DE102015201405A1

DE102015201405A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102015201405A1
Application number: DE102015201405.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Buchner; Johannes Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem 100 und mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine 200. Während einer Aufwärmphase ta des Brennstoffzellensystems 100 wird die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem 100 während der Aufwärmphase ta bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine 200 und/oder in mindestens einem Stellglied 310 der Antriebsmaschine 200 verbraucht.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs.
Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart (Start bei einer Umgebungstemperatur von 0°C bis 25°C) sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0°C) problembehaftet. Beispielsweise verfügen bei niedrigen Temperaturen die Moleküle des Katholyten sowie die den Separator durchquerenden Ionen über eine vergleichsweise geringe Kinetik. Dies führt dazu, dass die Polarisationskurven bei einem Kaltstart geringere Werte aufweisen als bei einem Warmstart. Mithin kann das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen weniger effizient betrieben werden. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei der das System einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
Aus der DE 10 2007 054299 A1 ist beispielsweise bekannt, ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle mit einer elektrischen Heizeinrichtung zur Erwärmung des Kühlmittels vorzusehen.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Brennstoffzelle schnell und effizient auf ihre Betriebstemperatur zu bringen. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie kann mindestens eine Brennstoffzelle sowie die peripheren Systemkomponenten (Balance-of-Plant Komponenten bzw. BOP-Komponenten) umfassen, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Mit anderen Worten ist die Anode beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Bevorzugte Brennstoffe für das Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®. Es wird vereinfachend oft ein System mit einer Brennstoffzelle diskutiert.
Das Kraftfahrzeug umfasst ferner mindestens eine elektrische Traktions-Arbeitsmaschine bzw. Antriebsmaschine (nachstehend und in den Ansprüchen wird für beide Begriffe vereinfachend der Ausdruck „Antriebsmaschine” verwendet). Die Antriebsmaschine dient dem Antrieb des Fahrzeuges und kann bevorzugt motorisch und generatorisch betrieben werden. Die Antriebsmaschine ist elektrisch leitend u. a. mit dem Brennstoffzellensystem verbunden. Die Antriebsmaschine ist ferner bevorzugt mit einer Hochvoltbatterie elektrisch leitend verbunden.
Das Kraftfahrzeug kann ferner mindestens eine Steuereinrichtung umfassen, die mindestens eine der folgenden Komponenten steuert bzw. regelt: das Brennstoffzellensystem, die mindestens eine Antriebsmaschine, und/oder mindestens ein Stellglied der Antriebsmaschine.
Das Kraftfahrzeug bzw. die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem während der Aufwärmphase bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine verbraucht bzw. umgewandelt wird. Insbesondere wird die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte Energie verbraucht bzw. umgewandelt, ohne dass dadurch mindestens ein Antriebsrad das Kraftfahrzeug in Bewegung versetzt. Bevorzugt wird die bereitgestellte Energie zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine in Wärmeenergie umgewandelt.
Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeuges auf die (optimale) Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Betriebstemperatur, ab welcher der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeug bzw. einer Steuerung zugelassen wird.
Besonders bevorzugt wird die Aufwärmphase der Brennstoffzelle bereits vor der Betätigung des Zündschlüssels bzw. des Starterknopfs aktiviert. Beispielsweise kann die Aufwärmphase durch ein Funksignal oder durch eine Zeitschaltuhr initiiert werden. In einer Ausgestaltung kann der Fahrzeugführer bspw. über eine entsprechende Software eines Mobiltelefons die Aufwärmung des Brennstoffzellensystems starten. Alternativ kann die Aufwärmphase mit dem Signal zum Entriegeln der Zentralverriegelung beginnen.
Das mindestens eine Stellglied der Antriebsmaschine ist bevorzugt mindestens eines der folgenden Stellglieder: Leistungsschalter, Schütz, Sanftstarter, Stelltransformator, Stellwiderstand, Wechsel-/Drehstromsteller, Gleich- und/oder Wechselrichter, Gleichstromsteller und/oder Umrichter. Das Stellglied der Antriebsmaschine dient zum Zu- bzw. Abschalten des Energieflusses zur elektrischen Antriebsmaschine. In vielen Fällen dient das Stellglied zur Steuerung bzw. Regelung dieses Energieflusses und wird zur Realisierung verschiedener Betriebszustände, wie Anlauf, Drehzahlstellung und Bremsen eingesetzt. Der Aufbau und Einsatz von Stellgliedern zur Steuerung bzw. Regelung des Energieflusses ist allgemein bekannt. Stellglieder werden der elektrischen Antriebsmaschine und der geforderten Regelgüte entsprechend ausgestaltet. Das mindestens eine Stellglied kann beispielsweise Teil der Leistungselektronik sein.
Grundgedanke der hier offenbarten Technologie ist es, viel Eigenwärme in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems während der Aufwärmphase zu erzeugen. Hierzu wird gemäß der hier offenbarten Technologie das Brennstoffzellensystem bei hoher Leistung und schlechtem Wirkungsgrad betrieben. Die von den Brennstoffzellen bereitgestellte Energie muss dann allerdings auch verbraucht werden. Hierzu reichen andere Nebenverbraucher, wie bspw. Innenraumtemperierung, Heckscheibenheizung, Kühlkreislauf-Heizgerät etc. nicht aus. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird nun vorgeschlagen, die von dem Brennstoffzellensystem während der Aufwärmphase bereitgestellte Energie in der elektrischen Antriebsmaschine bzw. in dessen Stellglied(ern) zu verbrauchen bzw. umzuwandeln. Die elektrischen Antriebsmaschinen dienen dem Antrieb des Kraftfahrzeuges und sind dementsprechend groß ausgelegt. Für gewöhnliche Kraftfahrzeuge können dabei bspw. Antriebsmaschinen mit einer Leistung von ca. 30 kW bis ca. 300 kW eingesetzt werden. Geht man von einem Wirkungsgrad von ca. 95% aus, so lassen sich in diesen Komponenten Verlustleistungen von ca. 1,5 kW bis 15 kW realisieren. Da diese Komponenten ohnehin im Fahrzeug verbaut sind, können also zusätzliche Verbraucher während der Aufwärmphase eingesetzt werden, ohne dass hierzu zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Die meisten Hardware-Komponenten sind ohnehin vorhanden, so dass die Herstellkosten sich nicht oder nur unwesentlich erhöhen.
Neben dem Verbrauch von elektrischer Energie während der Aufwärmphase ist es selbstverständlich auch möglich, die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt Energie in einem Hochvoltspeicher, bspw. einer Hochvoltbatterie oder in Superkondensatoren, zu speichern.
Prinzipiell kann jede elektrische Antriebsmaschine sowie jedes hierfür geeignete Stellglied eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Stellglied ein Umrichter und die mindestens eine Antriebsmaschine eine Drehstrommaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine.
Bevorzugt sind die elektrische Antriebsmaschine bzw. das mindestens eine Stellglied derart angesteuert, dass an der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine kein bzw. nur ein geringes Antriebsmoment erzeugt wird. Das geringe Antriebsmoment der elektrischen Antriebsmaschine ist dabei so gering, dass das mindestens eine Antriebsrad des Fahrzeuges das Kraftfahrzeug nicht in Bewegung versetzt. Mit anderen Worten verweilt das Kraftfahrzeug während der Aufwärmphase an seinem Ort. Beispielsweise kann die Massenträgheit des an der Welle der elektrischen Antriebsmaschine angeschlossenen Antriebsstrangs derart groß sein, dass das Moment der elektrischen Antriebsmaschine nicht ausreicht, um den Rotor der elektrischen Antriebsmaschine in Bewegung zu versetzen. Das Gegenmoment zum geringen Antriebsmoment kann alternativ oder zusätzlich durch eine Feststellbremse aufgebracht werden.
Die elektrische Antriebsmaschine kann von der Steuerung und dem Stellglied derart gesteuert werden, dass die elektrische Antriebsmaschine als ohmscher und induktiver Verbraucher eingesetzt wird.
Bevorzugt liegt an der elektrischen Antriebsmaschine zumindest während der Aufwärmphase eine periodische Aussetzspannung an, insbesondere eine periodische Pulsspannung. Ein periodischer Aussetzbetrieb kann bspw. eine Folge identischer Spannungspulse sein, die so bemessen sind, dass der Motor infolge der fließenden Ströme nicht die thermische Grenze erreicht, bei der die Isolation der Motorwicklung versagt.
Ferner bevorzugt ist die periodische Aussetzspannung derart gestaltet, dass der Antriebsmotor in einen schwingenden Zustand gebracht wird.
Insbesondere kann die Aussetzspannung derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine in der Aufwärmphase nicht in Rotation versetzt wird. Insbesondere kann die Aussetzspannung derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine in der Aufwärmphase eine Pendelbewegung durchführt. Bevorzugt ist die Pendelbewegung dergestalt, dass durch diese Pendelbewegung das mindestens eine Antriebsrad des Kraftfahrzeuges nicht in Bewegung versetzt wird.
Die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann im gleichen Kühlkreislauf angeordnet sein wie die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und/oder das mindestens eine Stellglied. Beispielsweise kann es sich um einen flüssigkeitsgekühlten Umrichter und/oder eine flüssigkeitsgekühlte Antriebsmaschine handeln. Bevorzugt sind die Antriebsmaschine und/oder das Stellglied zumindest während der Aufwärmphase stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzellen im gleichen Kühlkreislauf angeordnet. Somit kann die Wärmeenergie, die während der Aufwärmphase in der elektrischen Antriebsmaschine und/oder im Umrichter erzeugt wird, zur Erwärmung des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Somit kann die Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems weiter reduziert werden.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems wie es hier offenbart ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen von elektrischer Energie durch ein Brennstoffzellensystem während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems, und
– Verbrauchen bzw. Umwandeln von zumindest einem Teil der elektrischen Energie in einer Antriebsmaschine und/oder in einem Stellglied der Antriebsmaschine, ohne dass ein Antriebsdrehmoment auf einen der Fahrzeugreifen übertragen wird, insbesondere ohne dass dadurch mindestens ein Antriebsrad das Kraftfahrzeug in Bewegung versetzt.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 einen schematischen Aufbau eines Kraftfahrzeuges, und
2 den Strom- und Spannungsverlauf in der elektrischen Antriebsmaschine.
In 1 dargestellt ist das Brennstoffzellensystem 100 mit einer Brennstoffzelle 110, die über einen DC/AC-Wandler mit einer elektrischen Antriebsmaschine 200 verbunden ist. Der Energiefluss vom Brennstoffzellensystem 100 zur elektrischen Antriebsmaschine 200 wird über das Stellglied 310, hier ein Umrichter 310, geregelt bzw. gesteuert. Die Steuereinrichtung 300 ist hier ausgebildet, die vorgenannten Komponenten zu regeln bzw. zu steuern. Selbstverständlich ist es möglich, dass anstatt einer übergelagerten Steuereinrichtung mehrere dezentrale Steuereinrichtungen eingesetzt werden. Während der Aufwärmphase ta wird über das Stellglied 310 eine Pulsspannung Ua (vgl. 2) an den Motor 200 angelegt. Die Pulsspannung Ua ist derart bemessen, dass die elektrische Antriebsmaschine 200 kein oder nur ein geringes Moment abgibt, welches nicht ausreicht, das Kraftfahrzeug in Bewegung zu versetzen.
2 zeigt die Aussetzspannung Ua über die Zeit t. Während der Aufwärmphase ta liegt an einer Statorwicklung der elektrischen Antriebsmaschine 200 die Aussetzspannung Ua an. Je nach Ausgestaltung des Motors 200 kann die Aussetzspannung Ua ein positives Vorzeichen oder ein negatives Vorzeichen aufweisen. Einher mit der Aussetzspannung Ua geht ein pulsierender Strom Ia. Dabei ist die Aussetzspannung Ua bzw. der pulsierende Strom Ia derart bemessen, dass es nicht zur thermischen Überlast der Motorwicklung kommt und kein oder nur ein geringes Drehmoment auf den Antriebsstrang übertragen wird. Die elektrische Antriebsmaschine kann bspw. ein Drehstrommotor sein. Ein Wicklungsstrang kann dann vereinfacht als LR-Schwingkreis angesehen werden. Der elektrische Widerstand R sowie die Induktivität L der Antriebswicklung sind bekannt. Durch Auswahl einer geeigneten Zeitkonstante τ basierend auf der Induktivität L und dem elektrischen Widerstand R lässt sich somit der maximale Strom Ia begrenzen, ohne dass es zur thermischen Überlast kommt oder ein zu großes Drehmoment an der Welle erzeugt wird.
Bevorzugt werden die einzelnen Stränge der Drehstrom-Antriebsmaschine derart angesteuert, dass der Rotor eine periodische Pendelbewegung um eine Nulllage ausführt. Hierzu können beispielsweise die einzelnen Strangspannungen Uai der einzelnen Wicklungsstränge i hinsichtlich ihrer Phasenlage und ihrer Ansteuerzeiten variiert werden. Bevorzugt ist die Pendelbewegung so gering, dass sie nicht zu einer Bewegung des gesamten Fahrzeugs führt.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007054299 A1 [0004]

Claims

Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (100) und mindestens eine elektrische Antriebsmaschine (200), wobei während einer Aufwärmphase (t_a) des Brennstoffzellensystems (100) die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem (100) während der Aufwärmphase (t_a) bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine (200) und/oder in mindestens einem Stellglied (310) der Antriebsmaschine (200) verbraucht wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Stellglied (310) ein Umrichter ist, und wobei die mindestens eine Antriebsmaschine (200) eine Drehstrommaschine (200) ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der Antriebsmaschine (200) zumindest während der Aufwärmphase (t_a) eine periodische Aussetzspannung (U_a) anliegt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antriebsmaschine (200) derart angesteuert ist, dass ein Rotor der Antriebsmaschine (200) nicht in Rotation versetzt wird oder eine Pendelbewegung durchführt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) im gleichen Kühlkreislauf angeordnet ist wie die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine (200) und/oder das mindestens eine Stellglied (310).
Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems (100) eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: – Bereitstellen von elektrischer Energie durch ein Brennstoffzellensystem (100) während einer Aufwärmphase (t_a) des Brennstoffzellensystems (100), und – Verbrauchen von zumindest einem Teil der elektrischen Energie in einer Antriebsmaschine (200) und/oder in einem Stellglied (310) der Antriebsmaschine (200).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei an der Antriebsmaschine (200) zumindest während der Aufwärmphase (t_a) eine periodische Aussetzspannung (U_a) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Antriebsmaschine (200) derart angesteuert ist, dass ein Rotor (210) der Antriebsmaschine (200) nicht in Rotation versetzt wird oder eine Pendelbewegung durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei mindestens eine Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) im gleichen Kühlkreislauf angeordnet ist wie die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine (200) und/oder das Stellglied (310).