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DE102020100600A1 - Method for the optimized operation of a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

Method for the optimized operation of a fuel cell system and fuel cell system Download PDF

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DE102020100600A1
DE102020100600A1 DE102020100600.4A DE102020100600A DE102020100600A1 DE 102020100600 A1 DE102020100600 A1 DE 102020100600A1 DE 102020100600 A DE102020100600 A DE 102020100600A DE 102020100600 A1 DE102020100600 A1 DE 102020100600A1
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DE
Germany
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fuel cell
parameter set
load
cell system
voltage converter
Prior art date
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Application number
DE102020100600.4A
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German (de)
Inventor
Markus RUF
Kai Müller
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät (134) umfassenden Brennstoffzellensystems, das einen Gleichspannungswandler (100) mit einem integrierten Lastregler (130) zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler (100) elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit (102) und ein ausgangsseitig angeschlossenes oder anschließbares Traktionsnetz (106) zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor umfasst, wobei der Gleichspannungswandler (100) einen Speicher (136) aufweist, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers (130) für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit (102) zeitweise speicherbar ist, umfassend die Schritte des Auswählens, des Ermittelns oder des Zusammenstellens eines für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatzes mittels des Steuergeräts (134), des Übermittelns des Parametersatzes mittels einer Kommunikationsschnittstelle (132) zwischen dem Steuergerät (134) und dem Gleichspannungswandler (100), des Ladens des Parametersatzes in den Speicher (136) des Gleichspannungswandlers (100) und der Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (102) mit dem den Parametersatz verwendenden Lastregler (130). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device (134), which has a DC voltage converter (100) with an integrated load regulator (130) for regulating load requirements on a fuel cell unit (102) electrically connected on the input side to the DC voltage converter (100) comprises a traction network (106) connected or connectable on the output side for providing power to a traction motor, the DC / DC converter (100) having a memory (136) in which at least one parameter set of the load regulator (130) for regulating the load requirements on the fuel cell unit (102) is temporarily storable, comprising the steps of selecting, determining or compiling a parameter set required for an optimized operating mode by means of the control device (134), transmitting the parameter set by means of a communication interface (132) between Chen the control unit (134) and the DC voltage converter (100), the loading of the parameter set into the memory (136) of the DC voltage converter (100) and the regulation of the load requirement on the fuel cell unit (102) with the load regulator (130) using the parameter set. The invention also relates to a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät umfassenden Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt ist. Um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere des eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapels zu regeln, ist eine Steuer- und Regelungseinrichtung notwendig, welche insbesondere als ein Brennstoffzellensteuergerät (FCU für „Fuel Cell Control Unit“) vorliegt, das mit einem Leistungsregler ausgestattet ist. Zudem ist ein Stellglied notwendig, um die gewünschte Leistung einzuregeln, wobei als Führungsgröße typischerweise die von der Brennstoffzelleneinrichtung zur liefernde Spannung oder der zu liefernde Sollstrom gewählt ist. Als Regelgröße liegt also im Brennstoffzellensteuergerät meist der Stromfluss vor.The invention relates to a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device and to a fuel cell system which is designed to carry out the method. In order to regulate the output power of the fuel cell device, in particular of the fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells connected in series, a control and regulating device is necessary, which is present in particular as a fuel cell control unit (FCU for "Fuel Cell Control Unit") equipped with a power regulator is. In addition, an actuator is necessary in order to regulate the desired output, the voltage to be supplied by the fuel cell device or the setpoint current to be supplied typically being selected as the reference variable. The current flow is usually the control variable in the fuel cell control unit.

Zudem ist es bekannt, die Brennstoffzelleneinrichtung in einem hybriden System über einen Gleichspannungswandler in ein gemeinsames Bordnetz mit einer Batterie einzubinden, wobei das Bordnetz elektrisch mit einem Traktionsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Solche hybriden Systeme mit Batterie und Brennstoffzelle sind aus den Druckschriften US 2017/0141 419 A1 , CN 101 786 413 A und CN 105 253 139 A bekannt. Insbesondere in der CN 101 786 413 A ist ein Energiemanagementsystem dieses hybriden Aufbaus aus Brennstoffzelleneinrichtung und Batterie beschrieben, wobei Energiemodelle in einem Energiemanagement Controller hinterlegt sein können, durch welchen die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinrichtung aber auch der Ladestand der Batterie modellbasiert vorgegeben werden können.It is also known to integrate the fuel cell device in a hybrid system via a DC voltage converter into a common on-board network with a battery, the on-board network being electrically connected to a traction motor for driving a motor vehicle. Such hybrid systems with battery and fuel cell are from the publications US 2017/0141 419 A1 , CN 101 786 413 A and CN 105 253 139 A known. Especially in the CN 101 786 413 A an energy management system of this hybrid structure of fuel cell device and battery is described, with energy models being able to be stored in an energy management controller through which the output power of the fuel cell device but also the state of charge of the battery can be predefined based on models.

Bei solchen Systemen kann es im schlimmsten Falle dazu führen, dass der Leistungsregler des Steuergeräts der Brennstoffzelleneinrichtung sich intern gegen den vom Gleichspannungswandler bereitgestellten Regler aufschwingt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn versucht wird, einen für unterschiedlichste Betriebszustände allgemeingültigen Regelsatz im Gleichspannungswandler zu verwenden, um alle Betriebszustände mit diesem Regelsatz abzudecken. Ein solcher allgemein gültiger Regelparametersatz ist nicht an die gegebenen Betriebszustände (zum Beispiel normaler Start/Luft-Luft-Start/Kaltbetrieb/Heißbetrieb/Luft verarmter Betrieb / Normalbetrieb / Sportmodus etc.) angepasst, und schränkt daher die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems insgesamt in seinen Bereichen Dynamik, Verbrauch Geräuschemission und Alterung des Brennstoffzellensystems ein.In such systems, in the worst case, the power regulator of the control unit of the fuel cell device can swing up internally against the regulator provided by the DC voltage converter. This is particularly the case when an attempt is made to use a rule set that is generally valid for a wide variety of operating states in the DC / DC converter in order to cover all operating states with this rule set. Such a generally valid set of control parameters is not adapted to the given operating states (for example normal start / air-air start / cold operation / hot operation / air-depleted operation / normal operation / sport mode etc.) and therefore restricts the overall performance of the fuel cell system in its areas Dynamics, consumption, noise emissions and aging of the fuel cell system.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät umfassenden Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem selbst anzugeben, die zumindest einem der vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device and a fuel cell system itself which take into account at least one of the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a fuel cell system with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem mit einem Steuergerät versehenen Brennstoffzellensystem aus, welches einen Gleichspannungswandler mit einem integrierten Lastregler zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit umfasst. Ausgangsseitig ist ein Traktionsnetz angeschlossen oder anschließbar zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor. Der Gleichspannungswandler weist einen Speicher auf, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit zumindest zeitweise, insbesondere dauerhaft, speicherbar ist. Das Verfahren umfasst dabei insbesondere die Schritte des Auswählens, des Ermittelns oder des Zusammenstellens eines für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatzes mittels des Steuergeräts, des Übermittelns des Parametersatzes mittels einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Steuergerät und dem Gleichspannungswandler, des Ladens des Parametersatzes in den Speicher des Gleichspannungswandlers und der Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit mit dem den Parametersatz verwendenden Lastregler.The method according to the invention is based on a fuel cell system provided with a control device, which comprises a DC voltage converter with an integrated load regulator for regulating load requirements on a fuel cell unit electrically connected to the DC voltage converter on the input side. On the output side, a traction network is connected or can be connected to a traction motor to provide power. The DC / DC converter has a memory in which at least one parameter set of the load regulator for regulating the load requirements on the fuel cell unit can be stored at least temporarily, in particular permanently. The method comprises in particular the steps of selecting, determining or compiling a parameter set required for an optimized operating mode by means of the control device, transmitting the parameter set by means of a communication interface between the control device and the DC / DC converter, loading the parameter set into the memory of the DC / DC converter and the regulation of the load requirement on the fuel cell unit with the load regulator using the parameter set.

Damit ist der Vorteil verbunden, dass kein gegenseitiges Aufschwingen der Regler des Steuergeräts des Brennstoffzellensystems und des Lastreglers des Gleichspannungswandlers auftritt. Durch die optimierte Einstellung der Regelungsparameter ergibt sich eine optimale Dynamik des Brennstoffzellensystems über alle seine Betriebszustände hinweg, sodass auch optimierte Alterungs- und Verbrauchseigenschaften beim Betreiben des Brennstoffzellensystems aufgrund optimaler Strom- bzw. Spannungsgradienten erzielt werden können.
Bei Brennstoffzellensystemen kann es zudem durch sogenannte Luft-Luft-Starts zu Schäden an dem Brennstoffzellenstapel kommen, wobei ein Luft-Luft-Start dann vorliegt, wenn beim Start sowohl im Anodenbereich als auch im Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels Luft bzw. Sauerstoff vorhanden ist. Bei einer Zuführung von Wasserstoff im Zuge des Starts kommt es zu einer Wasserstoffluft-Front, welche über die elektrochemisch aktive Fläche der Anoden streicht. Somit liegen unmittelbar vor der Front und unmittelbar nach der Front unterschiedlich hohe Potenziale vor, da die Brennstoffzelle in einem Bereich bereits die Elektrolyse betreibt und in einem anderen Bereich noch nicht. Dies führt zu einer Schädigung oder Degradation der Brennstoffzelle, insbesondere zu einer Korrosion des Katalysators bzw. seines Trägermaterials. Um eine Schädigung der Brennstoffzellensysteme zu reduzieren und um eine lange Lebensdauer der Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen, ist es daher notwendig, Luft-Luft-Starts zu verhindern bzw. ihre Anzahl zu reduzieren. Auch gilt es, zu hohe Spannungsspitzen zu vermeiden, da auch diese zur Degradation beitragen. Die Zeit, in der der Wasserstoff im Anodenbereich gehalten werden kann, also die Zeit nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems, in der im Anodenbereich noch Wasserstoff vorliegt, wird im Allgemeinen auch Wasserstoffschutzzeit (Hydrogen-Protection-Time) bezeichnet. Ist diese Wasserstoffschutzzeit überschritten, also Luft in den Anodenbereich diffundiert, sind wiederum die Bedingungen für einen Luft-Luft-Start gegeben und es sind Verfahren bekannt, um die Luft möglichst schnell aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, wobei dies konstruktiv bedingt häufig ungleichmäßig geschieht.
This has the advantage that the regulators of the control device of the fuel cell system and the load regulator of the DC voltage converter do not oscillate towards one another. The optimized setting of the control parameters results in optimal dynamics of the fuel cell system across all of its operating states, so that optimized aging and consumption properties can also be achieved when operating the fuel cell system on the basis of optimal current or voltage gradients.
In fuel cell systems, so-called air-air starts can also cause damage to the fuel cell stack, with air-air starts when air or oxygen is present both in the anode area and in the cathode area of the fuel cell stack during start-up. When hydrogen is supplied during start-up, a hydrogen air front occurs, which sweeps over the electrochemically active surface of the anodes. Thus are immediately available The front and immediately after the front face different levels of potential, since the fuel cell is already operating the electrolysis in one area and not yet in another area. This leads to damage or degradation of the fuel cell, in particular to corrosion of the catalyst or its carrier material. In order to reduce damage to the fuel cell systems and to enable the fuel cell systems to have a long service life, it is therefore necessary to prevent air-air starts or to reduce their number. It is also important to avoid excessive voltage peaks, as these also contribute to degradation. The time in which the hydrogen can be kept in the anode area, i.e. the time after the fuel cell system has been switched off, in which hydrogen is still present in the anode area, is generally also referred to as hydrogen protection time. If this hydrogen protection time is exceeded, i.e. air diffuses into the anode area, the conditions for an air-air start are again given and methods are known to remove the air from the fuel cell stack as quickly as possible, which often occurs unevenly for structural reasons.

Aus diesem Grund ist die Möglichkeit eröffnet, ein Startspannungsmodell vorzusehen, welches anhand der Abstellzeit des Brennstoffzellensystems das U-I-Verhalten beeinflusst, welches der Regelstreckenfunktion beim Start des Brennstoffzellensystems entspricht. Es ist daher von Vorteil, wenn das Steuergerät die Abstelltzeit seit dem Abstellen des Systems erfasst und die erfasste Abstellzeit im Zeitpunkt des Neustarts des Brennstoffzellensystems beim Auswählen, beim Ermitteln oder beim Zusammenstellen des Parametersatzes berücksichtigt. Auf diese Weise kann ein optimierter Reglerparametersatz ermittelt werden, womit eine optimierte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems erzielbar ist.For this reason, it is possible to provide a starting voltage model which, based on the shutdown time of the fuel cell system, influences the U-I behavior, which corresponds to the controlled system function when the fuel cell system is started. It is therefore advantageous if the control device records the shutdown time since the system was shut down and takes into account the recorded shutdown time at the time of restart of the fuel cell system when selecting, determining or compiling the parameter set. In this way, an optimized set of controller parameters can be determined, with which an optimized operating mode of the fuel cell system can be achieved.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die im Steuergerät hinterlegten Parametersätze mittels eines eine Mehrzahl an U-I-Kennlinien umfassenden und von der Abstellzeit abhängigen Startspannungsmodells festgelegt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass keine Spannungsspitzen entstehen, die über die Maximalspannung des Brennstoffzellensystems hinausgehen, und dieses damit ungewollt altert.It is advantageous here if the parameter sets stored in the control device are defined by means of a starting voltage model which includes a plurality of U-I characteristics and is dependent on the shutdown time. In this way it can be achieved that there are no voltage peaks that go beyond the maximum voltage of the fuel cell system and that the fuel cell system unintentionally ages.

Es ist von Vorteil, wenn der Parametersatz außerdem in Abhängigkeit eines gewählten Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird, da auch so die unterschiedlichen Betriebsarten, wie „Kaltbetrieb“, „Heißbetrieb“, „Luft verarmter Betrieb“, „Normalbetrieb“, „Sportmodus“ etc., Berücksichtigung finden können.It is advantageous if the parameter set is also selected, determined or compiled as a function of a selected operating mode of the fuel cell system, since the different operating modes such as "cold operation", "hot operation", "air-depleted operation", "normal operation", " Sport mode ”etc., can be taken into account.

In diesem Zusammenhang ist es daher von Vorteil, wenn in dem Steuergerät der Brennstoffzelleneinrichtung eine Mehrzahl das Funktionsverhalten beeinflussende Brennstoffzellensystemmodelle hinterlegt sind, aus denen der optimierte Parametersatz ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird, bevor er dann dem Gleichspannungswandler übergeben wird. Brennstoffzellensystemmodelle können Informationen über die Dynamik, den Verbrauch oder die Geräuschemissionen des Brennstoffzellensystems betreffen. Dabei werden Parameter vorgegeben, die auch die Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems betreffen, also beispielsweise den Verdichter, die Befeuchter, die Kühlmittelpumpe eines Kühlkreislaufs, das Rezirkulationsgebläse oder dergleichen.In this context, it is therefore advantageous if a plurality of fuel cell system models influencing the functional behavior are stored in the control unit of the fuel cell device, from which the optimized parameter set is selected, determined or compiled before it is then transferred to the DC voltage converter. Fuel cell system models can relate to information about the dynamics, consumption or noise emissions of the fuel cell system. In this case, parameters are specified which also relate to the auxiliary units of the fuel cell system, for example the compressor, the humidifier, the coolant pump of a cooling circuit, the recirculation fan or the like.

Als zuverlässige Kommunikationsschnittstelle haben sich solche eines seriellen Bussystems als vorteilhaft erwiesen, wobei insbesondere der Einsatz einer CAN-Schnittstelle, oder einer LIN-Schnittstelle oder einer FlexRay-Schnittstelle sich als sinnvoll erwiesen haben.Those of a serial bus system have proven to be advantageous as reliable communication interfaces, with the use of a CAN interface, or a LIN interface or a FlexRay interface, in particular, having proven to be useful.

Die das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem betreffenden Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen sind dabei dieselben wie diejenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Brennstoffzellensystem mit seinem Steuergerät ist dabei also zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Steuergerät und einen Gleichspannungswandler mit einem integrierten Lastregler zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels. Außerdem ist ausgangsseitig an den Gleichspannungswandler ein Traktionsnetz angeschlossen zur Leistungsbereitstellung der elektrischen Leistung an einen Traktionsmotor, wobei der Gleichspannungswandler einen Speicher aufweist, in den mindestens ein Parametersatz für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit zeitweise, vorzugsweise dauerhaft, speicherbar ist. Das Steuergerät der Brennstoffzelleneinrichtung ist ausgebildet, einen für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatz auszuwählen, zu ermitteln oder zusammenzustellen, den Parametersatz mittels einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Steuergerät und dem Gleichspannungswandler zu übermitteln, und den Parametersatz in den Speicher des Gleichspannungswandlers zu laden und somit den Lastregler dazu zu veranlassen, den Parametersatz zur Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit zu verwenden.The advantages and advantageous configurations relating to the fuel cell system according to the invention are the same as those of the method according to the invention. The fuel cell system with its control device is thus designed to carry out the method explained above. The fuel cell system comprises a control device and a DC voltage converter with an integrated load regulator for regulating load requirements for a fuel cell unit, in particular a fuel cell stack, which is electrically connected to the DC voltage converter on the input side. In addition, a traction network is connected on the output side of the DC voltage converter to provide the electrical power to a traction motor, the DC voltage converter having a memory in which at least one parameter set for regulating the load requirements on the fuel cell unit can be temporarily, preferably permanently, stored. The control unit of the fuel cell device is designed to select, determine or compile a parameter set required for an optimized operating mode, to transmit the parameter set by means of a communication interface between the control unit and the DC voltage converter, and to load the parameter set into the memory of the DC voltage converter and thus the load regulator to cause the parameter set to be used to regulate the load requirement on the fuel cell unit.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as those mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures Features and combinations of features can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Spannungswandleranordnung, die die Brennstoffzelleneinheit mit einem eine Batterie umfassenden Traktionsnetz elektrisch verbindet, an welches zwei Verbraucher angeschlossen sind, und
  • 2 eine zeitabhängige Darstellung der von der Brennstoffzelleneinheit generierten Spannung (U) für vier unterschiedliche lange Abstellzeiten, wobei A den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von weniger als 5 Minuten, B den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von ca. 10 Stunden, C den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von ca. 20 Stunden und D den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von deutlich mehr als 20 Stunden beschreibt.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with a voltage converter arrangement, which electrically connects the fuel cell unit with a traction network comprising a battery, to which two consumers are connected, and
  • 2 a time-dependent representation of the voltage (U) generated by the fuel cell unit for four different long shutdown times, where A is the voltage curve for a shutdown time of less than 5 minutes, B the voltage curve for a shutdown time of approx. 10 hours, C the voltage curve for a shutdown time of approx. 20 hours and D describes the voltage curve for a shutdown time of significantly more than 20 hours.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gezeigt, welches eine Brennstoffzelleneinheit 102 umfasst. Diese Brennstoffzelleneinheit 102 ist an Anschlüsse 114, 116 eines eingangsseitigen Anschlusspaares eines Gleichspannungswandlers 100 angeschlossen, der bspw. als ein (modifizierter) DC/DC-Wandler ausgestaltet ist. Der Gleichspannungswandler 100 ist mit seinen beiden Anschlüssen 118, 120, mithin mit seinem ausgangsseitiges Anschlusspaar, mit einem Traktionsnetz 106 (Bordnetz) elektrisch verbunden, in welchem eine Hochvoltbatterie 104 vorliegt. Dieses Bordnetz dient der elektrischen Versorgung eines ersten Verbrauchers 122 und eines zweiten Verbrauchers 124. Das Traktionsnetz 106 kann vorzugsweise aber auch weitere nicht näher dargestellte Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen.In 1 is a schematic representation of a fuel cell system is shown, which is a fuel cell unit 102 includes. This fuel cell unit 102 is on connections 114 , 116 a pair of connections on the input side of a DC / DC converter 100 connected, which is designed, for example, as a (modified) DC / DC converter. The DC / DC converter 100 is with its two connections 118 , 120 , therefore with its output-side connection pair, with a traction network 106 (On-board network) electrically connected, in which a high-voltage battery 104 is present. This on-board network is used for the electrical supply of a first consumer 122 and a second consumer 124 . The traction network 106 but can preferably also supply other consumers not shown in detail with electrical energy.

Der Verbraucher 122 umfasst ein Antriebsaggregat 128, welches in Form einer elektrischen Maschine vorliegt. Diese elektrische Maschine ist typischerweise mittels eines Drei-Phasen-Wechselstroms betreibbar und ist vorzugsweise als Fahrmotor für ein Kraftfahrzeug gebildet. Da in dem Traktionsnetz 106 eine Hoch-Gleichspannung und ein Gleichstrom vorliegt, ist dem Verbraucher 122 zusätzlich ein Wechselrichter 126 zugeordnet, der den Gleichstrom in einen Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 122 kann das Antriebsaggregat 128 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Bremsvorgang durch das Antriebsaggregat 128 erzeugte Energie der Hochvoltbatterie 104 über den Wechselrichter 126 wieder zugeführt werden kann.The consumer 122 includes a drive unit 128 , which is in the form of an electrical machine. This electrical machine can typically be operated by means of a three-phase alternating current and is preferably designed as a traction motor for a motor vehicle. Because in the traction network 106 a high DC voltage and a DC current is present to the consumer 122 an additional inverter 126 assigned, which converts the direct current into a three-phase alternating current. In a further training of the consumer 122 can the drive unit 128 can also be used as a generator, so that, for example, during braking by the drive unit 128 generated energy of the high-voltage battery 104 via the inverter 126 can be fed back.

Der zweite Verbraucher 124 kann ebenfalls an das Traktionsnetz angeschlossen sein, wobei dieser beispielsweise als eines der Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems wie ein Verdichter, ein Rezirkulationsgebläse, eine Strahlpumpe oder dergleichen, gebildet sein kann. Es kommt auch in Betracht, dass der Verbraucher 124 als ein Ladegerät, als ein Zwölf-Volt-Gleichstrom-Gleichstromwandler, als ein Hochspannungs-Heizer, als ein elektrischer Klimakompressor oder dergleichen gebildet ist.The second consumer 124 can also be connected to the traction network, which can be formed, for example, as one of the auxiliary units of the fuel cell system such as a compressor, a recirculation fan, a jet pump or the like. It is also possible that the consumer 124 as a charger, a twelve-volt DC-DC converter, a high-voltage heater, an electric air conditioning compressor, or the like.

Nachstehend wird näher auf den Aufbau des Gleichspannungswandlers 100 eingegangen.The structure of the DC-DC converter is explained below 100 received.

Der Gleichspannungswandler 100 ist mit einem integrierten Lastregler 130 ausgestattet zur Regelung von Lastanforderungen an die eingangsseitig an den Gleichspannungswandler 100 elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit 102. Außerdem umfasst der Gleichspannungswandler 100 einen Speicher 136, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers 130 für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit 102 zeitweise, vorzugsweise dauerhaft, speicherbar ist.The DC / DC converter 100 is with an integrated load regulator 130 equipped to regulate load requirements on the input side of the DC / DC converter 100 electrically connected fuel cell unit 102 . Also includes the DC-DC converter 100 a memory 136 , in which at least one parameter set of the load regulator 130 for regulating the load requirements on the fuel cell unit 102 is temporarily, preferably permanently, storable.

Der Gleichspannungswandler 100 ist mittels einer Kommunikationsschnittstelle 132 mit dem Steuergerät 134 des Brennstoffzellensystems verbunden, welches ebenfalls einen Leistungsregler enthält, sodass dieser Leistungsregler ebenfalls mit der Brennstoffzelleneinrichtung 102 interagieren kann.The DC / DC converter 100 is by means of a communication interface 132 with the control unit 134 of the fuel cell system, which also contains a power regulator, so that this power regulator is also connected to the fuel cell device 102 can interact.

Das Steuergerät 134 ist ausgebildet, einen für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatz auszuwählen, zu ermitteln oder zusammenzustellen, den Parametersatz mittels der beispielhaft als CAN-Schnittstelle, als LIN-Schnittstelle oder als FlexRay-Schnittstelle gebildeten Kommunikationsschnittstelle an den Speicher 136 des Gleichspannungswandlers 100 zu übermitteln, und den Lastregler 130 des Gleichspannungswandlers 100 zu veranlassen, den für die optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatz zur Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit 102 zu verwenden.The control unit 134 is designed to select, determine or compile a parameter set required for an optimized mode of operation, and to transfer the parameter set to the memory by means of the communication interface formed, for example, as a CAN interface, as a LIN interface or as a FlexRay interface 136 of the DC / DC converter 100 to transmit, and the load regulator 130 of the DC / DC converter 100 to cause the parameter set required for the optimized mode of operation to regulate the load requirements on the fuel cell unit 102 to use.

In 2 sind vier unterschiedliche Spannungsverläufe gezeigt, die sich beim Starten des Brennstoffzellensystems nach unterschiedlich langen Abstellzeiten ergeben können. Der Startzeitpunkt ist durch eine vertikale gepunktete Linie gekennzeichnet. Es ist zu erkennen, dass bei einer Abstellzeit von weniger als 5 Minuten (Kurve A) sich keine deutlichen Spannungsspitzen bilden, die zu einer Schädigung der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 102 führen können, da diese deutlich hinter der Maximalspannung (U max) zurückbleibt. Erst bei längeren Abstellzeiten von beispielsweise 10 Stunden (Kurve B) ergibt sich ein deutlicher Anstieg des Spannungsverlaufs, wobei insbesondere bei Abstellzeiten von 20 Stunden (Kurve C) bereits die Maximalspannung (U max) überschritten wird und gerade bei deutlich mehr als 20 Stunden für die Abstellzeit Spannungsspitzen entstehen, die zu unerwünschter stärkerer Degradation führen.In 2 four different voltage curves are shown that can result when starting the fuel cell system after shutdown times of different lengths. The start time is indicated by a vertical dotted line marked. It can be seen that with a shutdown time of less than 5 minutes (curve A), there are no significant voltage peaks that could damage the fuel cells of the fuel cell device 102 can lead, as this remains well below the maximum voltage (U max). Only with longer shutdown times of, for example, 10 hours (curve B) does a significant increase in the voltage curve occur, with the maximum voltage (U max) being exceeded, especially at shutdown times of 20 hours (curve C), and especially at significantly more than 20 hours for the Shutdown time Voltage peaks occur that lead to undesirable greater degradation.

Aus diesem Grund ist das Steuergerät 134 ausgebildet, die Abstellzeit seit dem Abstellen des Brennstoffzellensystems zu erfassen und die erfasste Abstellzeit im Zeitpunkt des Neustarts des Brennstoffzellensystems beim Auswählen, beim Ermitteln oder beim Zusammenstellen des Parametersatzes zu berücksichtigen. Dabei ist im Steuergerät 134 eine Mehrzahl an U-I-Kennlinien umfassenden und von der Abstellzeit abhängigen Parametersätzen in Form eines Startspannungsmodells vorhanden. Der Parametersatz kann dabei in Abhängigkeit eines gewählten Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems oder des das Brennstoffzellensystem verwendenden Kraftfahrzeugs festgelegt werden. Zugleich kann auch im Steuergerät 134 eine Mehrzahl an das Funktionsverhalten beeinflussenden Brennstoffzellensystemsmodellen, beispielsweise hinsichtlich Dynamik, hinsichtlich Verbrauch oder hinsichtlich Geräuschemission, hinterlegt sein, aus denen der optimierte Parametersatz für den Gleichspannungswandler 100 ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird.Because of this, the control unit is 134 designed to detect the shutdown time since the shutdown of the fuel cell system and to take into account the acquired shutdown time at the time of restarting the fuel cell system when selecting, determining or compiling the parameter set. It is in the control unit 134 a plurality of UI characteristics comprising parameter sets that are dependent on the shutdown time are available in the form of a starting voltage model. The parameter set can be established as a function of a selected operating mode of the fuel cell system or of the motor vehicle using the fuel cell system. At the same time, in the control unit 134 a plurality of fuel cell system models influencing the functional behavior, for example with regard to dynamics, with regard to consumption or with regard to noise emissions, can be stored, from which the optimized parameter set for the DC voltage converter 100 selected, determined or compiled.

Im Ergebnis zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem durch eine verbesserte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems aus, das einer geringeren Alterung, einem geringeren Verbrauch während des Betriebs sowie einer verminderten Geräuschemission unterliegt.As a result, the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention are distinguished by an improved mode of operation of the fuel cell system, which is subject to less aging, less consumption during operation and less noise.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
GleichspannungswandlerDC voltage converter
102102
BrennstoffzelleneinheitFuel cell unit
104104
HochvoltbatterieHigh voltage battery
106106
TransaktionsnetzTransaction network
108108
MesseinheitMeasuring unit
110110
VergleichseinheitComparison unit
112112
ReglereinheitControl unit
114114
Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
116116
Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
118118
Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (pair of connections on the output side)
120120
Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (pair of connections on the output side)
122122
Verbraucherconsumer
124124
(zweiter) Verbraucher(second) consumer
126126
WechselrichterInverter
128128
AntriebsaggregatDrive unit
130130
LastreglerLoad regulator
132132
KommunikationsschnittstelleCommunication interface
134134
SteuergerätControl unit
136136
SpeicherStorage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät (134) umfassenden Brennstoffzellensystems, das einen Gleichspannungswandler (100) mit einem integrierten Lastregler (130) zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler (100) elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit (102) und ein ausgangsseitig angeschlossenes oder anschließbares Traktionsnetz (106) zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor umfasst, wobei der Gleichspannungswandler (100) einen Speicher (136) aufweist, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers (130) für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit (102) zeitweise speicherbar ist, umfassend die Schritte des Auswählens, des Ermittelns oder des Zusammenstellens eines für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatzes mittels des Steuergeräts (134), des Übermittelns des Parametersatzes mittels einer Kommunikationsschnittstelle (132) zwischen dem Steuergerät (134) und dem Gleichspannungswandler (100), des Ladens des Parametersatzes in den Speicher (136) des Gleichspannungswandlers (100) und der Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (102) mit dem den Parametersatz verwendenden Lastregler (130).Method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device (134), which has a DC voltage converter (100) with an integrated load regulator (130) for regulating load requirements on a fuel cell unit (102) electrically connected on the input side to the DC voltage converter (100) and an output side connected or comprises connectable traction network (106) for providing power to a traction motor, the DC / DC converter (100) having a memory (136) in which at least one parameter set of the load regulator (130) for regulating the load requirements on the fuel cell unit (102) can be temporarily stored, comprising the steps of selecting, determining or compiling a parameter set required for an optimized operating mode by means of the control device (134), transmitting the parameter set by means of a communication interface (132) between the control device (134) and the DC voltage converter (100), loading the parameter set into the memory (136) of the DC voltage converter (100) and regulating the load requirement on the fuel cell unit (102) with the load regulator (130) using the parameter set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (134) die Abstellzeit seit dem Abstellen des Brennstoffzellensystems erfasst und die erfasste Abstellzeit im Zeitpunkt des Neustarts des Brennstoffzellensystems beim Auswählen, beim Ermitteln oder beim Zusammenstellen des Parametersatzes berücksichtigt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the control device (134) detects the shutdown time since the shutdown of the fuel cell system and takes into account the recorded shutdown time at the time of restart of the fuel cell system when selecting, determining or compiling the parameter set. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Steuergerät (134) hinterlegten Parametersätze mittels eines eine Mehrzahl an U-I-Kennlinien umfassenden und von der Abstellzeit abhängigen Startspannungsmodells festgelegt werden.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the parameter sets stored in the control device (134) are determined by means of a starting voltage model which includes a plurality of UI characteristics and is dependent on the shutdown time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parametersatz außerdem in Abhängigkeit eines gewählten Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the parameter set is also selected, determined or compiled as a function of a selected operating mode of the fuel cell system. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät (134) eine Mehrzahl an das Funktionsverhalten beeinflussenden Brennstoffzellensystemmodelle hinterlegt sind, aus denen der optimierte Parametersatz ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a plurality of fuel cell system models influencing the functional behavior are stored in the control device (134), from which the optimized parameter set is selected, determined or compiled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (132) Bestandteil eines seriellen Bussystems ist.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the communication interface (132) is part of a serial bus system. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (132) als eine CAN-Schnittstelle gebildet ist.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the communication interface (132) is formed as a CAN interface. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (132) als eine LIN-Schnittstelle gebildet ist.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the communication interface (132) is formed as a LIN interface. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (132) als eine FlexRay-Schnittstelle gebildet ist.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the communication interface (132) is formed as a FlexRay interface. Brennstoffzellensystem mit einem Steuergerät (134) und einem Gleichspannungswandler (100) mit einem integrierten Lastregler (130) zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler (100) elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit (102) sowie mit einem ausgangsseitig an den Gleichspannungswandler (100) angeschlossenes Traktionsnetz (106) zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor, wobei der Gleichspannungswandler (100) einen Speicher (136) aufweist, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers (130) für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit (102) zeitweise speicherbar ist, und wobei das Steuergerät (134) ausgebildet ist: - einen für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatz auszuwählen, zu ermitteln oder zusammenzustellen; - den Parametersatz mittels einer Kommunikationsschnittstelle (132) zwischen dem Steuergerät (134) und dem Gleichspannungswandler (100) zu übermitteln, und - den Parametersatz in den Speicher (136) des Gleichspannungswandlers (100) zu laden und damit den Lastregler (130) dazu veranlassen, den Parametersatz zur Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (102) zu verwenden.Fuel cell system with a control unit (134) and a DC voltage converter (100) with an integrated load regulator (130) for regulating load requirements on a fuel cell unit (102) electrically connected on the input side to the DC voltage converter (100) and with a fuel cell unit (102) connected on the output side to the DC voltage converter (100) Traction network (106) for providing power to a traction motor, the DC / DC converter (100) having a memory (136) in which at least one parameter set of the load controller (130) for regulating the load requirements on the fuel cell unit (102) can be temporarily stored, and wherein the control unit (134) is designed: - select, determine or compile a parameter set required for an optimized operating mode; - to transmit the parameter set by means of a communication interface (132) between the control device (134) and the DC voltage converter (100), and - Load the parameter set into the memory (136) of the DC / DC converter (100) and thus cause the load regulator (130) to use the parameter set to regulate the load requirement on the fuel cell unit (102).
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