge oder andere dieselelektrische Hybridfahrzeuge derartig erzeugte elektrische Energie als vergeudete thermische Energie in Widerstände abführen. Bei durch Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen kann die durch regeneratives Bremsen erzeugte elektrische Energie zeitweise die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterien überschreiten. Das Hinzufügen weiterer Batterien kann den Preis und das Gewicht des Fahrzeugs beträchtlich erhöhen. Daher besteht ein Bedürfnis danach, das Energiemanagement von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Brennstoffzellen, die mit einem regenerativen Bremssystem ausgestattet sind, zu verbessern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum regenerativen Bremsen bei Fahrzeugen bereitzustellen, durch welches die vorgetragenen Probleme überwunden und die Wünsche erfüllt werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum regenerativen Bremsen bereitzustellen, bei dem die Kapazität der verwendeten Fahrzeugbatterien nicht ausgeweitet werden muss.

Diese Aufgabe wird entsprechend der vorliegenden Erfindung durch die Lehre eines der Ansprüche 1 oder 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Steuerung eines Fahrzeugs, welches eine Nutzbremseinheit enthält. Gemäß des Verfahrens wird eine Startzeit einer zum Fahrzeug gehörenden Brennstoffzelleneinheit erfasst, elektrische Energie während einer Bremsung oder Verzögerung des Fahrzeugs erzeugt, ein Zeitfenster festgelegt, dass sich an die Startzeit anschließt, und die elektrische Energie an eine ohmsche Last geleitet, sofern die Bedingung, dass die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird, erfüllt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme gelöst. Insbesondere brauchen nicht mehr Fahrzeugbatterien verwendet werden als bisher. Die durch die ohmsche Last erzeugte Wärme unterstützt den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit, da sie die Brennstoffzelleneinheit während einer Anfahrphase erwärmt und somit leistungsfähiger macht. Des Weiteren gewährt das erfindungsgemäße Verfahren einen Einfrierschutz für Kaltwettertransporte und -lagerungen.

Vorzugsweise wird die elektrische Energie während einer Bremsung oder Verzögerung des Fahrzeugs durch wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor erzeugt, der mit wenigstens einem Fahrzeugrad mechanisch gekoppelt ist. Der Antriebsmotor übernimmt damit zwei Aufgaben. Er dient als Traktionsmotor dem Antrieb des Fahrzeugs und bremst im Generatorbetrieb das Fahrzeug elektromechanisch ab.

Für eine Abfuhr der Wärme aus der ohmschen Last ist es zweckmäßig, wenn die ohmsche Last mit einem Wärmetauscher in Verbindung steht, welcher seinerseits thermisch an eine Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs gekoppelt ist, und wenn die ohmsche Last während des Zeitfensters die elektrische Energie des Antriebsmotors aufnimmt und an die Brennstoffzelleneinheit abgibt, so dass diese sich während eines Kaltstarts rasch erwärmen kann.

Es kann auch von Vorteil sein, die von dem Antriebsmotor an die ohmsche Last übertragene elektrische Energie an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung des Fahrzeugs weiterzuleiten, sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird. Die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung kann in vorteilhafter Weise wenigstens einen Hochleistungskondensatorspeichermodul enthalten.

Wenn das Zeitfenster abgelaufen ist, wird die durch den Antriebsmotor erzeugte elektrische Energie vorzugsweise unmittelbar an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung des Fahrzeugs geleitet, um diese aufzuladen. Dies ist dann besonders zweckmäßig, wenn die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung noch nicht voll geladen ist.

Zur Übertragung der Wärme zwischen der ohmschen Last und der Brennstoffzelleneinheit sind diese in vorteilhafter Weise in einen Fahrzeugkühlkreis integriert, der einen Wärmetauscher enthält. Dabei kann es zweckmäßig sein, die ohmsche Last zwischen einem Kühlmittelausgang der Brennstoffzelleneinheit und einem Kühlmitteleingang des Wärmetauschers oder zwischen einem Kühlmittelausgang des Wärmetauschers und einem Kühlmitteleingang der Brennstoffzelleneinheit anzuordnen.

Für starke Bremsungen oder Verzögerungen ist es von Vorteil, die elektrische regenerative Bremsung durch eine konventionelle Bremsung mittels Reibbremsung zu unterstützen.

Hierfür schlägt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, die wenigstens eine Reibbremse an wenigstens ein Fahrzeugrad anzulegen, um den elektromechanischen Bremseffekt des elektrischen Antriebsmotors zu ergänzen.

Die Verteilung der von dem Antriebsmotor erzeugten elektrischen Energie erfolgt vorzugsweise durch einen Schaltkreis, der betätigt wird, um die erzeugte elektrische Energie an die ohmsche Last und/oder an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung zu leiten.

Die Steuerung eines Hydraulikflüssigkeitsdurchflusses an wenigstens eine Reibbremsanordnung erfolgt zweckmäßiger Weise aufgrund von Signalen wenigstens eines Drehzahlaufnehmers oder Beschleunigungsaufnehmers, der wenigstens einem Fahrzeugrad zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches eine regenerative Bremseinheit aufweist, enthält wenigstens einen Wärmetauscher zur Ableitung thermischer Energie wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs, wenigstens eine ohmsche Last, die thermisch mit der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit und dem wenigstens einen Wärmetauscher in Verbindung steht, eine Steuereinheit zur Erfassung der Startzeit der Brennstoffzelleneinheit und zur Festlegung eines Zeitfensters, dass sich an die Startzeit anschließt, wenigstens einen Antriebsmotor, der mechanisch mit wenigstens einem Fahrzeugrad verbunden ist, zur Erzeugung elektrischer Energie während des Bremsens oder Verzögerns des Fahrzeugs und einen Schaltkreis zum Weiterleiten der elektrischen Energie an eine ohmsche Last, sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird. Auch diese Anordnung löst die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe und bringt die bereits erwähnten Vorteile mit sich.

Vorzugsweise leitet der Schaltkreis die durch den Antriebsmotor erzeugte elektrische Energie (auch) an wenigstens eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung des Fahrzeugs, sofern die elektrische Energie nach Ablauf des Zeitfensters erzeugt wird. Dies ist jedenfalls dann zweckmäßig, wenn die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung noch nicht voll geladen ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die ohmsche Last in einem Fahrzeugkühlkreis zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Wärmetauscher anzuordnen. zweckmäßiger Weise wird die ohmsche Last zwischen einem Kühlmittelausgang der Brennstoffzelleneinheit und einem Kühlmitteleingang eines Wärmetauschers oder zwischen einem Kühlmittelausgang des Wärmetauschers und einem Kühlmitteleingang der Brennstoffzelleneinheit angeordnet.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung sind wenigstens eine einem Fahrzeugrad zugeordnete Reibbremsanordnung und ein Einstellorgan zum Anlegen der Reibbremsanordnung an das zugehörige Fahrzeugrad vorgesehen, durch die sich auf mechanische Weise der elektromechanische Bremseffekt des elektrischen Antriebsmotors ergänzen lässt.

Es ist auch vorteilhaft, einen Schaltkreis vorzusehen, der Schaltelemente enthält, welche die erzeugte elektrische Energie auf die ohmsche Last und/oder auf die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung schalten.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung enthält die Anordnung des Weiteren wenigstens einen Beschleunigungsaufnehmer, der wenigstens einem Fahrzeugrad zugeordnet ist, und ein Einstellorgan zur Steuerung eines Hydraulikflüssigkeitsstroms zu wenigstens einer Reibbremsanordnung. Dabei arbeitet die Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Ausgangssignale des Beschleunigungsaufnehmers und gibt Signale an das Einstellorgan ab, um eine Reibanordnung anzulegen oder zu lösen.

In Verbindung mit einem Aspekt der Erfindung ermöglicht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des regenerativen Bremsens, auch Nutzbremsen genannt, eines Fahrzeugs eine Verringerung der Aufwärmphase einer dem Fahrzeug zugeordneten Brennstoffzelleneinheit (beispielsweise beim Kaltstart), die von der Inbetriebnahme bis zum Erreichen der vollen elektrischen Leistungserzeugungskapazität andauert. Eine Steuereinheit erfasst eine Startzeit der Brennstoffzelleneinheit. Die Steuereinheit nimmt auf ein Zeitfenster Bezug oder legt ein Zeitfenster fest, dass sich an die Startzeit anschließt. Das Zeitfenster ist abhängig von wenigstens einem der folgenden Faktoren: (1) Ablauf einer Zeitperiode, die einen Mindestgrenzwert einnimmt, (2) einer Umgebungstemperatur rings um das Fahrzeug oder der Brennstoffzelleneinheit, (3) die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit erreicht eine gewünschte Betriebstemperatur oder einen Betriebstemperaturenbereich und (4) ob der Start der Brennstoffzelleneinheit als ein Kaltstart oder ein Warmstart erfolgt. Ein mit einem Fahrzeugrad mechanisch verbundener Antriebsmotor erzeugt während des Bremsens oder Verzögerns des Fahrzeugs elektrische Energie. Während des Ablaufs des Zeitfensters richtet eine Schalteinheit die durch den Antriebsmotor erzeugte elektrische Energie an eine ohmsche Last, die einem Wärmetauscher zugeordnet ist, welcher mit der Brennstoffzelleneinheit thermisch in Verbindung steht.

Die Erfindung und weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Anordnungen der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
1 das Blockdiagramm eines Steuerungssystems für ein Fahrzeug, welches eine Nutzbremsung entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist,
2 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs mit einer Nutzbremsung,
3 ein anderes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs mit einer Nutzbremsung,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs mit einer Nutzbremsung,
5 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs mit einer Nutzbremsung,
6 das Blockdiagramm einer Brennstoffzellenbaugruppe (einschließlich des Brennstoffzellenstapels)
7 ein alternatives Ausführungsbeispiels eines Steuersystems für ein Fahrzeug mit einer Nutzbremsung entsprechend der vorliegenden Erfindung und
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steuersystems für ein Fahrzeug mit einer Nutzbremsung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Aus 1 geht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein Fahrzeugsteuersystem hervor, welches die elektrische Energie des Fahrzeugs verwaltet und welches einen ersten Antriebsmotor 26 und einen zweiten Antriebsmotor 28 enthält. Der erste Antriebsmotor 26, der zweite Antriebsmotor 28 oder beide Motoren 26, 28 sind an Fahrzeugräder gekoppelt, um das Fahrzeug in einem Antriebsmodus anzutreiben oder das Fahrzeug in einem regenerativen Bremsmodus oder Nutzbremsmodus zu verzögern. Die Nutzbremsung, oder regenerative Bremsung, bei welcher Bewegungsenergie des Fahrzeugs zurückgewonnen werden kann, bezieht sich auf die Verwendung des ersten Antriebsmotors 26, des zweiten Antriebsmotors 28 oder beider Motoren, um der Fahrzeugbewegung entgegenzuwirken. Während des Nutzbremsmodus arbeitet einer oder mehrere der Antriebsmotoren 26, 28 als Generator und wandeln die kinetische Energie des sich bewegenden Fahrzeugs in elektrische Energie um und befindet sich somit im Generatorbetrieb. Eine Brennstoffzellenbaugruppe 40 kann eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung 42 aufweisen, welche die durch einen oder mehrere Antriebsmotoren 26, 28 erzeugte elektrische Energie aufnimmt. Sie einhält des Weiteren wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit oder einen Brennstoffzellenstapel, der üblicherweise mehrere Brennstoffzellen, die in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, umfasst.
Andererseits liefert die Energiespeichervorrichtung 42 und ein Brennstoffzellenstapel 54 bzw. die Brennstoffzellenbaugruppe 40 elektrische Energie an eine oder mehrere Antriebsmotoren 26, 28. Wenn es sich bei den Antriebsmotoren 26, 28 um solche handelt, die mit Wechselstrom arbeiten, ist jeder Antriebsmotor mit einem entsprechenden Wechselrichter oder Inverter 30 verknüpft, der Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt und umgekehrt. Wenn die Antriebsmotoren mit Gleichstrom arbeiten, können die Inverter 30 entfallen.
Ein Schalt- oder Umschaltkreis 34 verwaltet den elektrischen Energiefluss zwischen den Antriebsmotoren 26, 28 und der Brennstoffzellenbaugruppe 40. Beispielsweise verwaltet der Umschaltkreis 40 den elektrischen Energiefluss zwischen den Antriebsmotoren 26, 28 und jeder der folgenden Komponenten: (a) der Energiespeichervorrichtung 42 (z. B. Fahrzeugbatterien), (b) der ohmschen Last 46 und (c) dem Brennstoffzellenstapel 54. Der Umschaltkreis 34 kann einen oder mehrere Zustände, die in Einklang mit dem Nutzbremsmodus sind, und einen oder mehrere Zustände, die in Einklang mit dem Antriebsmodus sind, aufweisen. Die Bedienungsperson des Fahrzeugs oder ein Navigationssteuersystem können einen Übergang zwischen dem Nutzbremsmodus und dem Antriebsmodus veranlassen, welcher der Überwachung durch die Steuereinheit 36 unterliegt.
Eine Steuereinheit 36 ist vorgesehen, um mit dem Umschaltkreis 34, einem Ladungszustandssensor 38, einem Umgebungstemperatur-Thermometer 37, einem Brennstoffzellen-Thermometer 39, einem ersten Radsensor 10 (beispielsweise, erstem ersten Beschleunigungsmesser), einem zweiten Radsensor 12 (beispielsweise einem zweiten Beschleunigungsmesser) und einem Bremssensor 41 zu kommunizieren. Der Ladungszustandssensor 38, das Umgebungstemperatur-Thermometer 37, das Brennstoffzellen-Thermometer 39, der erste Radsensor 10, der zweite Radsensor 12 und der Bremssensor 41 sind derart angeordnet, dass sie Eingangsdaten an die Steuereinheit 36 liefern. Die Steuereinheit 36 verarbeitet die Eingangsdaten und liefert Steuerdaten oder Steuersignale an den Umschaltkreis 34 und das Einstellorgan 16 (beispielsweise ein Magnetventil). Die Steuerdaten oder Steuersignale können auf Software, Anweisungen, Regeln oder logischen Einheiten basieren, welche mit der Steuereinheit 36 in Zusammenhang stehen.
Die Brennstoffzellenbaugruppe 40 enthält wenigstens einen Brennstoffzellenstapel 54, der mit einem Treibstofftank 56 und einem Luftmanagementsystem 52 (beispielsweise einem Kompressor oder Tank) verbunden ist. Der Treibstofftank 56 speichert Treibstoff (beispielsweise Wasserstoff oder einen andere leicht brennbaren, gasförmigen Brennstoffe) für den Brennstoffzellenstapel 54. Das Luftmanagementsystem 52 enthält eines oder mehrere der folgenden Komponenten: (1) einen Luftkompressor, (2) eine Sauerstoffquelle, (3) eine Luftquelle, (4) einen Tank mit komprimierter Luft, (5) einen Tank mit komprimiertem Sauerstoff und (6) einen Druckregulator, der den Druck und Durchfluss der Luft (oder des Sauerstoffs) zu dem Brennstoffzellenstapel 54 reguliert. Der Treibstofftank 56 ist über eine Treibstoffleitung mit dem Brennstoffzellenstapel 54 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 54 empfängt den Treibstoff und die Luft (oder den Sauerstoff) und erzeugt daraus Elektrizität und Abwasser.
Wie in 1 dargestellt, enthält die Brennstoffzellenbaugruppe 40 des Weiteren einen Energieaufbereiter 44, eine Wärmebaugruppe 50 und eine Energiespeichervorrichtung 42. In einer Ausgestaltung steht der Brennstoffzellenstapel 54 über den Energieaufbereiter 44 mit der Energiespeichervorrichtung 42 in Verbindung. Der Energieaufbereiter 44 kann die elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 54 filtern, um sie für die Ladung der Batterie oder einer Gruppe von Batterien, wie zum Beispiel die Energiespeichervorrichtung 42, verträglicher zu machen. Beispielsweise kann der Energieaufbereiter 44 einen Spannungsregler, einen Stromregler, einen Begrenzer, Rauschfilter oder -verminderer, einen Überlastschutz, eine kapazitive Filterung oder irgendeine Kombination aus diesen Elementen enthalten. Des Weiteren kann der Energieaufbereiter 44 eine Lastabstimmung (beispielsweise eine Impedanzabstimmung) zwischen einem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellenstapels 54 und einem elektrischen Eingang der Energiespeichervorrichtung 42 unterstützen.
Die Wärmebaugruppe 50 enthält wenigstens eine ohmsche Last 46 und einen Wärmetauscher 48 (beispielsweise einen Radiator). In einer Ausgestaltung enthält die ohmsche Last 46 mehrere Hochleistungsverlustwiderstände, die in einem parallelen Netzwerk angeordnet sind. Solche Widerstände sind für eine Leistung ausgelegt, die von gleichem Ausmaß ist, wie die durch den ersten Antriebsmotor 26 und den zweiten Antriebsmotor 28 während anhaltender Nutzbremsung von einer maximalen Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Fahrzeugs aus erzeugte elektrische Leistung.
Der Brennstoffzellenstapel 54 kann mit einem Wärmetauscher 48 in Verbindung stehen, um die durch den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 54 erzeugte Wärme abzuführen. Der Wärmetauscher 48 kann mit dem Brennstoffzellenstapel 54 über eine oder mehrere der folgenden Komponenten in Verbindung stehen: eine Einlassleitung, eine Auslassleitung, eine flüssigkeitsführende Leitung 47, einen Radiatorschlauch, Schläuche, Röhren, Leitungen oder dergleichen. Die ohmsche Last 46 kann in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher 48, der Eingangsleitung, der Auslassleitung, oder irgendeiner anderen flüssigkeitsführenden Leitung stehen.
Die Brennstoffzellenbaugruppe 40 hat eine Kühlschleife, um die Wärmeabfuhr des Brennstoffzellenstapels 54 zu verwalten. Die Kühlschleife enthält eine Kombination aus einer Einlassleitung, dem Wärmetauscher 48 (beispielsweise Radiator) und einer Auslassleitung. Die Kühlschleife kann mit einem Kühlmittelansauganschluss (am Brennstoffzellenkühleingang) und einem Kühlmittelauslassanschluss (am Brennstoffzellenkühlausgang) des Brennstoffzellenstapels 54 verbunden sein. Eine Kühlmittelpumpe kann das Kühlmittel (beispielsweise Wasser oder eine Wasserlösung mit Frostschutzchemikalien) in der Kühlschleife zwischen dem Wärmetauscher 48 und dem Brennstoffzellenstapel 54 und auch innerhalb des Brennstoffzellenstapels 54 umwälzen. In einem typischen Brennstoffzellenstapel 54 sind eine oder mehrere Kühlkanäle zwischen jeder Zelle, welche miteinander elektrisch in Serie verbunden sind, angeordnet. Die Kühlkanäle stehen mit einem Kühlmittelansauganschluss und mit einem Kühlmittelauslassanschluss des Brennstoffzellenstapels 54 in Verbindung.
In einem Ausführungsbeispiel enthält ein Bremssystem einen Hauptbremszylinder 14, ein Einstellorgan 16 (beispielsweise ein Magnetventil), eine erste Reibbremsenbaugruppe 22 und eine zweite Reibbremsenbaugruppe 24. Der Hauptbremszylinder 14 steht über eine Hydraulikleitung 21 mit dem Einstellorgan 16 in Verbindung. Sinngemäß steht das Einstellorgan 16 (beispielsweise ein Magnetventil) über jeweils eine Hydraulikleitung 20 mit einer ersten Reibbremsbaugruppe 22 und einer zweiten Reibbremsenbaugruppe 24 in Verbindung. Jede Reibbremsenbaugruppe 22, 24 kann eine Bremstrommeleinheit, eine Bremsscheibeneinheit oder dergleichen enthalten, welche mit einem zugehörigen Rad verbunden sind. Das Einstellorgan 16 kann den Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit an eine oder beide Reibbremsbaugruppen 22, 24 regulieren, um die Verzögerung oder das Anhalten des Fahrzeugs zu steuern.
Ein Bremssensor 41 kann mit dem Hauptbremszylinder 14, einem Bremspedal, einem Bremslichtkreis oder einer Reibbremsenbaugruppe in Verbindung stehen, um ein Eingangssignal oder um Eingangsdaten an die Steuereinheit 36 zu liefern. Der Bremssensor 41 kann anzeigen, dass eine Bedienungsperson oder bei einem unbemannten Fahrzeug ein Navigationssystem über den Hauptbremszylinder 14 die Bremsen betätigt. Die Steuereinheit 36 kann aufgrund der Eingangsgrößen vom Bremssensor 41 entscheiden, wann von dem Antriebsmodus auf den Nutzbremsmodus umgeschaltet werden soll. Die Steuereinheit 36 liefert ein elektrisches Signal, um das Einstellorgan 16 über die Übertragungsleitung 18 (beispielsweise über Draht, Kabel oder Glasfaserleitung) zu steuern. Die Steuereinheit 36 kann den Hydraulikflüssigkeitsdurchfluss zwischen dem Hauptbremszylinder 14 und den Reibbremsbaugruppen 22, 24 erhöhen, um die beispielsweise durch den ersten Antriebsmotor 26 und den zweiten Antriebsmotor 28 bereitgestellte Bremsleistung zu ergänzen. Des Weiteren kann das Einstellorgan 16 die Erhöhung des Flüssigkeitsstromes an die erste Reibbremsenbaugruppe 26 und die zweite Reibbremsenbaugruppe 28 zulassen, wenn es den Antriebsmotoren 26, 28 nicht gelingt zu bremsen oder ausreichend zu bremsen.
Der Ladungszustandsensor 38 misst einen oder mehrere Parameter (beispielsweise die Leerlaufspannung der Batterie, die Batterietemperatur, den Batteriewiderstand), die verwendet werden können, um den Ladungszustand der Batterie abzuschätzen. Beispielsweise kann der Ladungszustand hauptsächlich aus der Leerlaufspannung der Batterie bewertet werden und kann zum anderen von dem Innenwiderstand der Batterie, deren Temperatur und Aufnahmefähigkeit abhängen. Der Ladungszustand der Batterie kann als Prozentwert der Nennleistung der Batterie (für eine entsprechende Auswertungszeit) angegeben werden.
Der Umgebungstemperatursensor 37 misst die Umgebungstemperatur rund um den Brennstoffzellenstapel 54 oder um das Fahrzeug. Das Brennstoffzellen-Thermometer 39 misst die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels 54, der mit einer Wärmebaugruppe 50 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 54 in Verbindung steht. Die durch das Brennstoffzellen-Thermometer 39 gemessene Temperatur kann mit den gleichbedeutenden Ausdrücken "Zellentemperatur", "Stapeltemperatur" oder "Brennstoffzellentemperatur" bezeichnet werden. Die Steuereinheit 36 kann die gemessene Umgebungstemperatur, die Stapeltemperatur oder beide Temperaturen verwenden, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel 54 einem Kaltstart oder einem Warmstart unterzogen wird. Ein Kaltstart bedeutet, dass die Brennstoffzellentemperatur gleich der Umgebungstemperatur ist oder innerhalb eines Grenzbereichs der Umgebungstemperatur liegt, wohingegen ein Warmstart bedeutet, dass die Brennstoffzellentemperatur innerhalb eines bekannten Betriebstemperaturbereichs der Brennstoffzellen liegt. Der Brennstoffzellenstapel 54 erzeugt seine volle elektrische Leistungsfähigkeit, wenn er seine Betriebstemperatur erreicht oder beibehält. Beispielsweise werde nach einem Anfahren der Brennstoffzelle durch die dann einsetzende Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle, zumindest bis zur ihrer normalen Betriebstemperatur, die Oxidation, Reduktion oder andere chemische Reaktionen, die in dem Brennstoffzellenstapels 54 auftreten, in ihrer Wirksamkeit gesteigert.
Während des Nutzbremsmodus kann die Steuereinheit 36 festlegen, dass die elektrische Energie von einem oder mehreren der Antriebsmotoren (beispielsweise dem ersten Antriebsmotor 26) an eine ohmsche Last 46 der Brennstoffzellenbaugruppe 40 geleitet wird, sofern die Brennstoffzellenbaugruppe 40 innerhalb eines Zeitfensters betrieben wird oder sofern die Brennstoffzellentemperatur kleiner ist als eine Mindestgrenztemperatur. Das Zeitfenster kann auf einem oder auf mehreren der folgenden Faktoren basieren: (1) Ablaufen einer Mindestgrenzwertzeitspanne seit der Startzeit, (2) einer Umgebungstemperatur rund um das Fahrzeug oder die Brennstoffzelle, (3) Erreichen einer gewünschten Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 54 und (4) ob der Start der Brennstoffzelle als Kaltstart oder als Warmstart erfolgt.
Zugehörig zur Brennstoffzellenbaugruppe 40 ist eine ohmsche Last 46, die während des Zeitfensters (und nach dem Zeitfenster) das thermische Management des Brennstoffzellenstapels 54 ermöglicht. Die Steuereinheit 36 kann den Umschaltkreis 34 anweisen, die ohmsche Last 46 (mit bestimmten zugehörigen Widerständen) mit einem Ausgangpotential der Antriebsmotoren 26, 28 oder mit einem Gleichstrombus des Fahrzeugs zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel ist die ohmsche Last 46 hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels 54 ein gesondertes Modul und steht in thermischer Verbindung mit einer Kühlschleife des Brennstoffzellenstapels 54. Die der Kühlschleife von der ohmschen Last 46 zugeführte zusätzliche Wärme kann in den Wärmetauscher 48 (beispielsweise einen Radiator) abgeführt werden bevor das Kühlmittel zum Brennstoffzellenstapel 54 zurückkehrt.
Die ohmsche Last 46 kann physisch in einer Fahrzeugkühlschleife angeordnet sein (a) zwischen dem Brennstoffzellenausgang und dem Eingang des Wärmetauschers 48, (b) zwischen dem Brennstoffzelleneingang und dem Ausgang des Wärmetauschers 48, (c) zwischen dem Brennstoffzellenausgang und einer dem Kühlsystem zugehörigen Pumpe, und (d) zwischen dem Brennstoffzelleneingang und einer dem Wärmetauscher 48 zugehörigen Pumpe.
Die ohmsche Last 46 kann elektrisch mit einem Gleichstrombus des Fahrzeugs verbunden oder gekoppelt sein und in thermischer Verbindung mit einem Brennstoffzellenstapel 54, einem Wärmetauscher 48 (beispielsweise einem Radiator) oder einer Kühlschleife des Fahrzeugs stehen. Der Wärmetauscher 48 braucht nicht größer ausgelegt zu werden, weil, wenn das Fahrzeug bremst, der Brennstoffzellenstapel 54 nicht unter einer erheblichen elektrischen Belastung durch das Antreiben des Fahrzeugs steht und der Wärmetauscher 48 (beispielsweise Radiator) verwendet wird, um zu jeder Zeit vor allem die ohmsche Last 46 und nicht den Brennstoffzellenstapel 54 zu kühlen.
Ein durch Brennstoffzellen mit Energie versorgtes Fahrzeug könnte keine ausreichende Batteriekapazität aufweisen, um die durch die Nutzbremsung der elektrischen Antriebsmotoren 26, 28 erzeugte Energie zu speichern. Dementsprechend kann der Umschaltkreis 34 die durch die Nutzbremsung erzeugte elektrische Energie an eine oder mehrere der folgenden Abnehmer verteilen bzw. leiten: (a) eine Energiespeichervorrichtung 42 (beispielsweise Batterien oder Hochleistungskondensatoren), (b) ein Hochleistungskondensatormodul, (c) eine ohmsche Last 46, (d) verschiedene Komponenten der ohmschen Last 46 und (e) eine Kombination der vorstehenden Vorrichtungen. Es versteht sich, dass die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 zu vorgegebenen Zeitfenstern oder Zeitdauern auf einer gegenwärtigen oder dynamischen Basis auf die vorgenannten Abnehmer richten kann.
In einer Konfiguration unterstützt der Umschaltkreis 34 die durch die Steuereinheit 36 wahrgenommene Software, Logik, oder Regeln zum individuellen Schalten (beispielsweise gemäß PWM) eines oder mehrerer Widerstände der ohmschen Last 46, die an einen Bus (beispielsweise Gleichstrombus des Fahrzeugs) angeschlossen oder von diesem getrennt werden, um den Wert der anliegenden ohmschen Last in Echtzeit zu ändern. Der Umschaltkreis 34 sollte eine genügend hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen, um eine hochentwickelte Steuerung und Schaltung der Widerstände oder der ohmschen Komponenten der ohmschen Last 34 zu erlauben. In einer anderen Konfiguration kann der Umschaltkreis 34 durch pulsweitenmodulierte (PWM) Steuersignale von der Steuereinheit 36 gesteuert werden. Die Widerstände können auf kontrollierte Weise für diskrete kontrollierbare Zeitperioden oder Zeitfenster verzögerungsfrei an den Gleichstrombus zugeschaltet oder von diesem abgeschaltet werden. Dementsprechend hält PWM den kontinuierlichen, stufenlos regelbaren oder fortlaufend variablen Widerstandswert der ohmschen Last 46 aufrecht.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 36 an einen nicht gezeigten Treiber angeschlossen sein, der mit dem Umschaltkreis 34 assoziiert oder in diesen integriert ist. Der Treiber empfängt als Steuersignale Eingangssignale oder digitale Logiksignale und erzeugt ein verbesserte Steuersignal (beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal) zur Steuerung eines oder mehrerer Schalter (beispielsweise Halbleiterschalter oder Relais) des Umschaltkreises 34 in Abhängigkeit des Antriebsmodus, des Nutzbremsmodus oder beider Modi.
2 zeigt ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, dass eine Nutzbremsung aufweist. Zum Beispiel zeigt 2 ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Systems für ein durch Brennstoffzellen mit Energie versorgtes Fahrzeug mit einer Nutzbremsung. Das Verfahren der 2 beginnt mit Schritt S100.
In Schritt S100 erfasst eine Steuereinheit 36 oder ein Zeitgeber eine Startzeit für einen Brennstoffzellenstapel 54 eines Fahrzeugs. Zum Beispiels wird in einem Ausführungsbeispiels, wenn der Fahrzeugzündschlüssel aus einer Ausstellung eingeschaltet wird, gleichzeitig die Startzeit begründet, und ein Zeitgeber beginnt unmittelbar danach zu laufen.
In Schritt S102 erzeugen der erste Antriebsmotor 26 oder der zweite Antriebsmotor 28 oder beide Antriebsmotoren 26, 28 elektrische Energie während einer Bremsung oder Verzögerung des Fahrzeugs, wobei der elektrische Antriebsmotor 26 und/oder 28 mechanisch mit wenigstens einem Fahrzeugrad gekoppelt ist. Die Antriebsmotoren 26, 28 wirken als Wechselstrommaschinen (bei AC-Motoren) oder als Gleichstrommaschinen (bei DC-Motoren) um im Generatorbetrieb elektrische Energie zu erzeugen. Die Wechselstrommaschine erzeugt elektrische Energie in Wechselstromform, welche durch einen Gleichrichter (beispielsweise eine Diodenbrückenschaltung) gleichgerichtet werden kann, während die Gleichstrommaschine elektrische Energie in Gleichstromform erzeugt. Der Fahrzeugimpuls (Bewegungsenergie) und die Fahrzeugbewegung drehen die Fahrzeugräder, welche ihrerseits (über eine oder mehrere Antriebsstrangkomponenten, wie Zahnräder, Verbindungen, Gelenkwellen, Differentiale, Getriebe, Wellen oder andere mechanische Glieder zur Übertragung von Rotationsenergie) die Welle des zugehörigen Antriebsmotors 26, 28 drehen, um elektrische Energie zu produzieren.
In Schritt S104 legt die Steuereinheit 36 oder ein Zeitgeber ein Zeitfenster (oder eine compliance Metric, welche als das Zeitfenster oder Zeitintervall ausgedrückt werden kann) fest oder bezieht sich auf ein Zeitfenster, das auf die Startzeit folgt. Das Verfahren des Schrittes S104 kann in Übereinstimmung mit verschiedenen Techniken durchgeführt werden, die alternativ oder kumulativ in gegenseitigem Bezug angewendet werden können. Bei einer ersten Technik basiert das Zeitfenster auf dem Ablauf einer bestimmten minimalen Zeitperiode nach der Startzeit. Bei einer zweiten Technik basiert das Zeitfenster auf dem Ablauf einer bestimmten minimalen Zeitperiode nach der Startzeit, wobei der Wert der minimalen Zeitperiode basierend auf der Leistungsfähigkeit, dem Typ (beispielsweise Brennstoffzelle mit polymerer Elektrolytmembran oder feste Oxidbrennstoffzelle), der Geometrie oder der Konfiguration des Brennstoffzellenstapels 54 ausgewählt wird.
Bei einer dritten Technik basiert das Zeitfenster auf dem Ablauf einer bestimmten minimalen Zeitperiode nach der Startzeit, und das Zeitfenster wird eingestellt (beispielsweise einmalig oder laufend oder auf dynamischer Basis) basierend auf einer oder mehreren Ablesungen des Brennstoffzellen-Thermometers 39, des Umgebungstemperatur-Thermometers 37 oder beider. In einem Beispiel kann das Zeitfenster als kleinere Zeit (beispielsweise ungefähr 20 Sekunden) festgesetzt werden, wenn die Umgebungstemperatur bei Raumtemperatur liegt (beispielsweise 22 Grad Celsius) und als größere Zeit festgelegt werden, wenn die Umgebungstemperatur wesentlich unter der Raumtemperatur liegt (beispielsweise Null Grad Celsius). In einem anderen Beispiel kann dann, wenn die Brennstoffzelle kürzlich abgeschaltet wurde, als sie ihre volle Betriebstemperatur erreicht hatte, das Zeitfenster verkürzt werden, basierend auf der dann herrschenden Brennstoffzellentemperatur, die über der Umgebungstemperatur liegt.
Bei der vierten Technik ist das Zeitfenster gleich einer Zeitdauer oder basiert auf einer Zeitdauer, die erforderlich ist, damit die Brennstoffzelle eine Mindestgrenztemperatur (die beispielsweise über das Brennstoffzellen-Thermometer 39 erfasst wird) erreicht oder übertrifft. Zum Beispiel kann für eine PEM Brennstoffzelle die Mindestgrenztemperatur ungefähr 25 Grad Celsius betragen.
Bei einer fünften Technik hängt das Zeitfenster davon ab, ob das Fahrzeug bei einem Warmstart oder einem Kaltstart in Betrieb gesetzt wurde. Wenn die Fahrzeugstapeltemperatur sich in einem bestimmten minimalen Bereich um seine Betriebstemperatur (beispielsweise innerhalb von plus oder minus 15 Grad um eine Betriebstemperatur von 65 Grad Celsius oder von plus oder minus 15 Grad um eine Betriebstemperatur von 80 Grad Celsius) befindet, kann die Steuereinheit 36 die Inbetriebnahme als Warmstart wahrnehmen, andernfalls wird die Inbetriebnahme als Kaltstart betrachtet. Die Steuereinheit 36 kann ein entsprechendes Kaltstart-Zeitfenster für einen Kaltstart festsetzen, das größer ist als das entsprechende Warmstart-Zeitfenster für einen Warmstart.
Bei einer sechsten Technik kann die Steuereinrichtung 36 auf eine Nachschlagetabelle, auf eine Referenzdatenbank oder auf sonstige Referenzdaten zurückgreifen, um ein entsprechendes Zeitfenster für eine gemessene Fahrzeugzellentemperatur, die durch das Brennstoffzellen-Thermometer 39 bereitgestellt wird, zu bestimmen.
In Schritt 106 bestimmt die Steuereinheit 36, ob die elektrische Energie während oder innerhalb des Zeitfensters (beispielsweise ein angepasstes Zeitfenster oder eine andere derartige compliance Metric) des Schrittes S104 erzeugt wird. Wenn die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird, wird das Verfahren mit Schritt S108 fortgesetzt. Wird jedoch die elektrische Energie nicht während des Zeitfensters erzeugt, dann wird das Verfahren mit Schritt S110 fortgesetzt.
In Schritt 108 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die erzeugte elektrische Energie von einem oder mehreren der Antriebsmotoren 26, 28 im Einklang mit dem Nutzbremsmodus an eine ohmsche Last 46 weiterzuleiten bzw. zu verteilen. In einem Beispiel zur Ausführung des Nutzbremsmodus in Schritt S108 schaltet der Umschaltkreis 34 das durch die Antriebsmotoren (beispielsweise erster Antriebsmotor 26, zweiter Antriebsmotor 28 oder beide Antriebsmotoren) erzeugte Potential auf eine ohmsche Last 46 (beispielsweise einen oder mehrere zugehörige Widerstände). Um die erzeugte elektrische Energie als thermische Energie abzuführen kann die ohmsche Last 46 zum Beispiel zwischen das durch den ersten Antriebsmotor 26 erzeugte Potential und eine elektrische Erdverbindung des Fahrzeugbus geschaltet werden, und zwar entweder direkt oder über ein Widerstandsteilernetzwerk. Die ohmsche Last 46 ist in thermischer Verbindung mit einem Wärmetauscher 48, einer Kühlschleife, einem Brennstoffzellenstapel 54 oder einer Kombination der genannten Elemente angeordnet. Zum Beispiel kann die ohmsche Last 46 in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher oder einer flüssigkeitführenden, zwischen dem Wärmetauscher 46 und dem Brennstoffzellenstapel 54 liegenden Leitung angeordnet sein.
Die thermische Energie der ohmschen Last 46 wird zu der Kühlschleife übertragen. Die Kühlschleife wird durch den Wärmetauscher 48 (beispielsweise Radiator) gekühlt, welcher die thermische Energie über den Temperaturgradienten zwischen dem Kühlmittel im Wärmetauscher und der Umgebungstemperatur austauscht. In einer bevorzugten Konfiguration werden während des Inbetriebnahme-Zeitfensters der Brennstoffzellenstapel 54, die durch die Nutzbremsung erzeugte elektrische Energie oder beide durch die ohmsche Last 46 entladen, um die Kühlmitteltemperatur zu steigern, was die Zeitdauer zwischen dem Anlassen und der vollen elektrischen Leistungserzeugungskapazität des Brennstoffzellenstapels 54 verkürzt.
In Schritt 110 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie an eine Energiespeichervorrichtung 42 des Fahrzeugs zu leiten bzw. zu verteilen, sofern die elektrische Energie nach dem Zeitfenster erzeugt wurde. Zum Beispiel kann der Umschaltkreis 34 die elektrische Energie in Batterien der Energiespeichervorrichtung 42 leiten.
In einem alternativen Beispiel zur Ausführung des Schrittes 110 und insbesondere wenn die vierte Technik des Schrittes 104 angewendet wird, weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, elektrische Energie an die ohmsche Last 46 zu leiten bzw. zu verteilen, bis eine Mindestgrenztemperatur des Brennstoffzellen-Thermometers erreicht ist. Sobald die Mindestgrenztemperatur erreicht ist, richtet die Schaltung die elektrische Energie von der ohmschen Last 46 auf andere Abnehmer.
Das Verfahren nach 3 ist dem Verfahren nach der 2 ähnlich, ausgenommen, dass das Verfahren nach 3 einen Entscheidungsblock oder einen zusätzlichen Schritt S109 enthält, der nach dem Schritt S106 auftreten kann.
In Schritt S106 bestimmt die Steuereinheit 36, ob die elektrische Energie während oder innerhalb des Zeitfensters (beispielsweise ein angepasstes Zeitfenster oder eine andere derartige compliance Metric) des Schrittes S104 erzeugt wird. Wenn die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird, wird das Verfahren mit Schritt S108 fortgesetzt. Ist jedoch die elektrische Energie nicht während des Zeitfensters oder in Übereinstimmung mit einer andere solchen compliance Metric erzeugt, dann wird das Verfahren mit Schritt S109 fortgesetzt.
In Schritt S109 bestimmt die Steuereinheit 36, ob überschüssige elektrische Energie durch einen oder mehrere der Antriebsmotoren 26, 28 während eines Auswertungsintervalls bei einer Nutzbremsung oder unmittelbar auf eine Nutzbremsung folgend erzeugt wird. Zum Beispiel kann überschüssige erzeugte elektrische Energie in Übereinstimmung mit einer der folgenden Definitionen bestimmt werden, welche alternativ oder kumulativ angewendet werden können.
Unter einer ersten Definition wird überschüssige elektrische Energie erzeugt, wenn der Zielladungszustand der Batterie während eines Auswertungsintervalls erreicht oder überschritten wurde. Zum Beispiel kann während eines Auswertungsintervalls der Zielladungszustand der Batterie von ungefähr fünfundachtzig bis ungefähr fünfundneunzig Prozent der Batterienennkapazität reichen, oder es kann ein anderes durch den Verwender definiertes Ziel festgelegt werden.
Unter einer zweiten Definition wird überschüssige elektrische Energie erzeugt, wenn die erzeugte Spannung eines oder mehrerer der Antriebsmotoren 26, 28 während einer Nutzbremsung oder unmittelbar auf eine Nutzbremsung folgend eine vorher festgelegte Höchstgrenzspannung überschreitet.
Unter einer dritten Definition wird überschüssige elektrische Energie erzeugt, wenn der Strom eines oder mehrerer der Antriebsmotoren 26, 28 während einer Nutzbremsung oder unmittelbar auf eine Nutzbremsung folgend einen vorher festgelegten maximalen Grenzstrom überschreitet.
Wenn in Schritt S109 die Steuereinheit 36 feststellt, dass überschüssige elektrische Energie während eines Auswertungsintervalls erzeugt wurde, fährt das Verfahren mit Schritt S108 weiter. Wenn jedoch die Steuereinheit 36 feststellt, dass während eines Auswertungsintervalls keine überschüssige Energie erzeugt wurde, wird das Verfahren mit Schritt S110 fortgesetzt.
In Schritt 108 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, elektrische Energie an eine ohmsche Last 46 weiterzuleiten. Die ohmsche Last 46 steht mit einem Wärmetauscher 48 in Verbindung, welcher thermisch an einen Brennstoffzellenstapel 54 des Fahrzeugs gekoppelt ist. In einem Beispiel kann überschüssige Spannung im Nebenschluss gegen Erde oder auf die ohmsche Last 46 geschaltet sein, so dass die Höchstgrenzspannung für ein definiertes Entladungsintervall aufrechterhalten wird. In einem anderen Beispiel wird, um die Höchstgrenzspannung aufrechtzuerhalten, überschüssiger Strom parallel gegen Erde oder auf die ohmsche Last 46 geschaltet, wenn die durch einen Stromsensor erfasste Spannung, die dem Strom proportional ist, eine vorher festgelegte Höchstgrenzspannung überschreitet.
In Schritt 110 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie für das Auswertungsintervall oder ein definiertes Zeitintervall in eine Energiespeichervorrichtung 42 (beispielsweise Batterie) zu leiten. Das definierte Zeitintervall kann größer sein als das Auswertungsintervall, jedoch nicht so groß, dass die Batterie oder die Energiespeichervorrichtung 42 aufgrund ihres Ladungszustandes, ihrer Nennkapazität und der anwendbaren Ladungsrate überladen wird.
In einem alternativen Beispiel zur Ausführung des Schrittes 110 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die Energiespeichervorrichtung 42 voll zu laden bevor Energie an die Strom abführende ohmsche Last 46 oder an andere Abnehmer geleitet wird.
4 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Verfahrens zur Steuerung der Nutzbremsung eines Fahrzeugs. Das Verfahren der 4 ist dem Verfahren der 2 ähnlich, ausgenommen, dass in dem Verfahren nach 4 der Schritt S108 und der Schritt S110 durch den Schritt S122 bzw. den Schritt S114 ersetzt sind. Gleiche Referenznummern in 2 und 4 weisen auf gleiche Schritte oder Verfahren hin.
In Schritt S106 bestimmt die Steuereinheit 36, ob elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird. Wenn während des Zeitfensters elektrische Energie durch Nutzbremsung erzeugt wird, macht das Verfahren mit Schritt S112 weiter. Wenn jedoch während des Zeitfensters die elektrische Energie nicht durch Nutzbremsung erzeugt wird macht das Verfahren mit Schritt S114 weiter.
In Schritt S112 leitet der Umschaltkreis 34 die elektrische Energie über eine ohmsche Last 46 an einen Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) der 8. Die ohmsche Last 46 kann in Serie mit dem Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) liegen, um den Ladestrom zu dem Hochleistungskondensator zu begrenzen. Dementsprechend ermöglichen der Umschaltkreis 34 und die Steuereinheit 36 eine sanft anlaufende Ladung des Hochleistungskondensators (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) während eines Zeitfensters (Inbetriebnahme-Zeitfensters) im Anschluss an das Anlassen des Fahrzeugs. Durch die sanft anlaufende Ladung kann der Hochleistungskondensator in einer kontrollierten Weise geladen werden, um Beschädigungen des Hochleistungskondensators zu vermeiden. Andernfalls könnten die lange Lebensdauer verkürzt und/oder die Energiespeicherkapazität verringert werden.
In einer Ausgestaltung beim Ausführen des Sanftanlaufmodus kann der Fahrzeugbus von wenigstens einem elektrischen Anschluss des Brennstoffzellenstapels 54 getrennt werden, um das Laden des Hochleistungskondensators (beispielsweise Hochleistungskondensatormoduls 142) mit der Leistung eines oder mehrerer Antriebsmotoren 26, 28 während des Nutzbremsens (beispielsweise nach einem Antrieb oder einer Antriebsbewegung des Fahrzeugs infolge elektrischer Energie, die von Fahrzeugbatterien bereitgestellt wird) über die ohmsche Last 46 oder den Stromregler zu ermöglichen. Durch die ohmsche Last 46 wird es vermieden, dass der von einer Nutzbremsung herrührende Ausgleichsstrom (beispielsweise Einschaltstrom) den Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) unsachgemäß lädt, wodurch eine ungenügende, niedrige Spannung (oder beispielsweise Impedanzfehlanpassung) an die Brennstoffzelle geliefert werden könnte, bevor der Hochleistungskondensatormodul 142 voll geladen ist. Die während des Sanftstartmodus auftretende Wärme von der ohmschen Last 46 ermöglicht es, dass die Brennstoffzellentemperatur schnell von der Umgebungstemperatur auf die Betriebstemperatur von 65 Grad Celsius angehoben wird. In einem Ausführungsbeispiel braucht es ungefähr zwanzig Sekunden, um den Hochleistungskondensatormodul 142 voll zu laden, so dass die Umschalteinheit die elektrische Energie für ungefähr zwanzig Sekunden über eine ohmsche Last 46 an einen Hochleistungskondensatormodul leitet.
In Schritt S114 leitet die Umschalteinheit die elektrische Energie an eine Fahrzeugbatterie (beispielsweise im Einklang mit einem Spannungsregler). Schritt S114 kann im Einklang mit verschiedenen alternativen und kumulativen Techniken ausgeführt werden. Unter einer ersten Technik leitet die Umschalteinheit die elektrische Energie an eine Fahrzeugbatterie, sofern der durch einen Ladungszustandsensor 38 gemessene Ladungszustand anzeigt, dass die Batterie geladen wird oder zusätzliche Ladung annimmt. Unter einer zweiten Technik leitet die Umschalteinheit die elektrische Energie an die Batterie, um eine im wesentlichen Vollladung oder einen Zielladungszustand aufrechtzuerhalten. Unter einer dritten Technik kann die Umschalteinheit zwischen einer ohmschen Last 46 und der Batterie alternierend hin- und herschalten, um den Zielladungszustand (beispielsweise eine Vollladung) der Batterie aufrechtzuerhalten.
Das Verfahren gemäß 5 ist dem Verfahren der 4 ähnlich, ausgenommen, dass das Verfahren nach 5 zusätzliche Schritte S115, S117, S118 und S119 enthält. Gleiche Referenznummern in 4 und 5 weisen auf gleiche Schritte oder Verfahren hin.
In Schritt S106 bestimmt die Steuereinheit 36, ob elektrische Energie während des Zeitfensters durch Nutzbremsung erzeugt wird. Wenn elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird, macht das Verfahren mit Schritt S112 weiter. Wenn jedoch während des Zeitfensters keine elektrische Energie durch Nutzbremsung erzeugt wird, macht das Verfahren mit Schritt S115 weiter.
In Schritt S112 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie über eine ohmsche Last 46 oder einen Stromregler an einen Hochleistungskondensator zu leiten.
In Schritt S115 ermitteln ein Ladungszustandssensor 38, eine Steuereinheit 36 oder beide, ob der Soll- oder Zielladungszustand der Batterie erreicht wurde. Wenn die Steuereinheit 36 oder der Ladungszustandssensor 38 feststellen, dass der Zielladungszustand der Batterie für ein Auswertungsintervall erreicht wurde, macht das Verfahren mit Schritt S117 weiter. Wenn jedoch festgestellt wird, dass der Zielladungszustand der Batterie für ein Auswertungsintervall nicht erreicht wurde, macht das Verfahren mit Schritt S114 weiter.
In Schritt S114 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie für die Auswerteperiode oder eine Nachlade- oder Wiederaufladezeitperiode an eine Fahrzeugbatterie zu leiten.
In Schritt S117 stellt die Steuereinheit 36 fest, ob der Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) für eine Auswertungsperiode voll geladen ist. Wenn der Hochleistungskondensator für die Auswertungsperiode voll geladen ist, macht das Verfahren mit Schritt S118 weiter. Wenn jedoch der Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) nicht voll geladen ist, macht das Verfahren mit Schritt S119 weiter.
In Schritt S118 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie an eine ohmsche Last 46 zu leiten. Zum Beispiel aktiviert die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 periodisch oder fortlaufend, um elektrische Energie für eine vorbestimmte Zeitdauer an eine ohmsche Last 46 zu leiten. Die periodische Leitung der elektrischen Energie kann zum Beispiel durch PWM bewerkstelligt werden.
In Schritt S119 weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, die elektrische Energie für eine definierte Zeitperiode zur Speicherung an den Hochleistungskondensator (beispielsweise Hochleistungskondensatormodul 142) zu leiten. Zum Beispiel weist die Steuereinheit 36 den Umschaltkreis 34 an, elektrische Energie für eine definierte Zeitperiode zu leiten, um ein bestimmtes Mindestladungsniveau in dem Hochleistungskondensator aufrecht zu erhalten.
6 zeigt das Ausführungsbeispiel einer möglichen Konfiguration der Brennstoffzellenbaugruppe 40 aus 1. Die Brennstoffzellenbaugruppe 40 enthält einen Brennstoffzellenstapel 54 mit mehreren Zellen, die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen. Repräsentativ ist eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 54 mit einer polymerer Elektrolytmembran 78 (PEM) gezeigt, auch wenn in alternativen Ausgestaltungen ein anderer Brennstoffzellentyp verwendet werden kann. Jede Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 54 enthält eine Anode 76, eine Kathode 80 eine polymere Elektrolytmembran 78, eine Anodenkammer 74 und eine Kathodenkammer 82. In einer Ausgestaltung enthalten die Kathode 80 und die Anode 76 offenporige Elektroden, die aus mit einem Katalysator (beispielsweise Platin oder einem anderen Edelmetall) behandelten Kohlenstoffplatten hergestellt sind. Die polymere Elektrolytmembran 78 kann ein festes Polymer, Kaliumhydroxid mit einer polymeren Matrix oder eine andere geeignete Verbindungen enthalten.
Im Brennstoffzellenstapel 54 können Wasserstoff als Brennstoff sowie Sauerstoff oder komprimierte Luft verwendet werden. An der Anode 76 wird Wasserstoff mit Hydroxidionen vereint, um Wasserdampf und einen von der Anode 76 abfließenden Elektronenstrom zu erzeugen. Die Kathode 80 empfängt Elektronen von der Anode 76 und bildet aus Sauerstoff und Wasser Hydroxidionen, die der Anode 76 zur Verfügung gestellt werden.
Der Wärmetauscher 48 steht in Flüssigkeitsverbindung mit Flüssigkeitskühlkanälen des Brennstoffzellenstapels 54, um den Brennstoffzellenstapel 54 bei einer geeigneten Temperatur zu betreiben. Eine PEM-Brennstoffzelle kann bei Temperaturen größer als 80°C betrieben werden. Der Katalysator und die Luftkompression (beispielsweise zwei bis drei Atmosphären) ermöglichen eine Erhöhung der chemischen Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels 54.
Das Fahrzeugsystem der 7 ist dem System der 1 ähnlich, ausgenommen, dass das Fahrzeugsystem der 7 den zweiten Antriebsmotor 28 der 1 nicht aufweist und ein Differential 86 enthält. Das Fahrzeugsystem der 7 enthält nur einen einzigen Fahrmotor, der als erster Antriebsmotor 26 bezeichnet ist 26. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich und fallen in den Schutzbereich der Erfindung. Der erste Antriebsmotor 26 ist derart an das Differential 86 gekoppelt, dass der erste Antriebsmotor 26 Drehmoment oder Rotationskräfte an zwei oder mehrere Räder (oder äquivalente Rotationsglieder für ein Raupenfahrzeug) anlegen kann.
Das Fahrzeugsystem der 8 ist dem System der 1 ähnlich, ausgenommen, dass die Energiespeichervorrichtung 42 der 1 durch ein Hochleistungskondensatormodul 142 ersetzt ist und die ohmsche Last 46 beispielsweise in Serie mit dem Hochleistungskondensatormodul 142 verbunden sein kann. Die Energiespeichervorrichtung 42 der 1 schließt jedoch definitionsgemäß einen Hochleistungskondensator nicht aus. Die serienmäßige Verbindung der ohmschen Last 46 der 8 ermöglicht die Verwendung einer ohmschen Last 46, um den an den Hochleistungskondensatormodul 142 angelegten Strom zu begrenzen und andererseits Beschädigungen durch elektrische Einschaltstöße während des Inbetriebnahmemodus des Brennstoffzellenstapels 54 zu vermeiden. Die Brennstoffzellenbaugruppe 140 der 8 enthält den Hochleistungskondensatormodul 142, welcher eine Gruppierung von parallel oder anderweitig geschalteten Kondensatoren aufweist, um eine große Gesamtkapazität zu erreichen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird das gleiche Flüssigkeitskühlsystem sowohl für den Brennstoffzellenstapel 54 als auch für die ohmsche Last 46 verwendet. Die durch die ohmsche Last 46 erzeugte Wärme unterstützt den Brennstoffzellenstapel 54 auf zwei Arten. Erstens vermindert der Betrieb der ohmschen Last 46 während des Aufwärmmodus des Stapels 54 die Dauer oder das Ausmaß des leistungsbegrenzenden Aufwärmmodus des Brennstoffzellenstapels 54, denn der Brennstoffzellenstapel 54 arbeitet nicht effizient bis er eine bestimmte minimale Betriebstemperatur erreicht hat. Zweitens liefert die ohmsche Last 46 während Kaltwettertransporten oder -Lagerungen einen Einfrierschutz für den Brennstoffzellenstapel 54, was andernfalls die Brennstoffzellenkomponenten irreversibel beschädigen könnte. Zum Beispiel kann die Fahrzeugsteuereinheit 36 durch Verwendung des regenerativen Bremsmodus als auslösendes Ereignis den Zustand der Energiespeicherbaugruppe 42 einstellen, indem voraussagende und rückkopplungsbasierte Steuertechniken, einschließlich optimaler und/oder adaptiver Steuerstrategien vorgesehen werden.
In einer erläuterten Ausgestaltung, bei der das Arbeitsfahrzeug eine Mähmaschine (beispielsweise eine Rasenmähmaschine) enthält, kann die ohmsche Last 46 ungefähr 5 kW der thermischen Energie zur Absorption durch den Wärmetauscher 48 (beispielsweise Radiator) oder den Brennstoffzellenstapel 54 abführen. Des Weiteren kann bei der Mähmaschine das hydraulische Bremssystem (einschließlich des Hauptbremszylinders 14, des Einstellorgans 16 und der Reibbremsenbaugruppen 22, 24) durch ein manuelles Bremssystem (beispielsweise eine nichthydraulische oder seilzugbetriebene Reibbremskonfiguration) ersetzt werden.
Nachdem bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass im Lichte der vorhergehenden Beschreibung viele Alternativen, Abwandlungen und Variationen der Erfindung für einen Fachmann offensichtlich sind, die unter den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches eine Nutzbremseinheit enthält, mit folgenden Verfahrensschritten: Erfassen einer Startzeit einer zum Fahrzeug gehörenden Brennstoffzelleneinheit (54), Erzeugung elektrischer Energie während einer Bremsung oder Verzögerung des Fahrzeugs, Festlegung eines Zeitfensters, dass sich an die Startzeit anschließt, und Weiterleiten der elektrischen Energie an eine ohmsche Last (46), sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren enthaltend: Erzeugung elektrischer Energie während einer Bremsung oder Verzögerung des Fahrzeugs durch wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor (26, 28), der mit wenigstens einem Fahrzeugrad mechanisch gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren enthaltend: Weiterleiten der elektrischen Energie an eine ohmsche Last (46), die mit einem Wärmetauscher (48) in Verbindung steht, welcher seinerseits thermisch an eine Brennstoffzelleneinheit (54) des Fahrzeugs gekoppelt ist, sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren enthaltend: Weiterleiten der elektrischen Energie über eine ohmsche Last (46) an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs, sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren enthaltend: Weiterleiten der elektrischen Energie über eine ohmsche Last (46) an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs, sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird, wobei die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) wenigstens einen Hochleistungskondensatorspeichermodul (142) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, des Weiteren enthaltend: Weiterleiten der elektrischen Energie an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs, nachdem das Zeitfenster abgelaufen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, des Weiteren enthaltend: Weiterleiten der elektrischen Energie an eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs, nachdem das Zeitfenster abgelaufen ist und wenn die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) noch nicht voll geladen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des Weiteren enthaltend: Anordnung der ohmschen Last (46) in einem Fahrzeugkühlkreis zwischen der Brennstoffzelleneinheit (54) und einem Wärmetauscher (48), insbesondere zwischen einem Kühlmittelausgang der Brennstoffzelleneinheit (54) und einem Kühlmitteleingang des Wärmetauschers (48) oder zwischen einem Kühlmittelausgang des Wärmetauschers (48) und einem Kühlmitteleingang der Brennstoffzelleneinheit (54).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, des Weiteren enthaltend: Anlegen einer Reibbremsung (22, 24) an wenigstens ein Fahrzeugrad, um den elektromechanischen Bremseffekt des elektrischen Antriebsmotors (26, 28) zu ergänzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, des Weiteren enthaltend: Betätigung eines Schaltkreises (34), um erzeugte elektrische Energie an die ohmsche Last (46) und/oder eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) zu leiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, des Weiteren enthaltend: Steuerung eines Hydraulikflüssigkeitsdurchflusses an wenigstens eine Reibbremsanordnung (22, 24) aufgrund von Signalen wenigstens eines Beschleunigungsaufnehmers, der wenigstens einem Fahrzeugrad zugeordnet ist.
Anordnung zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches eine regenerative Bremseinheit aufweist, wobei die Anordnung enthält: wenigstens einen Wärmetauscher (48) zur Ableitung thermischer Energie wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (54) des Fahrzeugs, wenigstens eine ohmsche Last (46), die thermisch mit der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit (54) und wenigstens einem Wärmetauscher (48) in Verbindung steht, eine Steuereinheit (36) zur Erfassung der Startzeit der Brennstoffzelleneinheit (54) und zur Festlegung eines Zeitfensters, dass sich an die Startzeit anschließt, wenigstens einen Antriebsmotor (26, 28), der mechanisch mit wenigstens einem Fahrzeugrad verbunden ist, zur Erzeugung elektrischer Energie während des Bremsens oder Verzögerns des Fahrzeugs und einen Schaltkreis (34) zum Weiterleiten der elektrischen Energie an eine ohmsche Last (46), sofern die elektrische Energie während des Zeitfensters erzeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 12, worin der Schaltkreis (34) die elektrische Energie an wenigstens eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs leitet, wenn die elektrische Energie erzeugt wird, nachdem das Zeitfenster abgelaufen ist.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, worin der Schaltkreis (34) die elektrische Energie an wenigstens eine Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) des Fahrzeugs leitet, wenn die elektrische Energie erzeugt wird, nachdem das Zeitfenster abgelaufen ist, und wenn die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) noch nicht voll geladen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin die ohmsche Last (46) in einem Fahrzeugkühlkreis zwischen der Brennstoffzelleneinheit (54) und dem Wärmetauscher (48), insbesondere zwischen einem Kühlmittelausgang der Brennstoffzelleneinheit (54) und einem Kühlmitteleingang eines Wärmetauschers (48) oder zwischen einem Kühlmittelausgang des Wärmetauschers (48) und einem Kühlmitteleingang der Brennstoffzelleneinheit (54) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, des Weiteren enthaltend: wenigstens eine Reibbremsanordnung (22, 24), die wenigstens einem Fahrzeugrad zugeordnet ist, und ein Einstellorgan (16) zum Anlegen der Reibbremsanordnung (22, 24) an das zugehörige Fahrzeugrad, um den elektromechanischen Bremseffekt des elektrischen Antriebsmotors (26, 28) zu ergänzen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin der Schaltkreis (34) Schaltelemente enthält, welche die erzeugte elektrische Energie auf die ohmsche Last (46) und/oder auf die Ladungs- oder Energiespeichervorrichtung (42) schalten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, des Weiteren enthaltend: wenigstens einen Beschleunigungsaufnehmer (10, 12), der wenigstens einem Fahrzeugrad zugeordnet ist, und einem Einstellorgan (16) zur Steuerung eines Hydraulikflüssigkeitsstrom zu wenigstens einer Reibbremsanordnung (22, 24), basierend auf den Ausgangssignalen des Beschleunigungsaufnehmers (10, 12).