DE102005059838A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle eines Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellenstapel nutzen elektro-chemische Vorgänge, um aus zugeführten Medien elektrische Energie zu generieren. Als technologische Herausforderung hat sich jedoch die Ansteuerung derartiger Antriebsstränge erwiesen, da die technischen Randbedingungen der Brennstoffzellenstapel, Wirtschaftlichkeit und zugleich die Anforderungen des Straßenverkehrs beziehungsweise des Fahrers zu berücksichtigen sind. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die Kontrolle eines Brennstoffzellenstapels in einem Antriebsstrang erlauben, so dass die Kriterien von Leistungsdynamik und Wirtschaftlichkeit zueinander besser abgestimmt sind. Hierzu wird ein Verfahren zur Kontrolle eines Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel 1 und mit einem elektrischen Verbraucher 2 vorgeschlagen, wobei der elektrische Verbraucher 2 von dem Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Betriebsspannung U¶BZ¶ und einem Betriebsstrom I¶BZ¶ versorgt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel 1 in mindestens zwei Arbeitsbereichen betreibbar ist, wobei der erste Arbeitsbereich 6 durch eine optimale Leistungsabgabe und der zweite Arbeitsbereich 7 durch einen optimalen Wirkungsgrad gekennzeichnet ist und wobei bei einer positiven Leistungsanforderung an den Antriebsstrang der Brennstoffzellenstapel 1 zunächst in dem ersten Arbeitsbereich 6 betrieben wird und zeitverzögert in den zweiten Arbeitsbereich 7 überführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel und mit einem elektrischen Verbraucher, wobei der elektrische Verbraucher von dem Brennstoffzellenstapel mit einer Betriebsspannung und einem Betriebsstrom versorgt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel in mindestens zwei Arbeitsbereichen betreibbar ist und wobei der erste Arbeitsbereich durch eine optimale Leistungsabgabe und der zweite Arbeitsbereich durch einen optimalen Wirkungsgrad gekennzeichnet ist, sowie eine entsprechend angepasste Vorrichtung.
• Brennstoffzellenstapel nutzen elektro-chemische Vorgänge, um aus zugeführten Medien elektrische Energie zu generieren. Diese Art der Energieerzeugung weist ein großes Entwicklungspotenzial insbesondere für die Automobilbranche auf, da Fahrzeuge, die mit einem Antriebsstrang bestehend aus Brennstoffzellenstapel und elektrischen Motor als Ersatz für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgerüstet sind, eine hohe Umweltverträglichkeit aufweisen und zudem eine Entkopplung von den knapper werdenden Erdölressourcen umsetzen.
• Als technologische Herausforderung hat sich jedoch die Ansteuerung derartiger Antriebsstränge erwiesen, da die technischen Randbedingungen der Brennstoffzellenstapel, Wirtschaftlichkeit und zugleich die Anforderungen des Straßenverkehrs beziehungsweise des Fahrers zu berücksichtigen sind.
• Die Druckschrift DE 10233821 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung einer mobilen Vorrichtung mit einem hybriden Energiesystem, welches ein Brennstoffzellensystem und ein dynamisches Energiesystem enthält. Bei einer positiven Leistungsanforderung wird von Seiten des Brennstoffzellensystems ein maximal möglicher Strom angefordert, reicht dieser zur Deckung der Leistungsanforderung nicht aus, so wird die Leistungsanforderung durch zusätzlichen Strom von Seiten des dynamischen Energiesystems erfüllt. Die Dynamik der mobilen Vorrichtung ist somit in Abhängigkeit von einstellbaren Betriebsarten durch das Zusammenspiel von dem Brennstoffzellensystem und dem Energiesystem bestimmt.
• Die Druckschrift EP 1091437 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zur Kontrolle der. Brennstoffzellen. Der Grundgedanke in dieser Druckschrift ist es, die Brennstoffzellen in einem Arbeitspunkt der höchsten Energiekonversionseffizienz zu betreiben. Die Energiekonversionseffizienz ist dabei das Produkt einer sogenannten Leistungserzeugungseffizienz und einem sogenannten Gasnutzungsfaktor.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die Kontrolle eines Brennstoffzellenstapels in einem Antriebsstrang erlauben, so dass die Kriterien von Leistungsdynamik und Wirtschaftlichkeit zueinander besser abgestimmt sind.
• Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
• Die Kontrolle des Antriebsstrangs ist insbesondere als eine Steuerung und/oder eine Regelung ausgebildet. Daneben kann die Kontrolle alternativ oder ergänzend ein neuronales Netzwerk, Fuzzy Logic und/oder adaptive Kontrollmechanismen umfassen.
• Der Brennstoffzellenstapel weist vorzugsweise elektrochemische Brennstoffzellen auf, wie z.B. PEM/PEMFC- (Proton Exchange Membran Fuel Cell), AFC- (Alkali Fuel Cell), PAFC- (Phosphoric Acid Fuel Cell), DMFC- (Direct Methanol Fuel Cell), MCFC- (Molten Carbonate Fuel Cell) oder SOFC- (Solid Oxide Fuel Cell) Brennstoffzellen, die zur Erzeugung der Betriebsspannung miteinander, insbesondere parallel und/oder in Reihe verschaltet sind. Der elektrische Verbraucher ist bevorzugt als Elektromotor ausgebildet und insbesondere als Fahrzeugmotor für ein Straßenfahrzeug realisiert.
• Die Betriebsspannung des Antriebsstrangs ist vorzugsweise die Spannung, die bei einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels abfällt, also insbesondere die Spannung, die durch Verschaltung der einzelnen Brennstoffzellen erzeugt wird. Der Betriebsstrom ist vorzugsweise der Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird abzüglich dem Verluststrom, der zu weiteren Verbrauchern neben dem elektrischen Verbraucher abgeführt wird. Das Produkt aus Betriebsspannung und Betriebsstrom ergibt folglich die an den elektrischen Verbraucher übertragende Gesamtleistung.
• Der Brennstoffzellenstapel ist in mindestens zwei Arbeitsbereichen betreibbar, die vorzugsweise aneinandergrenzend oder voneinander beabstandet definiert sind. Bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel entlang einer Betriebsspannungs-Betriebsstrom-Kennlinie betreibbar, wobei insbesondere die Obergrenze der Betriebsspannung durch die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels und die Untergrenze durch die Spannung definiert ist, die einen Betrieb ohne Schädigung von einzelnen Brennstoffzellen erlaubt.
• Der erste Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels ist durch eine optimale und/oder maximale Leistungsabgabe charakterisiert und ist insbesondere bei der Betriebsspannungs-Betriebsstrom-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels in einem Bereich um und/oder über der halben Leerlaufspannung des Brennstoffzellen0stapels angeordnet.
• Der zweite Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels ist durch einen optimalen und/oder maximalen Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels gekennzeichnet, wobei dieser Bereich bei Betriebsspannungen unterhalb der Leerlaufspannung und oberhalb des ersten Arbeitsbereichs angeordnet ist.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einer positiven Leistungsanforderung an den Antriebsstrang der Brennstoffzellenstapel zunächst in dem ersten Arbeitsbereich betrieben wird und zeitverzögert in den zweiten Arbeitsbereich überführt wird. Eine derartige Leistungsanforderung wird beispielsweise in einem Fahrzeug mit dem beschriebenen Antriebsstrang ausgelöst, indem der Fahrer durch Betätigung eines Gebers, z.B. eines Fußpedals, eine Beschleunigung, also eine höhere Momentenanforderung an den Antriebsmotor, initiiert. Nach der Anforderung wird der Brennstoffzellenstapel zunächst in den ersten Arbeitsbereich der optimalen Leistungsabgabe geführt, um die Leistungsanforderung mit hoher Dynamik zu bedienen. Im weiteren, insbesondere sobald die Leistungsanforderung durch Zuschaltung weiterer Energiequellen und/oder durch Erhöhung der Medienzuführung an den Brennstoffzellenstapel kompensiert ist, wird der Brennstoffzellenstapel in den zweiten Arbeitsbereich des optimalen Wirkungsgrads geführt, so dass eine wirtschaftliche Betriebsweise erreicht wird.
• Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Wahl des Arbeitsbereichs des Brennstoffzellenstapels für die Leistungsdynamik und Wirtschaftlichkeit des Antriebsstranges entscheidend ist. Der dynamische Betrieb des Antriebsstranges kann somit grob in zwei Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase im ersten Arbeitsbereich entfaltet der Antriebsstrang eine hohe Dynamik und setzt schnellstmöglich die maximale Leistung frei, so dass die installierte Leistung vollständig genutzt werden kann. In einer zweiten Phase wird der Antriebsstrang mittelfristig so betrieben, dass der Energieverbrauch minimiert ist. Die Erfindung nützt dabei die Erkenntnis, dass eine erhöhte Dynamik nur auf Kosten des Wirkungsgrads, also der Wirtschaftlichkeit, realisierbar ist und umgekehrt, dass eine wirtschaftliche Fahrweise nur auf Kosten der Leistungsabgabe, also der Dynamik möglich ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Auswahl der Arbeitsbereiche über eine Einstellung der Betriebsspannung.
• Es handelt sich insbesondere um ein Verfahren mit spannungsgeregelter Leistungsentnahme. Bei dieser Ausführungsform wird die Leistungsentnahme durch den elektrischen Verbraucher durch die Einstellung der Betriebsspannung sowie durch die aufgrund der aktuellen Zuführungsmenge von Medien, wie z.B. Wasserstoff und Luft, in die Brennstoffzellen verfügbaren Leistung bestimmt. Insbesondere liegt keine Steuerung und/oder Regelung des Betriebsstroms vor, sondern der Verbraucher entnimmt den gesamten verfügbaren Betriebsstrom. Bevorzugt wird bei einer positiven Leistungsanforderung die Zuführungsmenge der Medien in die Brennstoffzellen, insbesondere entsprechend dem zusätzlichen Leistungsbedarf erhöht. Für den technischen Hintergrund und weitere Vorteile dieser Ausführungsform wird auf die 1 und 2 sowie den entsprechenden Beschreibungen verwiesen. Die spannungsgeregelte Leistungsentnahme ist zudem in der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 038 330.8 der Anmelderin ausführlich erläutert. Der gesamte Offenbarungsinhalt, insbesondere Merkmale hinsichtlich der Ansteuerung einer Vorrichtung mit spannungsgeregelter Leistungsentnahme wird durch Referenzierung in die vorliegende Anmeldung übernommen.
• Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel nach einer positiven Leistungsanforderung, insbesondere als direkte Reaktion darauf, in einem ersten Arbeitspunkt der maximalen Leistungsabgabe betrieben. Der erste Arbeitspunkt und/oder der erste Arbeitsbereich wird dabei durch Verwendung einer Kennlinie und/oder einer Look-Up-Tabelle oder ähnlichem ermittelt. Vorzugsweise wird ein bekannter Zusammenhang von Betriebsspannung und maximal entnehmbarer Leistung, alternativ ein bekannter Zusammenhang von Betriebsstrom und maximal entnehmbarer Leistung verwendet. Bei einer weiteren Alternative wird der notwendige Betriebsstrom und/oder die notwendige Betriebsspannung für die maximal entnehmbare Leistung durch Verwendung des leistungsabhängigen Verlaufs des Innenwiderstands des Brennstoffzellenstapels ermittelt.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Brennstoffzellenstapel zeitverzögert in einen zweiten Arbeitspunkt überführt, der durch einen maximalen Wirkungsgrad und/oder Gesamtwirkungsgrad für den Brennstoffzellenstapel gekennzeichnet ist. Der Wirkungsgrad oder Gesamtwirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der elektrischen Bruttoleistung, also Gesamtleistung, des Brennstoffzellenstapels von der die Leistung für Komponenten oder Verbraucher im Brennstoffzellenstapelsystem abgezogen werden, dividiert durch die aufgewendete Primärleistung, wie z.B. die Masse des zugeführten Wasserstoffs pro Zeiteinheit: η = (PBZ – Psec)/PH2 mit.

p_H2

Aufgewendete Primärleistung (z.B. Masse Wasserstoff pro Zeiteinheit)

P_sec

Aufgebrachte Leistung für Komponenten, also Nebenverbraucher, im Brennstoffzellenstapelsystem

P_BZ

elektrische Bruttoleistung

η

Wirkungsgrad

• Nachdem der Wirkungsgrad einer elektrischen Quelle mit zunehmenden Strom kleiner wird, liegt die Betriebsspannung U_η,max für einen optimalen und/oder maximalen Wirkungsgrad über der Betriebsspannung U_P,max für eine maximale Leistungsabgabe. Der Wirkungsgrad kann durch Vermessung aller Komponenten zur Versorgung des Brennstoffzellenstapelsystems erfolgen. Zudem ist eine Vermessung der aktuell verbrauchten Primärleistung, also z.B. des Massendurchflusses des Wasserstoffs, notwendig.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Arbeitspunkt und/oder der zweite Arbeitsbereich über eine Näherung und/oder Abschätzung vorzugsweise auf Basis von gemessenen Strom- und/oder Spannungsgrößen ermittelt.
• Bei der Näherung wird davon ausgegangen, dass die Erfassung der verbrauchten Leistung der wichtigsten Nebenverbraucher P_NV, insbesondere der Luftversorgungseinheit, ausreichend ist und die verbrauchten Leistungen P_{NV_0} der kleineren Verbraucher über Erfahrungswerte abgeschätzt werden können.
• weiter wird davon ausgegangen, dass für die Ermittlung der aufgewendeten Primärleistung die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels und die Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapelsystems ins Verhältnis gesetzt und mit Hilfe des Betriebsstroms die aufgewendete Primärleistung, insbesondere der Wasserstoff-Verbrauch, abgeschätzt werden kann. In Formeln dargestellt: ηBZ = UBZ/U0 PH2 = PBZ/ηBZ = PBZ × U0/UBZ mit den weiteren Abkürzungen:

η_BZ

Verhältnis

U_BZ

Betriebsspannung

U₀

Leerlaufspannung

• Der Wirkungsgrad η lässt sich somit mit folgender Näherung abschätzen: η = (PBZ – Psec)/PH2 = UBZ × (PBZ – PNV – PNV_0)/(PBZ × U0)
• Der Wirkungsgrad n lässt sich somit auf Basis von U_BZ, P_BZ, wobei diese Größen als Regel- oder Steuergrößen zumindest implizit verfügbar sind, P_{NV_0}, U₀, wobei diese Größen Konstanten sind, und P_NV, wobei diese Größe messtechnisch ohne größeren Aufwand erfassbar sind, abschätzen.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird auf die Betriebsspannung eine Störung aufgeprägt und das Verhalten des Brennstoffzellenstapels auf die Störung, insbesondere zur beschleunigten Näherung und/oder Abschätzung des zweiten Arbeitsbereiches und/oder Arbeitspunktes, analysiert.
• Diese Weiterbildung geht von der Überlegung aus, dass für die Ermittlung des aktuellen Wirkungsgrads Idealerweise ein stationärer Zustand des Brennstoffzellenstapels und/oder des Antriebsstranges vorliegen sollte, so dass die zeitliche Ableitung des Wirkungsrads 0 ist, d.h. dη/dt = 0.
• Tatsächlich ist aber in der Praxis insbesondere die Leistungsentnahme nicht konstant. Wird zudem berücksichtigt, dass bei der Steuerung und/oder Regelung des Antriebsstranges mit Tiefpassfiltern gearbeitet wird, so ist die Ermittlung des aktuellen Wirkungsgrads und somit die Regelung und/oder Steuerung auf den optimalen und/oder maximalen Wirkungsgrad ebenfalls träge und langsam.
• Es wird nun vorgeschlagen eine Störung auf den Sollwert der Betriebsspannung aufzumodulieren, die vorzugsweise so ausgeprägt ist, dass die Störung keine nachteiligen Effekte bei dem Antriebsstrang hervorruft. Die Reaktion ist vorzugsweise als eine Änderung des Systemwirkungsgrades des Brennstoffzellenstapelsystems ausgeprägt. Eine mögliche Störung ist beispielsweise eine Variation der Betriebsspannung um einen gedachten Arbeitspunkt, z.B. durch eine sinusförmige Modulation mit vorzugsweise hoher Frequenz. Durch Vergleich des Variationssignals und des Antwortsignals des Systems ist der momentane Wirkungsgrad schnell bestimmbar und der zweite Arbeitspunkt und/oder der zweite Arbeitsbereich ist über die Betriebsspannung, also als Uη, max, schnell einstell- oder einregelbar.
• Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine Betriebsartwahl das Verhältnis zwischen Dynamik und Wirtschaftlichkeit des Antriebsstrangs eingestellt. Die Betriebsartwahl wirkt insbesondere auf die Filtercharakteristik eines Filters, das beispielsweise als Tiefpassfilter und/oder insbesondere gleitende Mittelung ausgebildet ist, durch das die Leistungsanforderung gefiltert wird und/oder auf die Geschwindigkeit der Betriebsspannungserhöhung beim Übergang vom ersten Arbeitsbereich oder -punkt zum zweiten Arbeitsbereich oder – punkt wirkt. Diese Ausbildung weist den Vorteil auf, dass je nach Fahrsituation und/oder Fahrerwunsch und/oder Fahrzeugbeschaffenheit ein optimaler Mix aus der Phase der optimalen Leistungsabgabe und der Phase des optimalen Wirkungsgrads einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Betrieb des Antriebstranges mit dem Schwerpunkt „energieeffizient, aber wenig dynamisch" oder „hochdynamisch, aber wenig effizient" einstellen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Erhöhung der Dynamik weitere Energiequellen, wie z.B. Akkumulatoren, Supercaps, Kondensatoren oder ähnliches verwenden. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Verfahren ausschließlich auf den oder die Brennstoffzellenstapel als Energiequelle zugreift, da aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Anwendungen mit hohen Dynamikanforderungen zusätzliche Energiequellen und/oder Pufferspeicher minimiert werden oder entfallen können.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Kontrolle des Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Verbraucher gelöst, die schaltungstechnisch und/oder programmtechnisch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
• Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine kostengünstige und optimierte Regelung und/oder Steuerung eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht wird und zwar insbesondere ohne Kenntnis einer wirksamen Kennlinie des Brennstoffzellenstapels. Mit anderen Worten handelt es sich um eine dynamische und kennlinienfreie Regelung und/oder Steuerung der Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels. Somit stellt sich je nach Alterungszustand und Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels die optimale Leistung und/oder der optimale Wirkungsgrad ein.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die nachfolgende Beschreibung sowie die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als stark schematisiertes Ersatzschaltbild;
• 2 ein Strom-Spannungsdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Gleiche Teile oder Größen sind in den Figuren mit den gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Antriebsstrangs mit Brennstoffzellenstapel 1, Verbraucher 2 und Steuerungsvorrichtung 3.
• Der Brennstoffzellenstapel 1 ist über zwei elektrische Leitungen mit dem Verbraucher 2 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen, beispielsweise in PEM-Bauart. Obwohl schematisiert in der 1 nur ein einziger Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt ist, können auch eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Der Verbraucher 2 ist als elektrischer Motor eines Fahrzeugs ausgebildet.
• Die Steuerungsvorrichtung 3 nimmt eine Vielzahl von Spannungs- und Strommessgrößen von Brennstoffzellenstapel 1 und Verbraucher 2 auf und steuert die an dem Brennstoffzellenstapel 1 abfallende Betriebsspannung U_BZ. Die Mess- und Steuerleitungen der Steuerungsvorrichtung 3 sind durch gestrichelte Linien angedeutet.
• Der Brennstoffzellenstapel 1 weist bei Belastung einen intern wirksamen Serienwiderstand auf, der im Ersatzschaltbild in 1 als Innenwiderstand R_i dargestellt ist und der für einen lastabhängigen Spannungsabfall verantwortlich ist. An dem Brennstoffzellenstapel 1 wird eine Leerlaufspannung U₀ erzeugt, die somit am (lastabhängigen) Innenwiderstand R_i und am Lastwiderstand R_L des Verbrauchers 2 abfällt. Für die entnommene Leistung gilt P_BZ = U_BZ × I_BZ, für die mögliche Maximalleistung entsprechend P_BZ,m = U_BZ,m × I_BZ,m.
• Die 2 zeigt ein Strom-Spannungsdiagramm zur Illustration und Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem auf der X-Achse der Betriebsstrom I_BZ und auf der Y-Achse die Betriebsspannung U_BZ aufgetragen sind.
• Wie bereits erläutert ist mit U₀ die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels 1 bezeichnet. Für den theoretischen Fall, dass der Innenwiderstand R_i von dem fließenden Strom und/oder der anliegenden Spannung unabhängig ist, ist die theoretische Strom-Spannungs-Kennlinie 4 als Gerade ausgebildet. Die maximal entnehmbare Leistung beträgt P_BZ,m,theor = 1/2 × U₀ × I_BZ,m, d.h. die maximale Leistung kann entnommen werden, wenn U_BZ = 1/2 × U₀, was einer Leistungsanpassung dahingehend entspricht, so dass Innenwiderstand R_i gleich dem Lastwiderstand R_L ist.
• Tatsächlich ist die reale Strom-Spannungs-Kennlinie 5 nicht als Gerade, sondern als Funktion des Stroms (bzw. der Spannung) ausgebildet. Ausgehend von der Leerlaufspannung lässt sich somit nicht wie im theoretischen Fall die Spannung U_BZ,m angeben, die zu der maximal möglichen Leistungsabgabe führt.
• Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Spannung U_BZ,m ist die Angabe eines Näherungswertes auf Basis der Kenntnis des stromabhängigen Verlaufs des Innenwiderstands R_i, also in Kenntnis von R_i = fkt(I_BZ). Eine andere Möglichkeit ist die Ermittlung einer Kennlinie U_BZ,m = fkt(P_BZ,soll), also einer Kennlinie, die die jeweilige Spannung U_{BZ , m} zur Erreichung einer vorgegebenen Leistung P_BZ,soll bei optimierter Leistungsentnahme beschreibt.
• Hat ein Fahrer eine positive Leistungsanforderung oder Momentenanforderung, z.B. durch Betätigen eines „Gaspedals", eingegeben, so wird bei einer spannungsgeregelten Leistungsentnahme als direkte Reaktion auf die Anforderung die Betriebsspannung U_BZ auf den Betriebspunkt 6 mit der Spannung U_BZ,m geführt, so dass eine maximal mögliche Leistungsabgabe durch den Brennstoffzellenstapel 1 bewirkt wird. Die eigentliche Leistungsanpassung zur Erreichung der Momentenanforderung und/oder Leistungsanforderung erfolgt in einem parallel ablaufenden Regelmechanismus, der die Medienversorgung, also z.B. die Wasserstoffversorgung, des Brennstoffzellenstapels 1 einregelt. Durch eine zeitverzögerte und/oder allmähliche Anhebung des Sollwerts für die Betriebsspannung U_BZ an dem Brennstoffzellenstapel 1 auf den Wert U_η,max im Betriebspunkt 7 wird der Wirkungsgrad verbessert, insbesondere wird der Versorgungsaufwand für die Nebenverbraucher und der Medienverbrauch relativ zu der abgegebenen Leistung verringert. Nach einer Einregelzeit stellt sich ein Betriebszustand ein, in dem der Brennstoffzellenstapel 1 bei der Betriebsspannung U_η,max betrieben wird und der Wirkungsgrad optimiert, also maximiert ist. Alternativ zu einer spannungsgeregelten Leistungsentnahme kann auch eine stromgeregelte Leistungsentnahme realisiert werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Kontrolle eines Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel (1) und mit einem elektrischen Verbraucher (2), wobei der elektrische Verbraucher (2) von dem Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Betriebsspannung (U_BZ) und einem Betriebsstrom (I_BZ) versorgt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel (1) in mindestens zwei Arbeitsbereichen betreibbar ist, wobei der erste Arbeitsbereich (6) durch eine optimale Leistungsabgabe und der zweite Arbeitsbereich (7) durch einen optimalen Wirkungsgrad gekennzeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer positiven Leistungsanforderung an den Antriebsstrang der Brennstoffzellenstapel (1) zunächst in dem ersten Arbeitsbereich (6) betrieben wird und zeitverzögert in den zweiten Arbeitsbereich (7) überführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Arbeitsbereiche über eine Einstellung der Betriebsspannung (U_BZ) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer positiven Leistungsanforderung der Medienzufluss erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrom (I_BZ) ungeregelt und/oder ungesteuert ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) zunächst in einem ersten Arbeitspunkt (6) der maximalen Leistungsabgabe betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arbeitspunkt (6) und/oder erste Arbeitsbereich insbesondere näherungsweise durch Verwendung einer hinterlegten Kennlinie oder einer Look-Up-Tabelle ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) in einen zweiten Arbeitspunkt (7) des maximalen Wirkungsgrads überführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Arbeitspunkt (7) und/oder der zweite Arbeitsbereich über eine Näherung und/oder Abschätzung vorzugsweise auf Basis von gemessenen Strom- und/oder Spannungsgrößen ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Betriebsspannung eine Störung aufgeprägt wird und das Verhalten des Brennstoffzellenstapels auf die Störung, insbesondere zur beschleunigten Näherung und/oder Abschätzung des zweiten Arbeitsbereiches und/oder Arbeitspunktes (7) analysiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass durch eine Betriebsartwahl das Verhältnis zwischen Dynamik und Wirtschaftlichkeit des Antriebsstrangs eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) als einzige Energiequelle und/oder Energiequellenart in dem Antriebsstrang ausgebildet ist.
12. Vorrichtung zur Kontrolle eines Antriebsstrangs mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Verbraucher, die schaltungstechnisch und/oder programmtechnisch zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.