DE10223117B4

DE10223117B4 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einem hybriden Energieversorgungssystem in einem Fahrzeug

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Publication number: DE10223117B4
Application number: DE10223117.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Aberle Markus; Dr. Blum Joachim; Dr. Böhmisch Mathias; Dipl.-Ing. Schetter Thomas
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: US20040065489A1; US6953100B2; DE10223117A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs und weiterer Verbraucher mit einem hybriden Energieversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle (2) und einen Energiezwischenspeicher enthält, wobei eine Fahrzeug steuereinheit (12), die in Abhängigkeit von der Stellung eines Gebers (13), dessen Stellung für den Energiebedarf des Antriebs maßgebend ist, den Strom- oder Leistungsbedarf des von einem Stromrichter (5) gespeisten Antriebs steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugsteuereinheit (12) eine der jeweiligen Stellung des Gebers (13) zugeordnete Stromanforderung dem Energieversorgungssystem zuführt, daß die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (2) gemessen und auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts oder Erreichen oder Unterschreiten eines unteren, für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht wird, daß in einer ersten Betriebsart, die sich auf die Beschleunigung oder gleichbleibenden Leistungsbedarf des motorischen Antriebs bezieht, dieser entsprechend der Stellung des Gebers (13) drehmoment- oder stromgeregelt über den Stromrichter (5) betrieben wird, der Strom von der Brennstoffzelle (2) und einem zwischen den Ausgängen der Brennstoffzelle (2) und der Speicherbatterie (3) angeordneten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs und weiterer Verbraucher mit einem hybriden Energieversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle und einen Energiezwischenspeicher enthält, wobei eine Fahrzeugsteuereinheit, die in Abhängigkeit von der Stellung eines Gebers, dessen Stellung für den Energiebedarf des Antriebs maßgebend ist, den Strom- bzw. Leistungsbedarf des von einem Stromrichter gespeisten Antriebs steuert. Einem Fahrzeug im Sinne der Erfindung sind auch andere mobile Vorrichtungen, z. B. Boote oder Flugzeuge gleichwertig.
Es ist ein Energieversorgungssystem in einem Fahrzeug bekannt, das eine aus- einzelnen Brennstoffzellen-Modulen bestehende Brennstoffzelle und eine parallel zum Ausgang der Brennstoffzelle schaltbare elektrische Speicherbatterie aufweist. Der Brennstoffzelle wird wasserstoffhaltiges Brenngas aus einem Reformer und Luft von einem Kompressor zugeführt. Der Reformer wird aus einem Tank mit Methanol und aus einem weiteren Tank mit Wasser versorgt und erzeugt durch Dampfreformierung das wasserstoffreiche Brenngas. An die Ausgänge der Brennstoffzelle ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler angeschlossen, der einen Antriebsmotor speist. Der Antriebsmotor ist mit einer Steuereinrichtung verbunden, an die ein Pedalpositionssensor angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung ist weiterhin mit einer Steuereinheit für das aus der Brennstoffzelle, aus dem Reformer, aus Hilfsaggregaten für den Betrieb der Brennstoffzelle und aus der Speicherbatterie bestehende hybride Energieversorgungsystem verbunden ( DE 197 31 250 A1 ).
Bekannt ist weiterhin ein hybrides Energieversorgungssystem für die Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit einer Brennstoffzelle und einer an deren elektrische Ausgänge angeschlossenen Speicherbatterie, deren Ladezustand überwacht wird. Eine Steuereinrichtung sorgt dafür, daß die Speicherbatterie nach einem Entladevorgang in möglichst kurzer Zeit wieder aufgeladen wird und für den Betrieb des Verbrauchers zur Unterstützung der Brennstoffzelle verfügbar ist ( EP 33 44 74 B1 ).
Es ist auch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer vom einem Methanol-Reformer gespeisten Brennstoffzelle und einer zu dieser parallel geschalteten Speicherbatterie bekannt, wobei zwischen den Ausgängen der Brennstoffzelle und der Speicherbatterie ein Spannungserhöhungs-Adapter angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem speist eine Drehzahlsteuereinheit mit angeschlossenem Motor. Der Ladezustand der Speicherbatterie wird überwacht. Dynamische Änderungen der Ausgangsleistung werden von der Batterie aufgebraucht. Die Brennstoffzelle arbeitet in einem Bereich mit günstigem Wirkungsgrad und lädt bedarfsweise die Speicherbatterie über den entsprechend eingestellten Spannungserhöhungs-Adapter auf ( US 6 214 484 B1 ).
Bei einem bekannten Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem mit einer Speicherbatterie und einer stark veränderlichen elektrischen Last wird der Ladezustand der parallel zur Last geschalteten Speicherbatterie überwacht und mit einem Soll-Ladezustand verglichen. Um den Ladezustand auf einer vorgegebenen Mindesthöhe zu halten, wird bedarfsweise die Zufuhr der Reaktionsgase zur Brennstoffzelle erhöht und ein den Ausgängen der Brennstoffzelle nachgeschalteter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler entsprechend gesteuert ( JP 000H01211860 A ).
Bei einem anderen bekannten Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem mit einer Brennstoffzelle und einer zu dieser parallel geschalteten Speicherbatterie wird der Ladezustand der Speicherbatterie überwacht. Beim Starten des Energieerzeugungssystems wird von einer Steuerung an Hand des Ladezustands der elektrische Leistungsbedarf der Hilfsaggregate geschätzt und die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle entsprechend dem Schätzwert eingestellt ( US 5 964 309 A ).
Bekannt ist auch noch ein Brennstoffzellensystem, bei dem an die elektrischen Ausgänge einer Brennstoffzelle ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler angeschlossen ist, mit dessen Ausgängen eine Batterie und ein Wechselrichter verbunden sind, der einen Motor speist. Eine Steuereinheit berechnet auf eine Anforderung eines Beschleunigungs-Sollwertgebers hin die benötigte Ausgangsleistung des Wechselrichters und bestimmt aus der Kennlinie der Ausgangsspannung als Funktion des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle einen Punkt mit hohem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und stellt die Leistung der Brennstoffzelle und die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers so ein, daß die vom Wechselrichter benötigte Leistung von der Brennstoffzelle und der Batterie aufgebracht wird ( WO 99/67 846 A1 ).
Bei einem bekannten, elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeug sind ein Energiespeicher zur Versorgung elektrischer Verbraucher und weitere Energiequellen wie eine Verbrennungskraftmaschine, Generatoren oder Photoelemente und ein als Energiemanager arbeitendes Steuergerät vorgesehen. Das Steuergerät verteilt die Energie der Energiequellen dosiert an die elektrischen Verbraucher, wenn von diesen Energieanforderungen ausgehen ( DE 196 17 548 A1 ).
Es ist ferner eine Energieerzeugungs-Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bekannt, das einen Fahrmotor enthält, der über einen Umrichter mit einem Hochvoltnetz verbunden ist, das von der Brennstoffzelle gespeist wird. Ein Niedervolt-Bordnetz enthält Verbraucher wie Lampen, Scheibenwischermotore usw. und einen Akkumulator und ist mittels eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers an das Hochvoltnetz angeschlossen. Zusätzlich ist ein Energiezwischenspeicher vorhanden, der die Energie für den Start der Brennstoffzelle liefert und während des Betriebs der Brennstoffzelle geladen wird. Bei erhöhtem Leistungsbedarf gibt der Energiezwischenspeicher Leistung an die Verbraucher ab und wird im Bremsbetrieb aufgeladen ( WO 01/34424 A1 ).
Schließlich ist ein Leistungssteuersystem für Kraftfahrzeuge bekannt, die einen Verbrennungsmotor und eine Mehrzahl von leistungsumsetzenden Komponenten aufweisen, deren Wirkungsgrade einzeln bestimmt werden können. Aus diesen wird ein Gesamtwirkungsgrad berechnet. Die Komponenten werden jeweils durch einen Parameter so eingestellt, daß sich ein optimaler Gesamtwirkungsgrad ergibt. Parameter sind insbesondere die Leistung oder eine dieser proportionale Größe und/oder die Drehzahl ( DE 195 05 431 A1 ).
Die DE 198 10 467 C1 betrifft eine Energieerzeugungsvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher, einem Elektro-Fahrmotor und elektrischen Nebenverbrauchern. Zwischen Brennstoffzelle und Energiespeicher ist ein DC/DC-Wandler angeordnet. Bei jedem Lastzustand lässt sich die Einzellast von Brennstoffzelle und vom Energiespeicher unabhängig voneinander innerhalb deren physikalischen Grenzen regeln.
Die DE 100 24 259 C1 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Korrektur von Fahrzeug-Stromsollwerten, die in Abhängigkeit von den Fahrpedalstellungen, den im Betrieb des Fahrzeugs vorgesehen Drehzahlen der Antriebseinheit und den im Betrieb des Fahrzeugs vorgesehenen Spannungswerten des Stromversorgungssystems in Kennfeldern auslesbar gespeichert und/oder durch Formeln berechenbar sind. Es wird eine Summe aus Fahrzeug-Stromsollwert und dem, dem jeweiligen Betriebszustand entsprechenden, aus Kennfeldern ausgelesenen Wert des Eigenverbrauchs des Stromversorgungssystems gebildet. Weiterhin wird die Differenz zwischen dem, zum Zeitpunkt der jeweiligen Vorgabe des Fahrzeug-Stromsollwerts im Fahrzeug, verbrauchten Strom und der Summe gebildet und bei einer vorhandenen Differenz ein dynamisch korrigierter Differenzstromsollwert vorzeichenrichtig der Summe aus Fahrzeug-Stromsollwert und Eigenverbrauchs-Stromsollwert zur Bildung des korrigierten Stromsollwerts hinzugefügt, von dem die Stromabgabe des Stromversorgungssystems bestimmt wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieverhältnisse eines hybriden Energieversorgungssystems mit einer Brennstoffzelle und einem Energiespeicher und wenigsten einem motorischen Antrieb in einem Fahrzeug anzugeben, wobei auch bei raschen und großen Änderungen der vom motorischen Antrieb benötigten Leistung eine gute Dynamik ohne eine Beeinträchtigung der Arbeitsweise der Brennstoffzelle durch unzureichende Brenngasversorgung oder Umkehr der Richtung des Stromflusses erreicht werden kann.
Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fahrzeugsteuereinheit eine der jeweiligen Stellung des Gebers zugeordnete Stromanforderung dem Energieversorgungssystem zuführt, daß die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gemessen und auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts oder Erreichen oder Unterschreiten eines unteren, für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht wird, daß in einer ersten Betriebsart, die sich auf die Beschleunigung oder gleichbleibenden Leistungsbedarf des motorischen Antriebs bezieht, dieser entsprechend der Stellung des Gebers drehmoment- oder stromgeregelt über den Stromrichter betrieben wird, der Strom von der Brennstoffzelle und einem zwischen den Ausgängen der Brennstoffzelle und der Speicherbatterie angeordneten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler erhält, der bei einer zwischen den Grenzwerten liegenden Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zur Aufstockung des von der Brennstoffzelle gelieferten Stroms auf den angeforderten Strom stromgeregelt, bei einer dem unteren Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangspannung zur Einstellung einer mindestens dem unteren Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung spannungsgeregelt und bei Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts zur Einstellung einer dem oberen Grenzwert oder einer kleineren Spannung entsprechenden Ausgangspannung spannungsgeregelt betrieben wird, und daß in einer zweiten Betriebsart, die sich auf die Verminderung des Leistungsbedarfs des motorischen Antriebs und Umkehrbetrieb des Stromrichters bezieht, der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler im Umkehrbetrieb zur Ladung der Speicherbatterie stromgeregelt und der motorische Antrieb bei einer dem oberen Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangsspannung drehmoment- oder stromgeregelt betrieben und bei einer den oberen Grenzwert überschreitenden Ausgangsspannung auf Spannungsregelung zur Begrenzung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf den oberen Grenzwert eingestellt wird. Bei Verwendung eines entsprechenden Motors bewirkt die Stromregelung eine entsprechende Drehmomentregelung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, in der zweiten Betriebsart, die dem Generatorbetrieb entspricht, die Energie in den Energiespeicher zurückzuspeisen, ohne daß die Brennstoffzelle durch negative Ströme gefährdet wird. Damit wir eine Einsparung an Kraftstoff erreicht, so daß sich der Wirkungsgrad des Energieversorgungssystems erhöht. In der ersten Betriebsart wird durch den Antriebstrom die Beschleunigungsleistung verbessert. Damit wird eine günstigere Fahrzeugdynamik erreicht. Eine Gefährdung der Brennstoffzellenfunktion durch eine zu hohe Stromentnahme aufgrund kurzzeitiger Erhöhung des Motordrehmoments wird vermieden. Zugleich wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Beschleunigungen eine Gefährdung der Brennstoffzellenfunktion durch eine Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit negativen Strömen, d. h. Strömen aus der Speicherbatterie, vermieden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine der Gebereinstellung entsprechende Führungsgröße von der Fahrzeugsteuereinheit in Abhängigkeit von der Betriebsart als Drehmoment- oder Stromsollwert einer über den Stromrichter den motorischen Antrieb steuernden Motorsteuereinheit zugeführt, wobei die Fahrzeugsteuereinheit unter Berücksichtigung der Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle für das in der jeweiligen Betriebsart beanspruchte Drehmoment eine Stromanforderung einer Brennstoffzellensteuereinheit zuführt, die aus dem von der Brennstoffzelle ausgegebenen aktuellen Strom und dem für den motorischen Antrieb verfügbaren Strom der Brennstoffzelle sowie dem Ladezustand der Speicherbatterie eine Stromanforderung an die Stellglieder für die Luft- und Brenngasdosierung zur Abgabe eines entsprechenden Stroms unter Berücksichtigung der Betriebsart ausgibt sowie dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler in Abhängigkeit von der Betriebsart auf Strom- oder Spannungsregelung einstellt und der Fahrzeugsteuereinheit die Höhe des verfügbaren Strom zurückmeldet. Die Fahrzeugsteuereinheit kann bei dieser Ausführungsform die Stromanforderung und damit die vom Motor abzugebende Leistung an die jeweiligen Betriebsgegebenheiten des Energieversorgungssystems so anpassen, daß eine möglichst der Gebereinstellung entsprechende Motorleistung in der von der Änderung der Einstellung des Gebers vorgegebenen Zeit in Abstimmung auf den Strombeitrag der Brennstoffzelle und der Speicherbatterie erfolgt.
Der aktuelle Strom der Brennstoffzelle wird zweckmäßigerweise durch Messung des dem Stromrichter zugeführten Stroms und vorzeichenrichtige Verrechnung mit dem von der Speicherbatterie beigetragenen Strom bestimmt. Die von den weiteren Verbrauchern im Fahrzug von der Brennstoffzelle bezogenen Ströme werden bei dieser Methode nicht erfaßt, so daß die Steuerung des motorischen Antriebs davon nicht beeinträchtig wird.
Bei einer anderen günstigen Ausführungsform wird der aktuelle Strom derart geschätzt, daß vom gemessenen Gesamtstrom am Ausgang der Brennstoffzelle die von den neben dem Antrieb im Fahrzeug angeordneten Verbrauchern benötigten Ströme subtrahiert werden. Die zusätzlichen Ströme können z. B. an Hand der Anzahl der eingeschalteten Verbraucher und ihrer im Speichern abgelegten Stromverbrauchsdaten bestimmt werden.
Insbesondere wird von einer Speicherbatteriesteuerung die Speicherbatterietemperatur und der Speicherbatterieladezustand erfaßt und der Brennstoffzellensteuereinheit eine Lade- oder Entladeanforderung für die Speicherbatterie gemeldet, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit ein Einstellungssignal für die Betriebsart des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers ausgibt, das in Abhängigkeit von der Lade- oder Entladebetriebsart auf voreingestellte Maximalwerte für den Lade- bzw. Entladestrom und die Spannung geprüft und gegebenenfalls begrenzt wird, und wobei einerseits von dem von der Brennstoffzellensteuereinheit ausgegebenen Wert des verfügbaren Stroms der Wert des maximalen Ladestroms subtrahiert und als minimal verfügbarer Stromwert der Fahrzeugsteuereinheit zugeführt und andererseits der Wert des maximalen Entladestroms zum Wert des verfügbaren Stroms addiert und als maximal verfügbarer Strom der Fahrzeugsteuereinheit in der ersten Betriebsart zugeführt wird. In der Fahrzeugsteuereinheit können daher die in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie ausgegebenen maximal verfügbaren Ströme für den Fahrzeugantrieb bei der Vorgabe des Drehmomentsollwerts berücksichtigt werden, so daß einer zu hohen Beanspruchung der Brennstoffzelle und der Speicherbatterie vorgebeugt werden kann.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird jeweils mit dem von der Fahrzeugsteuereinheit ausgegebenen Wert des angeforderten Stroms ein von der Batteriesteuereinheit ausgegebener Wert eines Entlade- oder Ladestroms vorzeichenrichtig vereinigt, wobei die Differenz zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrads des Energieversorgungssystems moduliert und anschließend mit einem Brennstoffzellenkorrekturstromwert vorzeichenrichtig vereinigt wird, wodurch die Stromanforderungswerte für die Einstellung der Stellglieder für die Luft- und Brenngasdosierung der Brennstoffzelle erzeugt werden. Mit dieser Ausführungsform kann die Brennstoffzelle mit einem günstigen Wirkungsgrad arbeiten, so daß Kraftstoff eingespart wird.
Der Brennstoffzellenkorrektur-Stromwert wird zweckmäßigerweise bestimmt, indem die Differenz zwischen dem Wert des aktuellen Stroms und dem geschätzten verfügbaren Wert des Stroms der Brennstoffzelle gebildet, einer PID-Aufschaltung unterworfen und anschließend mit einer Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzung zeitverzögert weitergeleitet wird.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn von der einer PID-Aufschaltung unterworfenen Differenz zwischen dem aktuellen Strom der Brennstoffzelle und dem geschätzten, verfügbaren Strom der Brennstoffzellenkorrekturstromwert subtrahiert und die so gebildete Differenz zeitverzögert vom Wert des angeforderten Fahrzeugstroms subtrahiert und den Werten der Lade-, Entladestromanforderungen der Batteriesteuereinheit und den Speicherbatteriekorrekturstromwerten zur Bildung der Einstellwerte der Ströme für den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler aufgeschaltet wird.
Dem Wert des durch die Fahrzeugsteuereinheit angeforderten Stroms wird vorzugsweise die Differenz zwischen dem Einstell wert des Stroms für den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und einem Grenzeinstellwert aufgeschaltet.
Mit den vorstehend beschriebenen Verfahrenschritten ist eine sehr gute Dynamik sowohl beim Beschleunigen als auch bei Bremsen möglich, wobei beim Bremsen im Generatorbetrieb freiwerdende Energie gespeichert wird.
Bei einer weiten bevorzugten Ausführungsform, die eigenständigen erfinderischen Charakter hat, werden die Brennstoffzelle und die Speicherbatterie wirkungsgradoptimiert nach folgernder Beziehung betrieben: η_OPT = (η_BZ·η_SB)_OPT, worin mit η_OPT der Gesamtwirkungsgrad, mit η_BZ der Brennstoffzellenwirkungsgrad und mit η_SP der Speicherbatteriewirkungsgrad bezeichnet sind. Der Brennstoffzellenwirkungsgrad hängt vom Ausgangsstrom der Brennstoffzelle ab. Der Speicherwirkungsgrad hängt vom Lade- und Entladestrom ab.
Vorzugsweise wird von der Batteriesteuereinheit eine Entladestromanforderung, wenn der Ladezustand einen oberen Grenzwert überschritten hat, und eine Ladestromanforderung erzeugt, wenn der Ladezustand der Speicherbatterie unter einem unteren Grenzwert liegt, während bei einem zwischen den Grenzwerten liegenden Ladezustand keine Lade- oder Entladestromanforderung erzeugt wird. Mit dieser Maßnahme wird eine den verschiedenen Ladezuständen optimal angepaßte Arbeitsweise in bezug auf günstige Wirkungsgrade erreicht.
Bei einer Entladestromanforderung und einem vom motorischen Antrieb benötigten Strom, der höher als der von der Brennstoffzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, wird der Strom mit dem höchsten Wirkungsgrad von der Brennstoffzelle-erzeugt und der Rest des angeforderten Stroms von der Speicherbatterie geliefert, während bei einem vom Antrieb benötigten Strom, der kleiner als der mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, keine wirkungsgradoptimierte Aufteilung des für den Antrieb benötigten Stroms auf die Brennstoffzelle und die Speicherbatterie durchgeführt wird.
Bei einer Ladestromanforderung und einem vom motorischen Antrieb benötigten Strom, der größer null aber kleiner als der von der Brennstoffzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, wird der Strom von der Brennstoffzelle im Betrieb mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugt, wobei die Speicherbatterie mit einem Strom entsprechend der Differenz zwischen dem benötigten Strom und dem Strom der Brennstoffzelle geladen wird, während bei einem vom Antrieb benötigten Strom, der größer als der beim höchsten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ausgegebene Strom ist, die Brennstoffzelle ohne wirkungsgradoptimierte Einstellung den angeforderten Strom und den Ladestrom für die Speicherbatterie erzeugt.
Bei einer Anordnung, der eingangs beschriebenen Art wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brennstoff-Zellensteuereinheit von der Fahrzeugsteuereinheit Stromanforderungssignale entsprechend der Einstellung des Gebers zugeführt werden und die Brennstoffzellensteuereinheit an die Fahrzeugsteuereinheit Signale über den verfügbaren Fahrzeugstrom sowie den maximal und minimal verfügbaren Fahrzeugstrom ausgibt, daß ein an die Ausgänge der Brennstoffzelle angeschlossener Spannungsmeßwertgeber mit der Brennstoffzellensteuereinheit verbunden ist, die die Ausgangsspannung auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts oder Erreichen oder Unterschreiten eines unteren, für de Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht und in einer ersten Betriebsart, die sich auf die Beschleunigung oder gleichleibende Geschwindigkeit des vom Stromrichter gespeisten Antriebs bezieht, diesen über eine Motorsteuereinheit auf Drehmoment- oder Stromregelung einstellt und einen mit den Eingängen des Stromrichters und den Ausgängen der Brennstoffzelle auf einer Seite und der Speicherbatterie auf der anderen Seite verbundenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler über die Brennstoffzellensteuereinheit bei einer zwischen den Grenzwerten liegenden Ausgangsspannung auf Stromsregelung, bei einer dem unteren Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangspannung auf Erzeugung einer mindestens dem unteren Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung einstellt und bei Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts auf Erzeugung einer dem oberen Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung einstellt, daß in einer zweiten Betriebsart, die sich auf die dynamische Reduzierung des Leistungsbedarfs des motorischen Antriebs im Umkehrbetrieb des Stromrichters bezieht, der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler auf Stromregelung eingestellt und der Antrieb bei einer dem oberen Grenzwert entsprechenden oder diesen überschreitenden Ausgangsspannung auf Spannungsregelung mit dem oberen Grenzwert als höchstem Wert eingestellt wird, daß die Brennstoffzellensteuereinheit ein Strom-Management-Programm enthält, das die Werte des aktuellen, gemessenen oder geschätzten und des geschätzten verfügbaren Brennstoffzellenstroms sowie Signale des Ladezustands der Speicherbatterie aus einer Batteriesteuereinheit zu Werten für die Einstellung der Stellglieder der für die Luft- und Brenngaszufuhr und -erzeugung vorgesehenen Bauelemente verarbeitet.
Die Erfindung wird in folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten Merkmale und vorteile ergeben.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem hybriden Energieversorgungssystem und einem von diesem gespeisten Wechselrichter mit angeschlossenem motorischen Antrieb in einem Fahrzeug;
2 ein Diagramm der Ausgangsspannung einer dem hybriden Energieversorgungssystem zugehörigen Brennstoffzelle als Funktion des Brennstoffzellen-Ausgangsstroms;
3 ein Blockschaltbild einer Fahrzeugsteuereinheit und einer Brennstoffzellensteuereinheit mit einem Brennstoffzellensystem und einem an eine Speicherbatterie angeschlossenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler;
4 ein Blockschaltbild mit Einzelheiten der Brennstoffzellensteuereinheit;
5 ein Blockschaltbild der Struktur eines Strom-Managementsystems in der Brennstoffzellensteuereinheit;
6 ein Blockschaltbild der Struktur eines Korrektursystems für eine Stromfehlanpassung;
7a ein Diagramm des typischen Verlaufs des Wirkungsgrads einer Brennstoffzelle als Funktion der Stromstärke;
7b ein Diagramm des typischen Verlaufs des Wirkungsgrads einer Speicherbatterie in Abhängigkeit von der Stromstärke beim Laden und Entladen.
8 ein Diagramm von Steuerbereichen für die wirkungsgradoptimierte Betriebsweise des hybriden Energieeverversorgungssystems.
Ein nicht näher dargestelltes Elektrofahrzeug enthält ein hybrides Energieversorgungssystem, das ein Brennstoffzellensystem 1 mit der Brennstoffzelle 2 und eine Speicherbatterie 3 aufweist. Anstelle der Speicherbatterie 3 kann auch ein Superkondensator oder ein Schwunggrad mit einem Motor/Generator vorgesehen sein. Die elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle 2 sind mit einer Antriebseinheit 4 verbunden, die einen an die Wechselrichterausgänge angeschlossenen Strom- bzw. Wechselrichter 5 mit nachgeschalteten Motor 6 für den Fahrzeugantrieb und eine Motorsteuereinheit 7 für die Steuerung bzw. Regelung der Leistung des Motors über den Wechselrichter 5 aufweist.
Mit den Ausgängen der Brennstoffzelle 2 und den Eingängen bzw. der Gleichstromseite des Wechselrichters 5 ist eine Seite eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 8, in folgenden DC/DC-Wandler genannt, verbunden. Die andere Seite des DC/DC-Wandler 8 ist mit dem Speicherkondensator 3 verbunden. Das Brennstoffzellensystem 1 enthält eine Brennstoffzellensteuereinheit 9. Der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 wird mit einem Strommeßwertgeber 10 und die Ausgangsspannung mit einem Spannungsmeßwertgeber 11 gemessen. Die Spannungsmeßwertgeber ist mit einer Brennstoffzellensteuereinheit 9 verbunden. Der Strommeßwertgeber 10 ist an die Brennstoffzellensteuereinheit 9 angeschlossen.
Eine Fahrzeugsteuereinheit 12 ist mit einem Geber 13 verbunden, bei dem es sich insbesondere um einen Geber handelt, mit dem die Position eines Fahrzeugpedals erfaßt wird. Der jeweiligen Fahrpedalstellung ist ein bestimmtes Drehmoment des motorischen Antriebs zugeordnet, d. h. das Fahrpedal bzw. der Geber gibt die Sollwerte für das Drehmoment des Motors 6 vor.
Mittels des Fahrpedals 13 wird daher die Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs gesteuert.
Die Fahrzeugsteuereinheit 12 steuert über entsprechende Signale die Motorsteuereinheit 4, indem sie die Höhe des Drehmoments oder einer dem Drehmoment entsprechenden Größe, z. B. dem Strom bei bestimmten Motoren, als Sollwert in die Motorsteuereinheit 4 eingibt. Die Wirkverbindung zwischen der Fahrzeugsteuereinheit 12 und der Motorsteuereinheit 4 ist in 1 durch eine gestrichelte Linie 14 gekennzeichnet. Die Fahrzeugsteuereinheit 12 und die Motorsteuereinheit 4 enthalten jeweils für sich Prozessoren mit der entsprechenden Peripherie.
Die Fahrzeugsteuereinheit 12 arbeitet mit der Brennstoffzellensteuereinheit 9 zusammen. Insbesondere gibt die Fahrzeugsteuereinheit 12 Stromanforderungswerte an die Brenstoffzellensteuereinheit 9 aus. Dieser Vorgang ist durch die gestrichelte Linie 15 in 1 gekennzeichnet. Die Werte der Stromanforderung bestimmt die Fahrzeugsteuereinheit 12 aus dem jeweiligen Signal des Gebers 13. Die Brennstoffzellensteuereinheit 9 über- wacht die Brennstoffzelle 2 und stellt u. a. den verfügbaren Strom fest, den sie der Fahrzeugsteuereinheit 12 meldet. Diese Datenverbindung ist in 1 durch die gestrichelte Linie 16 gekennzeichnet.
Die Brennstoffzellensteuereinheit 9 stellt die Betriebsart des DC/DC-Wandler 8 ein, und zwar die Stromrichtung oder die Strom- oder Spannungsregelung. Diese Datenverbindung zwischen der Brennstoffzellensteuereinheit 9 und dem DC/DC-Wandler ist in 1 durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet.
Die in 2 zeigt ein Diagramm des typischen Verlaufs der Brennstoffzellen-Ausgangsspannungen in Abhängigkeit vom Brennstoffzellenstrom I. Die Spannung V ist in Ordinatenrichtung und der Strom I in Abszissenrichtung eingetragen. Die Kennlinie 18 der Spannung V als Funktion des Stroms I ist teilweise, insbesondere in Anschluß an die Leerlaufspannung und ab einem gewissen Laststrom, nichtlinear.
Unkritisch für den Betrieb der Brennstoffzelle 2, d. h. die Versorgung elektrischer Verbraucher mit Energie, ist der Kennlinienbereich zwischen der Leerlaufspannung V und dem Beginn der Krümmung bei hohen Strömen. Es wird deshalb ein Betrieb gewünscht, bei dem die Brennstoffzelle keiner höheren Spannung als der Leerlaufspannung, im folgenden mit V_max bezeichnet, ausgesetzt ist und bei einem maximal zulässigen Strom die Spannung V_min nicht unterschreitet.
Da die Brennstoffzelle 2 eine gewisse Zeit benötigt, um auf geänderte Anforderungen von Drehmomenten zu reagieren, trägt die Speicherbatterie 3 mit Strömen für den Wechselrichter 5 dazu bei, daß der Motor 9 raschen Änderungen der Drehmomentsollwerte bzw. Stromsollwerte folgen kann.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystems und der Motor 9 werden so gesteuert, daß an den Ausgängen der Brennstoffzelle 2 keine den Grenzwert V_max übersteigende und keine den Grenzwert V_min unterschreitende Spannung auftritt.
Die Fahrzeugsteuereinheit 12 stellt an Hand der Stellung des Gebers 13 und der Einstellung des Drehmomentsollwerts die verlangten Drehmomentänderungen fest, die sich auf eine Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs oder auf eine gleichbleibende Geschwindigkeit beziehen können. Die Arbeitsweise der in 1 dargestellten Anordnung bei der Beschleunigung oder bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Motors 6 wird als erste Betriebsart bezeichnet. Bei einer Beschleunigung bzw. bei gleichbleibender Geschwindigkeit wird der Motor 9 über den Wechselrichter 5 drehmoment- bzw. stromgeregelt betrieben. Die Fahrzeugsteuereinheit 12 fordert von den Brennstoffzellensteuereinheit 9, die Erzeugung eines dem neuen Drehmoment zugeordneten Stroms durch das Energieversorgungssystem. Die Brennstoffzellensteuereinheit 9 überprüft in der ersten Betriebsart die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 bzw. die Spannung der Leitungen zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Wechselrichter 5 nach drei Kriterien, nämlich, ob die Spannung innerhalb der Grenzwerte V_max und V_min liegt, ob die Spannung kleiner als der untere Grenzwert V_min ist oder ob die Spannung größer als der obere Grenzwert V_max ist.
Ist die Spannung der Brennstoffzelle V_FC im Bereich V_min ≤ V_FC ≤ V_max, dann wird der DC/DC-Wandler 8 stromgegeregelt während der Beschleunigung des Motors 6 betrieben. Unter- schreitet die Brennstoffzellenspannung V_FC Die Spannung V_min, dann wird der DC/DC-Wandler spannungsgeregelt dergestalt betrieben, daß die Spannung an den Ausgängen der Brennstoffzelle 2 mindestens auf dem Wert V_min gehalten wird. Die Spannungsregelung beinhaltet insbesondere die Regelung der Ausgangsspannung auf den Wert V_min. Übersteigt die Spannung am Ausgang der Brennstoffzelle 2 die maximal zulässige Spannung V_max, dann wird der DC/DC-Wandler 8 derart spannungsgeregelt, daß seine Ausgangsspannung nicht größer als der Wert V_max ist.
Der DC/DC-Wandler 8 speist somit bei schnellen Drehmomenterhöhungen Strom in den Wechselrichter 5 zusätzlich zu dem von der Brennstoffzelle ausgegebenen Strom ein, der aufgrund des verzögerten Ansprechverhaltens der Brennstoffzelle 2 nicht bei schnellen Änderungen in der notwendigen kurzen Zeit erhöht wer- den kann. Dabei wird mittels des DC/DC-Wandlers auch dafür – gesorgt, daß die Spannung nicht außerhalb des von den Grenzwerten V_max bzw. V_min bestimmten Bereichs vorkommt. Eine Störung der Brennstoffzelle 2 durch Brenngasmangel oder durch negative Ströme, d. h. Ströme in umgekehrter Richtung, wird deshalb vermieden.
Die Fahrzeugsteuereinheit 12 stellt ebenfalls an Hand der Stellung des Gebers 13 und des der Motorsteuerung 4 vorgegebenen Drehmoment- oder Stromsollwerts fest, ob der Strombedarf des Strom- bzw. Wechselrichters 5 kleiner null ist. In dieser Betriebsart, die auch als zweite Betriebsart bezeichnet wird, wird der Wechselrichter 5 ebenso wie der DC/DC-Wandler 8 auf Umkehrbetrieb eingestellt, d. h. es wird der Motor 9 gebremst durch den Umkehrbetrieb des Wechselrichters 5 und der vom Wechselrichter 5 ausgegebene Strom wird über den DC/DC-Wandler 8 in die Speicherbatterie 3 eingespeist. Der DC/DC-Wandler 8 wird in der zweiten Betriebsart immer stromgeregelt. Zugleich wird die Spannung am Ausgang der Brennstoffzelle 2 auf Über- oder Unterschreiten des kritischen oberen Grenzwerts V_max überwacht. Ist die Spannung kleiner als V_max, dann wird der Motor 9 drehmoment- oder stromgeregelt auf den niedrigeren Drehmomentwert heruntergefahren. Übersteigt die Spannung den oberen Grenzwert, dann erfolgt die Bremsung durch Spannungsregelung des Motors 9 mittels des Wechselrichters 5. Damit wird vermieden, daß die Brennstoffzelle 2 mit negativen Strömen beaufschlagt wird.
In 3 ist die in 1 im Blockschaltbild dargestellte Anordnung in Bezug auf die Brennstoffzellensteuereinheit 9 ausführlicher dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 9 enthält ein Energiemanagementsystem 19 und ein Batteriemanagementsystem 20. Die Fahrzeugsteuereinheit 12, die an Hand der Positionsmeßwerte des Gebers 13 die Drehmomentsollwerte für den Motor 6 bestimmt, rechnet auch den erforderlichen Strom für die Beaufschlagung des Motors 9 in Form von Stromanforderungswerten aus, die vom Energieversorgungssystem aus Brennstoffzelle 2 und Speicherbatterie 3 aufgebracht werden müssen. Daher gibt die Fahrzeugsteuereinheit 12 über eine Leitung 21 die Werte des angeforderten Fahrzeugstroms an das Energiemanagementsystems 19 aus.
Von einer Signalaufbereitungseinheit 22 innerhalb der Brennstoffzellensteuereinheit 9 erhält das Energiemanagementsystem 19 über eine Leitung 23 die Werte des aktuellen Stroms der Brennstoffzelle 2. Über eine Leitung 24 werden dem Energiemanagement- system 19 die Werte des von der Brennstoffzelle 2 verfügbaren Stroms zugeführt.
Das mit nicht dargestellten Meßwertgebern für die Erfassung des Ladezustands der Speicherbatterie 3 verbundene Batteriemanagementsystem 20 meldet über eine Leitung 26 den Ladezustand und über eine Leitung 27 die Temperatur der Speicherbatterie dem Energiemanagementsystem 19. Die Signalaufbereitungseinheit 22 erfaßt den aktuellen Strom der Brennstoffzelle 2, die Bestanteil des Brennstoffzellensystems 22 ist, zu dem auch Hilfsaggregate, die Stellglieder für die Gaszufuhr der insbesondere als Membran-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle, der Reformer und der Kraftstoffbehälter gehören. Dieses Brennstoffzellensystem 1 wird auch als Brennstoffzelle bezeichnet, worunter dann auch die für den Betrieb der eigentlichen Brennstoffzelle gehörenden Bauteile zu verstehen sind.
Der aktuelle Strom der Brennstoffzelle 2 kann gemessen oder geschätzt werden. Der für den Antrieb verfügbare Strom wird vorwiegend geschätzt, da er nicht die Ströme enthält, die an weitere Verbraucher im Fahrzeug abgegeben und zur Reduzierung des meßtechnischen Aufwands nicht eigens gemessen werden. Die Signalaufbereitungseinheit 22 erzeugt aus den Werten des angeforderten Brennstoffzellenstroms die Signale für die Stellglieder des Brennstoffzellensystems, um die Brennstoffzelle zur Abgabe des angeforderten Stroms zu veranlassen.
Das Energiemanagementsystem 19 steuert über eine Leitung 29 die Einstellung des DC/DC-Wandler 8, der je nach Betriebsart spannungs- oder stromgeregelt wird und Strom in den Wechselrichter einspeist oder durch Strom aus dem Wechselrichter 5 aufgeladen wird. Im Falle der Einspeisung von Strom in den Wechselrichter 5 stockt der DC/DC-Wandler 8 den von der Brennstoffzelle 2 gelieferten Strom auf den vom Antrieb beim Beschleunigen benötigten Strom auf.
Das Energiemanagementsystem 19 meldet über Leitungen 30, 31, 32 jeweils den verfügbaren Strom, den maximal verfügbaren Strom und den minimal verfügbaren Strom der Brennstoffzelle 2. Die in 3 mit 21, 23, 24, 25, 26, 27, 29, 30, 31 und 32 bezeichneten Leitungen können auch durch einen oder mehre Busse ersetzt bzw. realisiert sein. Die Fahrzeugsteuereinheit 12 und die Brennstoffzellensteuereinheit 9 weisen jeweils einen oder mehrere Prozessoren auf. Unter Energie-Managementsystems ist dann jeweils der Prozessor und die zughörige Software zu verstehen. In entsprechender Weise gilt dies für das Batteriemanagementsystem.
In 4 sind noch etwas eingehender die Signale bzw. Daten in Verbindung mit dem Energiemanagementsystem und dem Batteriemanagementsystem dargestellt. Das Energiemanagementsystem, das insbesondere Daten über Ströme verarbeitet und ausgibt kann auch als Strommanagementsystem bezeichnet werden. Zum Batteriemanagementsystem 20 gehören eine Ladezustandssteuerung 33 und eine Batteriestrombegrenzung 34. Über die Leitung 23 wird dem Energiemanagementsystem 19 der aktuelle Brennstoffzellenstrom gemeldet. Über die Leitung 24 wird dem Energiemanagementsystem 19 der verfügbare Brennstoffzellenstrom, d. h. der Strom der für die Motorsteuerung verfügbar ist, mitgeteilt. Der verfügbare Strom wird an Hand des Stromverbrauchs der weiteren Verbraucher in Fahrzeug, die nicht dargestellt sind, geschätzt. Über die Leitung 21 erhält das Energiemanagementsystem 19 die Daten der angeforderten Fahrzeugströme.
Die Ladezustandssteuerung 33 erhält aufgrund ihrer Verbindung mit nicht dargestellten Meßwertgebern an oder in der Speicherbatterie 3 Meßwerte auf einer Leitung 34, aus denen der Ladezustand der Speicherbatterie ersichtlich ist oder berechnet wird. Weiterhin wird der Ladezustandssteuerung 33 über eine Leitung 35 die Temperatur der Speicherbatterie 3 mitgeteilt. Das Energiemanagementsystem 19 erhält aus der Ladezustandssteuerung 33 über die Leitung 34 die Daten über den Ladezustand der Speicherbatterie 3. An Hand der Höhe des festgestellten Ladezustands bestimmt die Ladezustandssteuerung 33 den Lade- oder Entladestrombedarf und führt die entsprechenden Werte des für die Ladung oder Entladung erforderlichen Stroms über die Leitung 36 dem Energiemanagementsystem 19 zu.
Eine Batteriestrombegrenzung 37 gibt die Grenzen für die Ladeströme und Entladströme an. Die Batteriestrombegrenzung 37 erhält ebenfalls die Daten des Ladezustands und der Temperatur der Speicherbatterie 3.
Das Energiemanagementsystem 19 berechnet aus den Daten des aktuellen Brennstoffzellenstroms, des verfügbaren Brennstoffzellenstroms, der Fahrzeugstromanforderung, des Ladezustands und der Ladestromanforderung die Betriebsart und Einstellung des DC/DC-Wandlers 8 und gibt die entsprechenden Daten auf einer Leitung 38 an die Batteriestrombegrenzung 37 aus, die die vom Energiemanagementsystem 19 bestimmte Einstellung mit den Grenzwerten der Ladeströme vergleicht. Unter Abstimmung mit den Grenzwerten der Ladeströme, einem oberen Grenzwert für die Aufladung und einem unteren Grenzwert für die Entladung, gibt die Strombegrenzung ein Einstellsignal für den DC/DC-Wandler 8 auf der Leitung 29 aus. Die DC/DC-Wandler-Solleinstellung wird auch dem Energiemanagementsystem 19 gemeldet.
Das Energiemanagementsystem 19 berechnet aus den oben angegebenen Daten die Werte für die Brennstoffzellenstromanforderung und leitet diese Werte über die Leitung 25 an die Signalaufbereitungseinheit, die daraus Stellsignale für Elemente der Brenngaserzeugung und Luftzufuhr für die Brennstoffzelle 2 bildet. Auf der Leitung 30 gibt das Energie-anagementsystem 19 die Werte des von ihm berechneten verfügbaren Fahrzeugstroms aus, die von der Fahrzeugsteuereinheit 12 empfangen und verarbeitet werden. Aus den aktuell gemessenen oder geschätzten Werten des Brennstoffzellenstroms, die auf der Leitung 23 zum Energiemanagementsystem gelangen und aus den Werten des geschätzten, verfügbaren Stroms, die auf der Leitung 24 über- tragen werden, berechnet das Energiemanagementsystem Werte eines Batteriekorrekturstroms, die auf einer Leitung 39 ausgegeben werden. In einer Summierstelle 40 werden die Werte des auf der Leitung 30 übertragenen verfügbaren Fahrzeugstroms zu den Werten des von der Strombegrenzung 37 auf einer Leitung 41 ausgegebenen maximalen Ladestroms addiert. Von der Summe wird der Batteriekorrekturstromwert subtrahiert. Das Ergebnis der Überlagerung der Stromwerte in der Summierstelle 40 wird auf der Leitung 31 als minimal verfügbaren Fahrzeugstrom zur Fahrzeugsteuereinheit 12 übertragen. Auf einer Leitung 42 gibt die Strombegrenzung die Werte des maximalen Entladestroms aus. In einer Summierstelle 43 werden die Werte des verfügbaren Fahrzeugstroms und die Werte des Batteriekorrekturstrom einander überlagert. Von dieser Summe werden die Werte des maximalen Entladestroms subtrahiert. Das Ergebnis wird auf der Leitung 32 als maximal verfügbarer Fahrzeugstrom zur Fahrzeugsteuereinheit 12 übertragen.
Die Verarbeitung der dem Energiemanagementsystem zugeführten Stromwerte zu Ausgabewerten wird nachstehend in Bezug auf die 5 und 6 näher beschrieben. Die Werte des von der Fahrzeugsteuereinheit angeforderten Stroms gelangen über die Leitung 21 zum Energiemanagementsystem 19, in dem sie an einer Summierstelle 44 mit den auf der Leitung 36 übertragenen negativen Werten der Ladestromanforderung vereinigt werden. Die Differenz der Werte beaufschlagt einen Baustein 45 der Brennsstoffzellenanforderungsmodulation, die unten noch näher erläutert wird.
Die Werte des aktuellen Brennstoffzellenstroms gelangen auf der Leitung 23 und die Werte des geschätzten, verfügbaren Brennstoffzellenstroms auf der Leitung 24 zu einem Stromfehlanpassungskorrekturbaustein 46, der zwei Ausgänge hat. Von dem einen Ausgang werden die Werte von Brennstoffzellenkorrekturströmen zu einem Summierglied 47 und zu einem Verzögerungsbaustein 48 übertragen. Im Summierglied werden die Werte des Ausgangs des Brennstoffzellenmodulationsbausteins 45 den Werten der Brennstoffzellenkorrekturströme überlagert. Die Summe wird auf der Leitung 25 als Brennstoffzellenstromanforderung ausgegeben und zur Signalaufbereitungseinheit 22 übertragen. Die Zeitverzögerung im Verzögerungsbaustein 48 ist auf die Zeit abgestimmt, die für die Berechnung des verfügbaren Stroms aus dem angeforderten Brennstoffzellenstrom, benötigt wird. Die Ausgangswerte des Verzögerungsbausteins 48 beaufschlagen ein Summierglied 49 und werden dort von den Werten des geschätzten, verfügbare Brennstoffzellenstroms subtrahiert. Die Differenz, d. h. die Werte des geschätzten, verfügbaren Stroms ohne Brennstoffzellenkorrekturstromwert gelangen zu einer Summierstelle 50, wo sie von den Werten aus der Differenz der Fahrzeuganforderung und der Ladestromanforderung subtrahiert werden, wodurch eine Kompensation für die langsame Brennstoffzellendynamik erreicht wird.
Der Stromfehlanpassungskorrekturbaustein 46 berechnet weiterhin einen Batteriekorrekturstromwert, der zu einem Summierglied 51 geleitet wird wo er mit den Werten der Ladestromanforderung vereinigt wird. Die im Summierglied 51 gebildete Summe gelangt zu einem weiteren Summierglied 52, wo sie den vom Summierglied 50 ausgehenden Werten aufgeschaltet wird, wodurch die Werte für die DC/DC-Wandlereinstellung (unbegrenzt) gebildet und auf der Leitung 38 übertragen werden. Diese Werte werden zugleich einem Summierglied 53 zugeführt, wo die auf der Leitung 29 übertragenen Werte der DC/DC-Wandlereinstellung (begrenzt) davon subtrahiert werden. Das Ergebnis der Differenz gelangt zu einem Summierglied 54 und wird von den Werten der Fahrzeugstromanforderung subtrahiert, wodurch die Werte des verfügbaren Fahrzeugstroms gebildet und auf der Leitung 30 zur Fahrzeugsteuereinheit 12 übertragen werden.
In 6 ist die Struktur des Fehlanpassungskorrekturbausteins 46 im Blockschaltbild dargestellt. Die Werte des aktuellen Brennstoffzellenstroms, die durch Messung oder Schätzung erhalten und auf der Leitung 23 übertragen werden, beaufschlagen eine Summierstelle 55, an der von diesen Werten die auf der Leitung 30 übertragenen Werte des geschätzten, für den Antrieb verfügbaren Brennstoffzellenstroms subtrahiert werden. Die so erhaltene Differenz beaufschlagt einen PID-Baustein 56, dessen Ausgangswerte einem Anstiegsbegrenzungsbaustein 57 und einer Summierstelle 58 zugeführt werden. Die Ausgangswerte des Anstiegsbegrenzungsbausteins gelangen in einen Verzögerungsbaustein 59, an dessen Ausgang die Werte des Brennstoffzellenkorrekturstroms verfügbar sind, die in der Summierstelle 58 von den Werten des Ausgangs des PID-Bausteins 56 subtrahiert werden, wodurch die Werte des Batteriekorrekturstroms entstehen.
In 7a sind die typischen Wirkungsgrade einer Brennstoffzelle und einer Speicherbatterie als Funktion des Stroms dargestellt. Die Wirkungsgrade sind in Ordinatenrichtung und die Ströme in Abszissenrichtung aufgetragen. Die Wirkungsgradlinie der Brennstoffzelle ist mit 59 in 7a bezeichnet. Die Ladewirkungsgrade der Speicherbatterie 3 sind in 7a gestrichelt dargestellt und mit 60 bezeichnet. Der Entladewirkungsgrad der Speicherbatterie 3 ist in 7a strichpunktiert dargestellt und mit 61 bezeichnet.
In 7b ist der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle 2 und der Speicherbatterie beim Laden mit 63 und der Gesamtwirkungs- grad der Brennstoffzelle und der Speicherbatterie beim Entladen mit 64 bezeichnet.
Die Fahrzeugstromanforderung wird vom Energiemanagementsystem 19 aufgeteilt in eine Brennstoffzellenstromanforderung und eine Speicherbatteriestromanforderung, die durch die Einstellung des DC/DC-Wandlers 8 erfolgt. Durch eine unter Berücksichtung der Wirkungsgrade der Brennstoffzelle 2 und der Speicherbatterie 3 vorgenommene Aufteilung eines angeforderten Fahrzeugstroms auf die Brennstoffzelle 2 und die Speicherbatterie 3 läßt sich eine wirkungsgradoptimierte Betriebsführung derart erreichen, daß ein optimaler Gesamtwirkungsgrad entsteht.
Zweckmäßig ist es, die Betriebsführung in Abhängigkeit vom Ladezustand der Speicherbatterie in Bereiche aufzuteilen, die in 8 dargestellt sind. Die 8 zeigt einen Bereich 65, in dem keine Ladeanforderung erfolgt, da sich der Batterieladezustand zwischen einem oberen Ladegrenzwert S0C_o und einem unteren Ladegrenzwert S0C_u befindet. In Ordinatenrichtung ist in 8 der Ladezustand der Speicherbatterie 3 in % und in Abszissenrichtung die Bereiche dargestellt. Er ergeben sich durch die Festlegung der beiden Grenzwerte S0C_o und S0C_u neben dem Bereich 65 noch die Bereiche 66 und 67. Die Betriebsführungsstrategien hängen von den verschiedenen Breichen 65, 66, 67 ab. Es wird ein optimaler Gesamtwirkungsgrad gebildet nach der Beziehung: η_OPT = (η_BZ·η_SP)_OPT, worin η_OPT der Gesamtwirkungsgrad, mit η_BZ der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und mit η_SP der Wirkungsgrad der Speicherbatterie 3 bezeichnet ist. Wenn aufgrund des Ladezustands im Bereich 66 seitens des Batteriemanagements 20 eine Entladanforderung vorhanden ist, dann wird mit folgender Strategie ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht:

1. Ist der angeforderte Fahrzeugstrom größer als derjenige Strom der Brennstoffzelle 2, bei dem diese ihren höchsten Wirkungsgrad hat, dann wird die Brennstoffzelle 2 auf Ausgabe dieses Stroms eingestellt. Der von der Speicherbatterie 3 angeforderte Strom ergibt sich aus der Differenz zwischen dem angeforderten Fahrzeugstrom und dem Strom der Brennstoffzelle 2 bei optimalem Wirkungsgrad.
2. Sollte allerdings der angeforderte Speicherbatteriestrom kleiner als ein minimaler Entladestrom sein, dann wird dieser Entladestrom eingestellt. Wenn der angeforderte Fahrzeugstrom größer null aber kleiner als der Strom der Brennstoffzelle bei deren optimalen Wirkungsgrad ist, dann wird das Energieversorgungssystem ohne die optimale Wirkungsgradstrategie betrieben.

Liegt seitens des Batteriemanagements 20 eine Ladestromanforderung vor, weil ein Ladezustand im Bereich 67 vorhanden ist, dann werden in Abhängigkeit von der Höhe des angeforderten Fahrzeugstroms wiederum. zwei verschiedene Verfahrensweisen durchgeführt. Ist der angeforderte Fahrzugsrom größer als der Strom der Brennstoffzelle bei deren höchstem Wirkungsgrad, dann wird der Brennstoffzellenstrom nicht auf einen festen Wert eingestellt. Der Brennstoffzellenstrom ergibt sich aus der Differenz von angeforderten Fahrzeugstrom und Speicherbatteriestrom. Wenn der angeforderte Fahrzeugstrom größer null aber kleiner als der Brennstoffzellenstrom beim höchsten Brennstoffzellenwirkungsgrad ist, dann wird der Brennstoffzellenstrom auf den Wert mit dem höchsten Brennstoffzellenwirkungsgrad eingestellt. Der Speicherbatteriestrom wird auf die Differenz zwischen angefordertem Fahrzeugstrom und Brennstoffzellenstrom eingestellt.
Liegt keine Lade/Entladeanforderung des Batteriemanagementsystems 20 vor, dann wird der Brennstoffzellenstrom auf den Wert des angeforderten Fahrzeugstromseingestellt. Die Betriebsführungsstrategie ist dann folgende:
Wenn die Energie der Speicherbatterie durch Rekuperation erhalten wird, dann wird nur der Entladewirkungsgrad der Speicherbatterie berücksichtigt. Es wird das Produkt aus dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und dem maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gebildet. Das Ergebnis wird dem Produkt aus der Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und dem maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, dem Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers 3 und dem Entladewirkungsgrad hinzugefügt. Ist dieses Ergebnis größer als das Produkt aus dem Wert des angeforderten Brennstoffzellenstroms und dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei dem angeforderten Brennstoffzellstrom; und die Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und demjenigen Brennstoffzellenstrom, bei dem der höchste Brennstoffzellenwirkungsgrad vorliegt, ist größer null, dann wird der Brennstoffzellenstrom bei dem die Brennstoffzelle 2 den höchsten Wirkungsgrad hat, eingestellt. In den anderen Fällen wird der Brennstoffzellenstrom auf den angeforderten Wert eingestellt.
Wird die Batterie aus der Brennstoffzelle aufgeladen, dann wird das Produkt aus dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und aus dem optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle dem Produkt aus der Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, dem optimalen Brennstoffzellenwirkungsgrad dem Quadrat des DC/DC-Wandlerwirkungsgrads dem Entladewirkungsgrad und dem Aufladewirkungsgrad der Speicherbatterie 3 hinzugefügt. Ist dieses Ergebnis größer als das Produkt aus dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem bei diesem vorhandenen Wirkungsgrad, dann wird der angeforderte Brennstoffzellenstrom auf den Strom eingestellt, bei dem die Brennstoffzelle ihren höchsten Wirkungsgrad hat. In allen anderen Fällen wird der Brennstoffzellenstrom auf den angeforderten Fahrzeugstrom eingestellt. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte werden im Baustein 45, d. h. der Brennstoffzellenanforderungsmodulation ausgeführt.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs und weiterer Verbraucher mit einem hybriden Energieversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle (2) und einen Energiezwischenspeicher enthält, wobei eine Fahrzeug steuereinheit (12), die in Abhängigkeit von der Stellung eines Gebers (13), dessen Stellung für den Energiebedarf des Antriebs maßgebend ist, den Strom- oder Leistungsbedarf des von einem Stromrichter (5) gespeisten Antriebs steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugsteuereinheit (12) eine der jeweiligen Stellung des Gebers (13) zugeordnete Stromanforderung dem Energieversorgungssystem zuführt, daß die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (2) gemessen und auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts oder Erreichen oder Unterschreiten eines unteren, für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht wird, daß in einer ersten Betriebsart, die sich auf die Beschleunigung oder gleichbleibenden Leistungsbedarf des motorischen Antriebs bezieht, dieser entsprechend der Stellung des Gebers (13) drehmoment- oder stromgeregelt über den Stromrichter (5) betrieben wird, der Strom von der Brennstoffzelle (2) und einem zwischen den Ausgängen der Brennstoffzelle (2) und der Speicherbatterie (3) angeordneten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) erhält, der bei einer zwischen den Grenzwerten liegenden Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (2) zur Aufstockung des von der Brennstoffzelle (2) gelieferten Stroms auf den angeforderten Strom stromgeregelt, bei einer dem unteren Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangsspannung zur Einstellung einer mindestens dem unteren Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung spannungsgeregelt und bei Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts zur Einstellung einer dem oberen Grenzwert oder euer kleineren Spannung entsprechenden Ausgangspannung spannungsgeregelt betrieben wird, und daß in einer zweiten Betriebsart, die sich auf die Verminderung des Leistungsbedarfs des motorischen Antriebs und Umkehrbetrieb des Stromrichters (5) bezieht, der GleichstromGleichstrom-Wandler (8) im Umkehrbetrieb zur Ladung der Speicherbatterie (3) stromgeregelt und der motorische Antrieb bei einer dem oberen Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangsspannung drehmoment- oder stromgeregelt betrieben und bei einer den oberen Grenzwert überschreitenden Ausgangsspannung auf Spannungsregelung zur Begrenzung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (2) auf den oberen Grenzwert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gebereinstellung entsprechende Führungsgröße von der Fahrzeugsteuereinheit (12) in Abhängigkeit von der Betriebsart als Drehmoment- oder Stromsollwert einer über den Stromrichter (5) den motorischen Antrieb steuernden Motor Steuereinheit (7) zugeführt wird, daß die Fahrzeugsteuereinheit (12) unter Berücksichtigung der Spannungs-Strom-Kennlinie (18) der Brennstoffzelle (2) für das in der jeweiligen Betriebsart beanspruchte Drehmoment eine Stromanforderung einer Brennstoffzellensteuereinheit (9) zuführt, die aus dem von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen aktuellen Strom und dem für den motorischen Antrieb verfügbaren Strom der Brennstoffzelle (2) sowie dem Ladezustand der Speicherbatterie (3) eine Stromanforderung an die Stellglieder für die Luft- und Brenngasdosierung zur Abgabe eines entsprechenden Stroms unter Berücksichtigung der Betriebssart ausgibt sowie dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) in Abhängigkeit von der Betriebsart auf Strom- oder Spannungsregelung einstellt und der Fahrzeugsteuereinheit (12) die Höhe des verfügbaren Stroms meldet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Strom der Brennstoffzelle (2) durch Messung des dem Stromrichter (5) zugeführten Stroms und vorzeichenrichtiger Verrechnung mit dem von der Speicherbatterie (3) beigetragenen Strom bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Strom derart geschätzt, wird, daß vom gemessenen Gesamtstrom am Ausgang der Brennstoffzelle (2) die von den neben dem Antrieb im Fahrzeug angeordneten Verbrauchern benötigten Ströme subtrahiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Speicherbatteriesteuerung die Speicherbatterietemperatur und der Speicherbatterieladezustand erfaßt werden und der Brennstoffzellensteuereinheit (9) eine Lade- oder Entladeanforderung für die Speicherbatterie (3) gemeldet wird, daß die Brennstoffzellensteuereinheit (9) ein Einstellungssignal für die Betriebsart des Glichstrom-Gleichstrom-Wandlers (8) ausgibt, das in Abhängigkeit von der Lade- oder Entladebetriebsart auf voreingestellte Maximalwerte für den Lade- und Entladestrom und die Spannung geprüft und gegebenenfalls begrenzt wird, und daß einerseits von dem von der Brennstoffzellensteuereinheit (9) ausgegebenen Wert des verfügbaren Stroms der Wert des maximalen Ladestroms subtrahiert und als minimal verfügbarer Stromwert der Fahrzeugsteuereinheit (12) zugeführt und andererseits der Wert des maximalen Entladestroms zum Wert des verfügbaren Stroms addiert und als maximal verfügbarer Strom der Fahrzeugsteuereinheit (12) in der ersten Betriebsart zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mit dem von der Fahrzeugsteuereinheit (12) ausgegebenen Wert des angeforderten Stroms ein von der Batteriesteuereinheit ausgegebener Wert eines Entlade- oder Ladestroms vorzeichenrichtig vereinigt wird, und daß die Differenz zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrads des Energieversorgungssystems moduliert und anschließend mit einem Brennstoffzellenkorrekturstromwert vorzeichenrichtig vereinigt wird, wodurch die Stromanforderungswerte für die Einstellung der Stellglieder für die Luft- und Brenngasdosierung der Brennstoffzelle (2) erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzellenkorrekturstromwert bestimmt wird, indem die Differenz zwischen dem Wert des aktuellen Stroms und dem geschätzten, verfügbaren Wert des Stroms der Brennstoffzelle (2) gebildet, einer PID-Aufschaltung unterworfen und anschließend mit einer Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzung zeitverzögert weitergeleitet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der einer PID-Aufschaltung unterworfenen Differenz zwischen dem aktuellen Strom der Brennstoffzelle und dem geschätzten, verfügbaren Stroms der Brennstoffzellenkorrekturstromwert subtrahiert und die so gebildete Differenz zeitverzögert vom Wert des angeforderten Fahrzeugstroms subtrahiert und den Werten der Lade-, Entladestromanforderungen der Batteriesteuereinheit und den Speicherbatteriekorrekturstromwerten zur Bildung der Einstellwerte der Ströme für den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) aufgeschaltet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wert des durch die Fahrzeugsteuereinheit (12) angeforderten Stroms die Differenz zwischen dem Einstellwert des Stroms für den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) und einem Grenzeinstellwert aufgeschaltet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (2) und die Speicherbatterie (3) wirkungsgradoptimiert nach folgernder Beziehung betrieben wer, den: η_OPT = (η_BZ·η_SP)_OPT , worin mit η_OPT der Gesamtwirkungsgrad, mit η_BZ der Brennstoffzellenwirkungsgrad und mit η_SP der Speicherbatteriewirkungsgrad bezeichnet sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Batteriesteuereinheit eine Entladestromanforderung, wenn der Ladezustand einem oberen Grenzwert überschritten hat, und eine Ladestromanforderung erzeugt wird, wenn der Ladezustand der Speicherbatterie (3) unter einem unteren Grenzwert liegt, und daß bei einem zwischen den Grenzweiten liegenden Ladezustand keine Lade- oder Entladestromanforderung erzeugt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Entladestromanforderung und einem vom motorischen Antrieb benötigten Strom, der hoher als der von der Brennstoffzelle (2) mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, der Strom mit dem höchsten Wirkungsgrad von der Brennstoffzelle (2) erzeugt und der Rest des angeforderten Stroms von der Speicherbatterie (3) geliefert wird, und daß bei einem vom Antrieb benötigten Strom, der kleiner als der mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, keine wirkungsgradoptimierte Aufteilung des für den Antrieb benötigten Stroms auf die Brennstoffzelle (2) und die Speicherbatterie (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ladestromanforderung und einem vom motorischen Antrieb benötigten Strom, der größer null aber kleiner als der von der Brennstoffzelle (2) mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugte Strom ist, der Strom von der Brennstoffzelle (2) im Betrieb mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugt wird, daß die Speicherbatterie (3) mit einem Strom entsprechend der Differenz zwischen dem benötigten Strom und dem Strom der Brennstoffzelle (2) geladen wird, und daß bei einem vom Antrieb benötigten Strom, der größer als der beim höchsten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) ausgegebene Strom ist, die Brennstoffzelle (2) ohne wirkungsgradoptimierte Einstellung den angeforderten Strom und den Ladestrom für die Speicherbatterie (3) erzeugt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ladezustand der Speicherbatterie (3) ohne Lade- oder Entladeanforderung bei einer Aufladung der Speicherbatterie (3) durch Rekuperation und bei einer Summe aus dem Produkt des Brennstoffzellenstroms bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) und dem optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) und dem Produkt aus der Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2), dem maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2), dem Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers und dem Entladewirkungsgrad (61) der Speicherbatterie (3), die höher ist als das Produkt aus dem Wert des angeforderten Brennstoffzellen stroms und dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) bei dem angeforderten Brennstoffzellenstrom, daß bei einer Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, die größer null ist, der Strom mit dem höchsten Wirkungsgrad von der Brennstoffzelle (2) erzeugt wird und daß in allen anderen Fällen der Brennstoffzellenstrom auf den angeforderten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ladezustand der Speicherbatterie (3) ohne Lade- oder Entladeanforderung bei einer der Speicherbatterie (3) durch die Brennstoffzelle (2) und bei einer Summe aus dem Produkt des Brennstoffzellenstroms bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) und dem optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) und dem Produkt aus der Differenz zwischen dem angeforderten Brennstoffzellenstrom und dem Brennstoffzellenstrom bei optimalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2), dem maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2), dem Quadrat des Wirkungsgrads des DC/DC-Wandler, dem Lade- und Entladewirkungsgrad (60, 61) der Speicherbatterie (3), die höher ist als das Produkt aus dem Wert angeforderten Brennstoffzellenstroms und dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (2) bei dem angeforderten Brennstoffzellenstrom, der Strom mit dem höchsten Wirkungsgrad von der Brennstoffzelle (2) erzeugt wird und daß in allen anderen Fällen der Brennstoffzellenstrom auf den angeforderten Wert eingestellt wird.
Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs und weiterer Verbraucher mit einem hybriden Energieversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle (2) und einen Energiezwischenspeicher enthält, wobei eine Fahrzeugsteuereinheit (12), die in Abhängigkeit von der Stellung eines Gebers (13), dessen Stellung für den Energiebedarf des Antriebs maßgebend ist, den Strom- oder Leistungsbedarf des von einem Stromrichter (5) gespeisten Antriebs steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzellensteuereinheit (9) von der Fahrzeugsteuereinheit (12) Stromanforderungssignale entsprechend der Einstellung des Gebers (13) zugeführt werden und die Brennstoffzellensteuereinheit (9) an die Fahrzeugsteuereinheit (12) Signale über den verfügbaren Fahrzeugstrom sowie den maximal und minimal verfügbaren Fahrzeugstrom ausgibt, daß ein an die Ausgänge der Brennstoffzelle (2) angeschlossener Spannungsmeßwertgeber (11) mit der Brennstoffzellensteuereinheit (9) verbunden ist, die die Ausgangsspannung auf Erreichen oder Überschreiten eines oberen für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts oder Erreichen oder Unterschreiten eines unteren, für den Brennstoffzellenbetrieb noch unkritischen Grenzwerts überwacht und in einer ersten Betriebsart, die sich auf die Beschleunigung oder gleichleibende Geschwindigkeit des vom Stromrichter (5) gespeisten Antriebs bezieht, diesen über eine Motorsteuereinheit (4) auf Drehmoment- oder Stromregelung einstellt und einen mit den Eingängen des Stromrichters (5) und den Ausgängen der Brennstoffzelle (2) auf einer Seite und der Speicherbatterie (3) auf der anderen Seite verbundenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (8) über eine Brennstoffzellensteuereinheit (9) bei einer zwischen Grenzwerten liegenden Ausgangsspannung auf Stromregelung, bei einer dem unteren Grenzwert entsprechenden oder diesen unterschreitenden Ausgangspannung auf Erzeugung einer mindestens dem unteren Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung einstellt und bei Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts auf Erzeugung einer dem oberen Grenzwert entsprechenden Ausgangsspannung einstellt, daß in einer zweiten Betriebsart, die sich auf die dynamische Reduzierung des Leistungsbedarfs des motorischen Antriebs im Umkehrbetrieb des Stromrichters (5) bezieht, der Gleichstrom, Gleichstrom-Wandler (8) im Umkehrbetrieb auf Stromregelung eingestellt und der Antrieb bei einer dem oberen Grenzwert entsprechenden oder diesen überschreitenden Ausgangsspannung auf Spannungsregelung mit dem oberen Grenzwert als höchstem Wert eingestellt wird, und daß die Brennstoffzellensteuereinheit (9) ein Strom-Management-Programm enthält, das die Werte des aktuellen, gemessenen oder geschätzten und des geschätzten verfügbaren Brennstoffzellenstroms sowie Signale des Ladezustands der Speicherbatterie (3) aus einer Batteriesteuereinheit zu Werten für die Einstellung der Stellglieder der für die Luft- und Brenngaszufuhr und -erzeugung vorgesehenen Bauelemente verarbeitet.