DE102016009931A1 - Method for operating a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs (1) dessen elektrische Antriebsleistung mit einer Brennstoffzelle (7) und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (6) stammt, wobei das Fahrzeug (1) über ein Navigationssystem (18) und ein Steuergerät verfügt, welches in Abhängigkeit des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung (6) und der Luftverschmutzung die Brennstoffzelle (7) in einem Stopp-Modus oder einem abgeschalteten Modus betreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Luftverschmutzung anhand der aus dem Navigationssystem (18) bekannten Position des Fahrzeugs (1) und aus für diese Position gespeicherten mittleren Verschmutzungsgraden ermittelt wird.The invention relates to a method for operating a vehicle (1) whose electric drive power comes from a fuel cell (7) and an electrical energy storage device (6), wherein the vehicle (1) has a navigation system (18) and a control unit which is dependent the state of charge of the electrical energy storage device (6) and the air pollution the fuel cell (7) operates in a stop mode or a deactivated mode, characterized in that the degree of air pollution on the basis of the navigation system (18) known position of the vehicle (1) and is determined from average pollution levels stored for that position.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, dessen Antriebsleistung aus einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher stammt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating a vehicle whose drive power originates from a fuel cell and an electrical energy store, according to the preamble of
Derartige Fahrzeuge werden umgangssprachlich auch als Brennstoffzellenfahrzeuge bezeichnet. Typischerweise liefert die Brennstoffzelle den größten Teil der notwendigen elektrischen Antriebsleistung. Darüber hinaus ist eine elektrische Energiespeichereinrichtung, beispielsweise eine Batterie, ein Hochleistungskondensator oder eine Kombination hiervon in dem Fahrzeug vorhanden, um beim Abbremsen rekuperierte Energie zwischenzuspeichern. Hierdurch lassen sich Leistungsspitzen abfedern, da die Brennstoffzelle typischerweise nicht so dynamisch reagieren kann, wie eine elektrische Energiespeichereinrichtung. Je nach Größe der elektrischen Energiespeichereinrichtung und je nachdem, ob diese ausschließlich in dem Fahrzeug oder auch über eine Ladestation von außerhalb des Fahrzeugs (Plug-In Technologie) geladen wird, lassen sich auch größere Strecken rein elektrisch mit gespeicherter Energie fahren, insbesondere dann, wenn geringe Fahrtgeschwindigkeiten ausreichend sind, beispielweise im Stadtverkehr.Such vehicles are colloquially referred to as fuel cell vehicles. Typically, the fuel cell provides most of the necessary electrical drive power. In addition, an electrical energy storage device, such as a battery, a high power capacitor, or a combination thereof is provided in the vehicle to latch energy recuperated during deceleration. As a result, power peaks can be absorbed, since the fuel cell typically can not react as dynamically as an electrical energy storage device. Depending on the size of the electrical energy storage device and depending on whether it is loaded exclusively in the vehicle or via a charging station from outside the vehicle (plug-in technology), even larger routes can be driven purely electrically with stored energy, especially if low speeds are sufficient, for example in city traffic.
In der Praxis ist es so, dass die Brennstoffzelle typischerweise mit Umgebungsluft des Fahrzeugs betrieben wird. Über diese Luft wird der für die Brennstoffzelle notwendige Sauerstoff bereitgestellt. Nun ist es so, dass die Luft Schadstoffe aufweisen kann, beispielsweise Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen wie Stickoxide, Ammoniak oder flüchtige organische Verbindungen, die sogenannten VOCs. In der Praxis ist es so, dass derartige Schadstoffe in der Luft die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle reduzieren. Schwefelverbindungen reagieren beispielsweise irreversibel mit den Katalysatoren im Kathodenbereich der Brennstoffzelle und rufen eine erhebliche Degradation der Brennstoffzelle hervor. Auch Stickstoffverbindungen reagieren stark, sind jedoch größtenteils über einen geeigneten Prozessablauf reversibel wieder entfernbar. Die flüchtigen organischen Verbindungen sind überwiegend noch in der Erforschung, wobei bisherige Erkenntnisse, auch aufgrund der umfassenden Bezeichnung dieser Schadstoffgruppe, sowohl auf starke bis leichte als auch auf reversible bis irreversible Degradationen hindeuten.In practice, the fuel cell is typically operated with ambient air of the vehicle. This air provides the oxygen necessary for the fuel cell. Now it is so that the air can have pollutants, for example sulfur compounds, nitrogen compounds such as nitrogen oxides, ammonia or volatile organic compounds, the so-called VOCs. In practice, such pollutants in the air reduce the performance of the fuel cell. Sulfur compounds, for example, react irreversibly with the catalysts in the cathode region of the fuel cell and cause a considerable degradation of the fuel cell. Nitrogen compounds also react strongly, but for the most part are reversibly removable again via a suitable process sequence. The volatile organic compounds are predominantly still under investigation, although previous findings, also due to the comprehensive designation of this pollutant group, indicate both strong and slight as well as reversible to irreversible degradation.
Bezüglich der Lastzustände der Brennstoffzelle kommt es nach aktuellen Untersuchungen am ehesten auf die Menge des Schadstoffs in der von der Brennstoffzelle benötigten Luftmenge an. Dementsprechend sind bei Volllastbetrieb der Brennstoffzelle und einer dementsprechend höheren benötigten Luftmenge auch höhere Beeinträchtigungen aufgrund der höheren zugeführten Schadstoffmenge zu erwarten. Das elektrische Potenzial selbst scheint dabei einen eher vernachlässigbaren Einfluss auf die Degradation zu haben.With regard to the load conditions of the fuel cell, according to current investigations, it is most likely to depend on the amount of pollutant in the amount of air required by the fuel cell. Accordingly, at full load operation of the fuel cell and a correspondingly higher amount of air required higher impairments due to the higher amount of pollutants supplied are to be expected. The electric potential itself seems to have a rather negligible influence on the degradation.
Das oben beschriebene Problem wurde beispielsweise in der
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass zur Steuerung des Ladezustands einer Batterie in einem Hybridfahrzeug-Steuersystem selbstlernend Fahrstrecken erfasst und der Ladezustand entsprechend dieser Fahrstrecke optimiert wird. Rein beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, das im gattungsgemäßen Stand der Technik beschriebene Verfahren weiterzubilden, um dieses weiter zu verbessern und eine Belastung der Brennstoffzelle mit Schadstoffen noch weiter zu minimieren.The object of the present invention is now to improve the method described in the generic state of the art in order to further improve this and to further minimize contamination of the fuel cell with pollutants.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method having the features in
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der Grad der Luftverschmutzung aus der aus dem Navigationssystem bekannten Position des Fahrzeugs und aus der für diese Position gespeicherten mittleren Verschmutzung ermittelt werden. Das Fahrzeug verfügt also zusätzlich zu den Bauteilen im gattungsgemäßen Fahrzeug über ein Navigationssystem. Über das Navigationssystem lässt sich die Verschmutzung sehr viel einfacher ableiten als über einen entsprechenden Sensor. Es reicht aus, wenn Karten mit einer mittleren Verschmutzung vorliegen. Diese können beispielsweise in dem Fahrzeug gespeichert werden, oder lassen sich in einer Datenbank speichern und über Telekommunikationsmittel an das Fahrzeug weiterleiten. Neben empirisch erfassten Daten lassen sich dort auch die Messwerte von aktuellen Messstationen mit verarbeiten, sodass beispielsweise in einer Datenbank immer die aktuelle Verschmutzungslage für relevante Punkte, beispielsweise im Bereich stark belasteter Autobahnkreuze, Stadtautobahnen oder dergleichen, vorliegen. So lassen sich sehr einfach und effizient die Verschmutzungsgrade aus der Position des Fahrzeugs und diesen gespeicherten bzw. hinterlegten Daten ermitteln. Vergleichbar wie im Stand der Technik kann dann entschieden werden, ob die Brennstoffzelle im Stopp-Modus oder einen abgeschalteten Modus betrieben wird, jeweils in Abhängigkeit des Ladezustands und der Luftverschmutzung.In the method according to the invention, it is provided that the degree of air pollution is determined from the position of the vehicle known from the navigation system and from the mean contamination stored for this position. The vehicle thus has a navigation system in addition to the components in the generic vehicle. The navigation system makes polluting much easier than using an appropriate sensor. It is sufficient if there are cards with medium pollution. These can be stored, for example, in the vehicle, or can be stored in a database and forwarded via telecommunications means to the vehicle. In addition to empirically recorded data, the measured values from current measuring stations can also be processed there, so that, for example, the current soiling situation for relevant points, for example in the area of heavily used motorway junctions, city highways or the like, always exists in a database. This makes it very easy and efficient to determine the degree of contamination from the position of the vehicle and this stored or stored data. Comparable as in the prior art, it can then be decided whether the fuel cell is operated in the stop mode or a deactivated mode, depending on the state of charge and the air pollution.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, das Fahrzeug, wenn es sich gemäß dem Navigationssystem einer Zone mit erhöhter Luftverschmutzung nähert, mit entsprechender Überschussleistung der Brennstoffzelle betrieben wird, um den elektrischen Energiespeicher vor dem Erreichen der Zone mit erhöhter Luftverschmutzung noch weitmöglichst aufzuladen. Bei der Einfahrt in die Zone mit erhöhter Luftverschmutzung wechselt die Brennstoffzelle dann in den Stopp-Modus und die Antriebsleistung wird aus der zuvor, vorausschauend auf den Eintritt in eine solche Zone mit erhöhter Luftverschmutzung im Idealfall vollgeladenen Batterie betrieben.According to an advantageous development of the idea, it may further be provided that the vehicle, when approaching a zone with increased air pollution according to the navigation system, is operated with a corresponding excess power of the fuel cell in order to prevent the electrical energy store from reaching the zone with increased air pollution charge as much as possible. When entering the zone of increased air pollution, the fuel cell then switches to the stop mode and the drive power is operated from the previously fully pre-charged battery, which is ideally pre-charged for entry into such zone of increased air pollution.
Unter dem Stopp-Modus für die Brennstoffzelle ist dabei ein Modus zu verstehen, bei dem diese in einem Bereitschaftsmodus verharrt und sehr schnell wieder gestartet werden kann. Ein solches Verhalten ist für den Fachmann aus dem Bereich der Start/Stopp-Systeme bei Brennstoffzellenfahrzeugen bekannt. Hierzu wird auf das europäische Patent
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass falls die Gefahr besteht, dass ohne Refresh für die Lebensdauer ungünstige Spannungen in der Brennstoffzelle auftreten, ein Refresh durchgeführt wird, und zwar bevorzugt in einem weniger stark durch die Luftverschmutzung belasteten Bereich der Zone mit erhöhter Luftverschmutzung, wenn keine Durchquerung der belasteten Zone aus der Batterie allein möglich ist. Ist hingegen ein Durchqueren der Zone aus der Batterie alleine möglich, dann wird die Brennstoffzelle aus dem Stopp-Modus in einen abgestellten Modus verbracht, also gänzlich abgestellt. Dies hat zwar den Nachteil einer gewissen notwendigen Wiederstartzeit nach dem Verlassen der Zone erhöhter Luftverschmutzung, schont jedoch die Brennstoffzelle hinsichtlich einer Degradation durch Luftschadstoffe.According to a further very favorable embodiment of this idea, it can also be provided that, if there is a risk that unfavorable voltages occur in the fuel cell without refresh for the service life, a refresh is carried out, preferably in a region which is less heavily polluted by the air pollution the zone with increased air pollution, if it is not possible to cross the charged zone from the battery alone. However, if it is possible to cross the zone from the battery alone, then the fuel cell is moved from the stop mode to a parked mode, so turned it off completely. Although this has the disadvantage of a certain necessary restart time after leaving the zone of increased air pollution, but protects the fuel cell in terms of degradation by air pollutants.
Um die elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeicher ideal auszunutzen, ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle ab einem vorgegebenen minimalen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers gestartet wird, und zwar nur dann, falls am Ziel gemäß dem Navigationssystem keine Ladestation verfügbar ist. Bevor das Fahrzeug stehen bleibt, wird also die Brennstoffzelle gestartet und es wird in Kauf genommen, dass diese durch die Luftverschmutzung belastet wird. Der Betrieb der Brennstoffzelle in der Zone erhöhter Luftverschmutzung erfolgt dabei nur soweit notwendig, um den elektrischen Energiespeicher soweit aufzuladen, dass die Zone durchfahren werden kann. Die Brennstoffzelle wird also so gering wie möglich mit den Schadstoffen belastet. Ist hingegen bekannt, dass am Ziel gemäß dem Navigationssystem eine Ladestation verfügbar ist, und ist das Fahrzeug so ausgestaltet, dass es von extern nachgeladen werden kann, handelt es sich also um ein Plug-In-Fahrzeug, dann wird der elektrische Energiespeicher bis auf einen Ladezustand von annähernd Null leer gefahren, da ja dort eine Aufladung zu erwarten ist. Eine solche Ladestation kann beispielsweise an einem öffentlichen Parkplatz, insbesondere aber an einem Parkplatz beim Nutzer des Fahrzeugs zu Hause, oder an seinem Arbeitsplatz verfügbar sein, was in dem Navigationssystem gespeichert ist.In order to make optimum use of the electrical energy in the electrical energy store, it is provided that the fuel cell is started from a predetermined minimum state of charge of the electrical energy store, specifically only if no charging station is available at the destination according to the navigation system. Before the vehicle stops, so the fuel cell is started and it is accepted that it is polluted by the air pollution. The operation of the fuel cell in the zone of increased air pollution takes place only to the extent necessary to charge the electrical energy storage to the extent that the zone can be traversed. The fuel cell is thus charged as little as possible with the pollutants. If, on the other hand, it is known that a charging station is available at the destination in accordance with the navigation system, and if the vehicle is designed so that it can be recharged externally, ie if it is a plug-in vehicle, then the electrical energy store is limited to one Charge state of nearly zero empty driven, since there is to be expected a charge. Such a charging station, for example, at a public parking, but especially at a parking lot at the user of the vehicle at home, or at his workplace be available, which is stored in the navigation system.
Immer dann, wenn die Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher nicht zum Betreiben des Fahrzeugs ausreicht bzw. wenn der Fahrer eine höhere Leistung anfordert, beispielsweise indem er dies manuell eingibt oder durch das Betätigen eines Kickdown-Schalters am Gaspedal anzeigt, wird die Brennstoffzelle gestartet, da die gewünschte Leistungsversorgung für den Fahrer des Fahrzeugs Vorrang gegenüber einer Schonung der Brennstoffzelle hat.Whenever the power from the electrical energy store is insufficient to operate the vehicle or when the driver requests a higher power, for example by manually inputting this or by depressing a kickdown switch on the accelerator pedal, the fuel cell is started the desired power supply for the driver of the vehicle takes precedence over a protection of the fuel cell.
Dennoch ist es bei dem Verfahren möglich, die Schadstoffe weitgehend von der Brennstoffzelle fernzuhalten, sodass die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund der Luftschadstoffe hinausgezögert werden kann, sodass die Brennstoffzelle eine höhere Lebensdauer erfährt, ehe sich ihre Leistung durch die aufgenommenen Luftschadstoffe verschlechtert.However, in the method, it is possible to largely keep the pollutants away from the fuel cell, so that the deterioration of the fuel cell performance due to the air pollutants may be delayed, so that the fuel cell has a longer life before its performance deteriorates due to the absorbed air pollutants.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the method will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs in
Das Fahrzeug
In der Praxis ist es nun so, dass die Luft, welche über die Ansaugöffnung
Hierfür ist es nun vorgesehen, dass diese Bereiche mit mehr oder minder stark verschmutzter Luft, beispielsweise entsprechend einer Einteilung in mehrere Verschmutzungskategorien, in einer Datenbank für das Navigationssystem
In der Darstellung der
Um eine Belastung der Brennstoffzelle
In einem solchen Stopp-Mode, wie er beispielsweise aus dem eigenen
Ein entsprechender Ablaufplan, welcher den komplexen möglichen Ablauf zeigt, findet sich in
Das Verfahren lässt sich insbesondere in Innenstädten anwenden, da hier meist nur geringe Geschwindigkeiten notwendig sind, welche problemlos mit der Energie aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung
Muss die Brennstoffzelle dennoch eingeschaltet werden, weil der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung
Letztlich führt das Verfahren zu einer längeren Lebensdauer der Brennstoffzelle
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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