DE60319851T2

DE60319851T2 - Energierückgewinnungsverfahren und -vorrichtung, das bzw. die an bord eines fahrzeugs mit einer reformer-brennstoffzelle verwendet werden

Info

Publication number: DE60319851T2
Application number: DE60319851T
Authority: DE
Inventors: Patrick Beguery; Gilles Dewaele; Fahri Keretli
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: JP2006501797A; FR2845525B1; KR100998305B1; EP1545915B1; WO2004030958A1; CA2499860C; ES2301881T3; DE60319851D1; EP1545915A1; FR2845525A1; KR20050059222A; CA2499860A1; US20060121325A1; ATE389555T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung der elektrischen Energie in einem Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird.
Die Erfindung betrifft genauer ein Verfahren zur Wiedergewinnung der elektrischen Energie in einem Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, von dem Typ, der eine Brennstoffzelle, die den Elektromotor speist, und elektrische Einrichtungen aufweist, und der mit Kraftstoff, und insbesondere Wasserstoff, über einen Reformer gespeist wird, dessen Kraftstoffdurchsatz in Abhängigkeit vom Stromverbrauch des Elektromotors gesteuert wird, und der vorübergehend einen Kraftstoffüberschuss produziert, wenn der Verbrauch des Elektromotors abnimmt, und von dem Typ, der Energiespeichermittel aufweist.
Die von mindestens einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeuge können insbesondere von einer Brennstoffzelle mit elektrischer Energie gespeist werden.
Eine Brennstoffzelle besteht hauptsächlich aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Diese Art Zelle ermöglicht die direkte Umwandlung der Energie, die von den folgenden Redoxreaktionen erzeugt wird, in elektrische Energie:

– eine Oxidationsreaktion eines Brennstoffs oder Kraftstoffs, die die Anode mit Gleichstrom speist; und
– eine Reduktionsreaktion eines Sauerstoffträgers, die die Kathode mit Gleichstrom speist.

Die zur Lieferung elektrischer Energie an Bord von Kraftfahrzeugen verwendeten Brennstoffzellen sind im Allgemeinen vom Typ mit Festelektrolyt, insbesondere mit Polymerelektrolyt. Eine solche Zelle verwendet insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) als Kraftstoff bzw. Sauerstoffträger.
Dieser Zellentyp ermöglicht es, gleichzeitig einen Wirkungsgrad, eine Reaktionszeit und eine Betriebstemperatur zu erhalten, die global zufriedenstellend sind, um Elektrizität an einen Elektromotor für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs zu liefern.
Im Gegensatz zu den Wärmemotoren, die mit den Auspuffgasen eine nicht vernachlässigbare Menge von Schadstoffen ausstoßen, bietet die Brennstoffzelle insbesondere den Vorteil, nur Wasser auszustoßen, das durch die Reduktionsreaktion in der Kathode produziert wird. Außerdem kann eine Zelle vom oben beschriebenen Typ die Umgebungsluft nutzen, deren Sauerstoff (O₂) reduziert ist.
Die Kathode weist allgemein einen Eingang, der die fortlaufend Zufuhr von Sauerstoff (O₂) oder Luft ermöglicht, und einen Ausgang auf, der die Abfuhr des Überschusses an Luft oder Sauerstoff (O₂) sowie die Abfuhr des bei der Reduktion des Sauerstoffs (O₂) produzierten Wassers erlaubt. Allgemein weist die Anode im Allgemeinen einen Eingang auf, über den der Wasserstoff (H₂) eingeführt wird.
Beim derzeitigen Stand der Technik erfordert die Speicherung von reinem Wasserstoff (H₂) an Bord des Fahrzeugs aber ein zu großes Volumen, um eine komfortable Autonomie zu erhalten. Außerdem ist die Verteilungslogistik des Wasserstoffs (H₂) noch nicht geographisch verbreitet.
Um diese Probleme zu lösen, ist es bekannt, Wasserstoff (H₂) direkt an Bord des Fahrzeugs ausgehend von Kohlenwasserstoffen zu produzieren, insbesondere von konventionellen Brennstoffen wie Benzin oder natürlichem Gas. Der Wasserstoff (H₂) wird dem Benzin während eines so genannten Reforming-Vorgangs entzogen, der eine Reformer genannte Vorrichtung erfordert.
Das Benzin wird in den Reformer zusammen mit Wasser und Luft eingespritzt. Das Produkt des Reformings ist ein Reformat genanntes Gas, das hauptsächlich aus Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) besteht. Der Reformer weist allgemein einen Brenner auf, der die Wärmeenergie liefert, die notwendig ist, um den Reformer auf einer Betriebstemperatur zu halten. Die Anode der Zelle wird anschließend vom Reformer mit Reformat gespeist.
Die von der Brennstoffzelle produzierte elektrische Leistung ist proportional zu den Durchsätzen von Sauerstoffträger und Kraftstoff, die in die Kathode bzw. die Anode eingespritzt werden. Um die elektrische Leistung, die die Zelle an den Elektromotor liefern soll, zu steuern, ist es also bekannt, die Durchsätze an Sauerstoffträger und Kraftstoff zu variieren, die die Zelle speisen. So wird der Durchsatz des in die Anode eingespritzten Kraftstoffs durch Steuern des Reformers reguliert.
Die Reaktionszeit des Reformers zwischen dem Augenblick, in dem eine Veränderung des Kraftstoffdurchsatzes erforderlich ist, um die Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu variieren, und dem Augenblick, in dem der Kraftstoffdurchsatz tatsächlich variiert, liegt jedoch tatsächlich in der Größenordnung von mehreren Sekunden, wie es die Druckschriften DE 19733117 , EP 1286405 und WO 02/36385 darlegen.
Wenn der Elektromotor eine größere elektrische Leistung anfordert, kann die Zelle die geforderte elektrische Leistung erst nach einer Reaktionszeit von einigen Sekunden liefern, der Zeit, die der Reformer benötigt, um den adäquaten Reformatdurchsatz zu produzieren.
Desgleichen, wenn der Motor weniger Elektrizität anfordert, fährt der Reformer während einiger Sekunden fort, einen überschüssigen Reformatdurchsatz zu produzieren, der nicht von der Brennstoffzelle verbraucht wird.
Um den vorübergehenden Mangel an elektrischer Leistung aufgrund der Latenzzeit des Reformers zu beseitigen, wenn der Motor eine schnelle Erhöhung der Elektrizität anfordert, ist es bekannt, den Elektromotor vorübergehend durch mindestens eine Hilfsbatterie zu speisen.
Um die Anzahl von im Fahrzeug angeordneten Batterien zu begrenzen, ist es bekannt, bei den Verlangsamungen des Fahrzeugs Energie wiederzugewinnen und diese wiedergewonnene Energie in den Batterien zu speichern. Eine solche Lösung ist insbesondere in der Druckschrift EP-A-0.640.503 beschrieben und dargestellt.
Diese Druckschrift schlägt ein Verfahren zur Wiedergewinnung der Energie vor, die von dem Fahrmotor produziert wird, wenn dieser als Stromgenerator arbeitet, d. h. wenn das Fahrzeug verlangsamt, wobei der Motor nicht mehr mit Elektrizität gespeist wird.
Außerdem, wenn die Batterie keinen Strom mehr speichern kann, schlägt diese Druckschrift vor, die überschüssige wiedergewonnene Energie mit Hilfe von Speichermitteln wie einem Wärmespeicher zu speichern.
Der Betrieb des Elektromotors als elektrischer Generator wirkt aber wie eine Motorbremse auf das Fahrzeug. Aus Gründen des Fahrkomforts und der Sicherheit der Insassen muss die Motorbremse gesteuert werden können und ihre Wirkung begrenzt sein.
Die unter diesen Umständen wiedergewonnene Energie muss also aus den oben beschriebenen Gründen der Sicherheit der Insassen des Fahrzeugs reguliert werden. Es ist also nicht möglich, die gesamte Energie wiederzugewinnen, die der Motor unter diesen Umständen produzieren kann.
Außerdem wird die mögliche Energie, die die Brennstoffzelle aufgrund des vom Reformer beim Sinken der Elektrizitätsanforderung des Motors produzierten Reformatüberschusses liefern kann, nicht genutzt.
Um diese Probleme zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren des oben beschriebenen Typs vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte aufweist:

a) einen Bilanzschritt, während dem die mögliche elektrische Leistung, die die Brennstoffzelle augenblicklich liefern kann, in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge berechnet wird, die vom Reformer produziert wird, und während dem die vom Elektromotor und von den Einrichtungen augenblicklich verbrauchten elektrischen Leistungen geschätzt werden; und
b) einen Schritt der Berechnung der überschüssigen elektrischen Leistung, die das Ergebnis der Differenz zwischen der möglichen elektrischen Leistung und der Summe der geschätzten verbrauchten elektrischen Leistungen ist; und
c) einen Schritt der Bestimmung der augenblicklichen Speicherkapazität elektrischer Leistung der Speichermittel, der ausgelöst wird, wenn die überschüssige elektrische Leistung strikt positiv ist;
d) einen Speicherschritt, der ausgelöst wird, wenn die augenblickliche Speicherkapazität größer als die oder gleich der überschüssigen elektrischen Leistung ist, während dem die Brennstoffzelle mit dem ganzen Kraftstoffüberschuss gespeist wird, und während dem die überschüssige elektrische Leistung in den Speichermitteln gespeichert wird;
e) einen Schritt der Verteilung des Kraftstoffüberschusses, der ausgelöst wird, wenn die Speicherkapazität geringer als die überschüssige elektrische Leistung ist, während dem die Brennstoffzelle mit einem ausreichenden Teil des Kraftstoffüberschusses gespeist wird, um die Energiebestände der Speichermittel wiederherzustellen.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung:

– weist das Verfahren zwischen dem Rechenschritt b) und dem Bestimmungsschritt c) einen Zwischenschritt der Rückgewinnungsbremsung b') auf, der ausgelöst wird, wenn die vom Elektromotor verbrauchte elektrische Leistung Null ist, wobei der Elektromotor dann in der Lage ist, als elektrischer Stromgenerator zu arbeiten, und während dem die elektrische Leistung, die vom Elektromotor produziert werden kann, geschätzt und dann zur überschüssigen elektrischen Leistung addiert wird;
– wird während des Speicherschritts d) und des Verteilungsschritts e) die vom Elektromotor produzierte elektrische Leistung in den Speichermitteln prioritär bezüglich der überschüssigen Leistung gespeichert, die von der Brennstoffzelle produziert wird;
– wird der verbleibende Teil des Kraftstoffüberschusses verbrannt;
– wird der verbleibende Teil des Kraftstoffüberschusses in einem Tank gespeichert;
- weisen die Speichermittel elektrische Batterien auf;
– weisen die Speichermittel einen Wärmespeicher auf, in dem die überschüssige elektrische Leistung in Form von Wärmeenergie mittels einer Kompressionskältevorrichtung gespeichert wird;
– weisen die Speichermittel einen Behälter auf, der ein Fluid enthält und in dem die Energie in Form von mechanischer Energie gespeichert wird, mittels einer Pumpe, die den Druck des Fluids verändert.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung der elektrischen Energie in einem Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, von dem Typ, der eine Brennstoffzelle, die den Elektromotor speist, und elektrische Einrichtungen aufweist, und der mit Kraftstoff, und insbesondere Wasserstoff (H₂), über einen Reformer gespeist wird, dessen Kraftstoffdurchsatz in Abhängigkeit vom Stromverbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors gesteuert wird, und der vorübergehend einen Kraftstoffüberschuss produziert, wenn der Verbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors abnimmt, und von dem Typ, der Energiespeichermittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie die vom Fahrmotor produzierte überschüssige wiedergewonnene Energie und die von der Brennstoffzelle gelieferte Energie mit Hilfe des vom Reformer produzierten Reformatüberschusses reguliert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, für deren Verständnis auf die beiliegenden Figuren verwiesen wird. Es zeigen:
1 schematisch ein von einem Elektromotor angetriebenes und mit einer Elektrizitätserzeugungsanlage und mit Energiespeichermitteln gemäß den Lehren der Erfindung ausgestattetes Kraftfahrzeug;
2 ein Schaltbild, das die in 1 gezeigte Elektrizitätserzeugungsanlage im Detail darstellt;
3 ein Diagramm, das die Hauptschritte des Verfahrens zeigt, das gemäß den Lehren der Erfindung ausgeführt wird.
In 1 ist schematisch ein hier von einem Elektromotor 10 angetriebenes Fahrzeug dargestellt, der hauptsächlich von einer Elektrizitätserzeugungsanlage 12 gespeist wird, die sich an Bord des Fahrzeugs befindet. Die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 weist insbesondere eine Brennstoffzelle 14 auf, die in 2 dargestellt ist.
Das Fahrzeug weist auch eine Hilfstraktionsbatterie 16 auf, die dazu bestimmt ist, die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 unter Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zu vertreten, die in der nachfolgenden Beschreibung erläutert werden.
Nun wird im Einzelnen die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 beschrieben, die in 2 dargestellt ist.
Die Brennstoffzelle 14 liefert Elektrizität, wenn sie mit einem Sauerstoffträger und mit Kraftstoff gespeist wird. Die Brennstoffzelle 14 weist eine Anode 18 und eine Kathode 20 auf, die hier von einer Polymermembran 22 getrennt werden, die einen Elektrolyten bildet.
Die Kathode 20 weist eine kathodenseitige Zuführöffnung 24 auf, über die sie mit einem Sauerstoffträger, hier Luft, gespeist wird.
Desgleichen weist die Anode 18 eine anodenseitige Zuführöffnung 26 auf, über die sie mit Kraftstoff gespeist wird, der hier ein Reformat ist, das insbesondere aus Wasserstoff (H₂) besteht, und sie weist eine anodenseitige Abfuhröffnung 28 auf, über die der restliche Kraftstoff oder das Restreformat abgeführt wird.
Die Anlage 12 weist einen ersten Kreis 30 zur Speisung der Kathode 20 mit Sauerstoffträger, und insbesondere mit Luft, auf, und sie weist einen zweiten Kreis 32 zur Speisung der Anode 18 mit Kraftstoff, und insbesondere mit Wasserstoff (H₂), auf.
Der erste Kreis 30 zur Speisung der Kathode 20 besteht insbesondere aus einem Ansaugmodul 34 von atmosphärischer Luft, in den die atmosphärische Luft über einen Eingangsabschnitt 36 angesaugt wird und der die Kathode 20 über eine kathodenseitige Zufuhrleitung 38 mit Luft speist, die an die kathodenseitige Zufuhröffnung 24 angeschlossen ist. Der Luftansaugmodul 34 ist insbesondere dazu bestimmt, den in die Kathode 20 angesaugten Luftdurchsatz zu regulieren.
Der zweite Kreis 32 zur Speisung der Anode 18 besteht hauptsächlich aus einem Tank 40, der einen Kohlenwasserstoff wie Benzin enthält, und aus einem Reformer 42.
Ein Kohlenwasserstoff-Zufuhrstutzen 44 ist über ein erstes Ende mit dem Tank 40 und über ein zweites Ende mit einer Eingangsöffnung 45 des Reformers 42 verbunden. Eine Kohlenwasserstoffpumpe 46, die in den Kohlenwasserstoff-Zufuhrstutzen 44 zwischengefügt ist, ist dazu bestimmt, den im Tank 40 enthaltenen Kohlenwasserstoff zum Reformer 42 anzusaugen. Ein Luftzufuhrabschnitt 48 ist über ein erstes Ende mit dem Luftansaugmodul 34 und über ein zweites Ende mit einer Luftansaugöffnung 50 des Reformers 42 verbunden.
Der Reformer 42 ist hier dazu bestimmt, den im Kohlenwasserstoff enthaltenen Wasserstoff (H₂) zu entziehen. Zu diesem Zweck muss der Reformer 42 insbesondere mit Luft gespeist werden, die über den Luftzufuhrabschnitt 48 bis zum Reformer 42 befördert wird.
Nach dem Entzug des Wasserstoffs (H₂) stößt er über eine Ausgangsöffnung 52 einen Wasserstoff (H₂) enthaltenden Kraftstoff oder Reformat in den Zufuhrstutzen 54 der Anode 18 aus, der an die anodenseitige Zufuhröffnung 26 angeschlossen ist.
Beim Betrieb der Brennstoffzelle 14 verbraucht die Anode 18 einen Teil des im Reformat enthaltenen Wasserstoffs (H₂), während das Restreformat über die anodenseitige Abfuhröffnung 28 ausgestoßen wird.
Die anodenseitige Abfuhröffnung 28 mündet in einen anodenseitigen Abfuhrstutzen 56, der das Restreformat bis zu einer Zufuhröffnung 58 eines Brenners (nicht dargestellt) leitet, der in den Reformer 42 integriert ist. Der Brenner ist insbesondere dazu bestimmt, das Restreformat zu verbrauchen, um die für den Betrieb des Reformers 42 notwendige Wärme zu liefern.
Die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 speist so einen Stromkreis 60 des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, der insbesondere den Elektromotor 10 über einen Umrichter 62 mit Elektrizität speist. Der Stromkreis 60 ist in durchgehenden Pfeilstrichen in 1 dargestellt.
Der so gespeiste Elektromotor 10 wandelt die empfangene elektrische Leistung in ein Antriebsdrehmoment um, das anschließend an die Räder 64 des Fahrzeugs über einen Getriebemechanismus 66 übertragen wird.
Die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 speist auch elektrische Einrichtungen 68 des Fahrzeugs, wie zum Beispiel Scheinwerfer oder Scheibenwischer.
Die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 14 geliefert wird, und die für den Elektromotor 10 und/oder für die elektrische Einrichtungen 68 erforderlich ist, kann je nach den Fahrbedingungen und/oder den Befehlen des Fahrers des Fahrzeugs variieren. Der Fahrer verfügt nämlich über eine Steuervorrichtung der Beschleunigung 70 des Fahrzeugs, wie ein Gaspedal.
Die von der Brennstoffzelle 14 gelieferte elektrische Leistung ist proportional zu den Durchsätzen an Kraftstoff und an Sauerstoffträger, die in die Anode 18 und in die Kathode 20 eingespeist werden. Der in die Anode 18 eingespeist Kraftstoffdurchsatz wird aber vom Reformer 42 erzeugt.
Das Fahrzeug weist eine elektronische Steuereinheit 72 auf, die also einerseits den Luftdurchsatz in der Kathode 20 über den Luftansaugmodul 34 und andererseits den Kraftstoffdurchsatz in der Anode 18 steuert, indem sie den Durchsatz an Kohlenwasserstoff, mittels der Kohlenwasserstoffpumpe 46, Luft und Wasser reguliert, die in den Reformer 42 angesaugt werden.
Die Verbindungen zwischen der elektronischen Steuereinheit 72 und den verschiedenen Organen des Fahrzeugs sind in den 1 und 2 gestrichelt dargestellt.
Wenn der Fahrer für den Elektromotor 10 eine größere elektrische Leistung fordert, steuert die elektronische Steuereinheit 72 den Luftansaugmodul 34 und die Kohlenwasserstoffpumpe 46 so, dass die Durchsätze an Sauerstoffträger und an Kraftstoff an die geforderte Erzeugung von elektrischer Leistung angepasst werden.
Der Reformer 42 kann auf diese Steuerung aber erst nach einer nicht vernachlässigbaren Latenzzeit reagieren, die zum Beispiel in der Größenordnung von einigen Sekunden liegt. Die elektronische Steuereinheit 72 steuert nämlich die Durchsätze an Kohlenwasserstoff, Luft und Wasser, die in den Reformer 42 angesaugt werden. Die Latenzzeit ist die Zeit, die der Reformer 42 benötigt, um den Kohlenwasserstoff, die Luft und das Wasser in Reformat umzuwandeln. Die Veränderung des Durchsatzes an Kohlenwasserstoff durch die elektronische Steuereinheit 72 wirkt sich auf den Kraftstoffdurchsatz am Ausgang des Reformers 42 also erst aus, wenn die Latenzzeit abgelaufen ist. Während dieser Latenzzeit, und wenn die elektronische Steuereinheit 72 ein Absenken des Kraftstoffdurchsatzes fordert, fährt der Reformer 42 fort, einen Kraftstoffüberschuss zu erzeugen.
Die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 enthält also eine Umleitungsleitung 74 des Kraftstoffüberschusses, die über ihr erstes Ende mit der kathodenseitigen Zufuhrleitung 38 verbunden ist, und die über ihr zweites Ende mit dem Brenner des Reformers 42 verbunden ist. Diese Umleitungsleitung 74 ist insbesondere dazu bestimmt, den Kraftstoffüberschuss direkt zum Brenner umzuleiten, damit der Kraftstoffüberschuss verbrannt wird.
Außerdem ist die Hilfstraktionsbatterie 16 dazu bestimmt, vorübergehend die Elektrizitätserzeugungsanlage 12 zu vertreten, wenn der Elektromotor 10 eine Erhöhung der elektrischen Leistung fordert. Die Hilfsbatterie 16 ist elektrisch mit dem Elektromotor 10 sowie mit den elektrischen Einrichtungen 68 über den elektrischen Stromkreis 60 verbunden.
Außer der normalerweise von der Elektrizitätserzeugungsanlage 12 in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Bedarf an elektrischer Energie des Fahrzeugs gelieferten Elektrizität kann das Fahrzeug vorübergehend einen Überschuss an elektrischer Energie liefern.
So kann der Elektromotor 10 des Fahrzeugs als elektrischer Stromgenerator arbeiten, wenn das Fahrzeug in der Verlangsamungsphase ist und der Elektromotor 10 nicht mit elektrischem Strom gespeist wird. Der Motor, der dann von den Rädern 64 über den Getriebemechanismus 66 in Drehung versetzt wird, kann dann elektrischen Strom liefern.
Die Erzeugung von elektrischer Energie durch den Elektromotor 10 wirkt aber wie eine Bremse auf das Fahrzeug. Um den Fahrer nicht zu überraschen und die Verlangsamung des Fahrzeugs vorhersehbar zu machen, wird der Betrieb des Elektromotors 10 als Generator also von der elektronischen Steuereinheit 72 reguliert.
Der Kraftstoffüberschuss, der von dem Reformer 42 erzeugt wird, wenn die für den Motor erforderliche elektrische Leistung sinkt, ist traditionell dazu bestimmt, direkt wieder in den Reformer 42 eingespritzt zu werden, um verbrannt zu werden. Die Erfindung schlägt aber ein Verfahren vor, um zumindest einen Teil der Energie wiederzugewinnen, die die Brennstoffzelle 14 ausgehend von diesem Kraftstoffüberschuss liefern kann.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die elektrische Leistung, die an Bord des Fahrzeugs geliefert werden kann, die aber nicht augenblicklich vom Elektromotor 10 und/oder den elektrischen Einrichtungen 68 verbraucht werden kann, als "wiedergewonnene" elektrische Leistung bezeichnet.
Das Fahrzeug weist verschiedene Vorrichtungen auf, die unter verschiedenen Formen die wiedergewonnene elektrische Energie speichern können.
In dieser Ausführungsform weist das Fahrzeug insbesondere einen Wärmespeicher 76, einen Druckspeicher 78, einen Vakuumspeicher 80 und die Hilfstraktionsbatterie 16 auf.
Die Speicherung der elektrischen Energie in einem Wärmespeicher 76 ist insbesondere in der französischen Patentanmeldung Nr. 01-01720 beschrieben und dargestellt. Der Wärmespeicher 76 ist hier Teil einer (nicht dargestellten) Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs. Die wiedergewonnene elektrische Energie wird insbesondere verwendet, um einen Kompressor 82 der Klimatisierungsvorrichtung arbeiten zu lassen, der, anstatt den Fahrzeuginnenraum zu kühlen, den Wärmespeicher 76 kühlt. Die so gespeicherte Kälte ist dazu bestimmt, später von der Klimatisierungsvorrichtung verwendet zu werden, die dann weniger elektrische Energie benötigt, um zu arbeiten.
Der Druckspeicher 78 ist hier in eine Servolenkungsvorrichtung (nicht dargestellt) integriert, die insbesondere ein hydraulisches Elektropumpenaggregat 84 aufweist. Die wiedergewonnene Elektrizität wird hier verwendet, um die Elektropumpe 84 arbeiten zu lassen, die ein Fluid komprimiert, das im Druckspeicher 78 enthalten ist. Die elektrische Energie wird so in mechanische Energie umgewandelt, die im Druckspeicher 78 gespeichert wird.
Der Vakuumspeicher 80 ist hier in eine Bremsassistenzvorrichtung (nicht dargestellt) des Fahrzeugs integriert, die eine Vakuumpumpe 86 aufweist.
Die wiedergewonnene Elektrizität wird verwendet, um die Vakuumpumpe 86 zu speisen, die ein im Vakuumspeicher 80 enthaltenes Fluid ansaugt. Die elektrische Energie wird so in mechanische Energie umgewandelt, die im Vakuumspeicher 80 gespeichert wird.
Die wiedergewonnene Elektrizität kann auch direkt in der Hilfstraktionsbatterie 16 gespeichert werden.
Nun wird im Detail das Verfahren zur Wiedergewinnung und Speicherung von Energie gemäß den Lehren der Erfindung unter Bezug auf 3 und unter Verwendung der oben beschriebenen Organe des Fahrzeugs beschrieben.
Das Verfahren weist hauptsächlich die folgenden Schritte auf:

a) einen Bilanzschritt, während dem die mögliche elektrische Leistung P_zelle ⁺, die die Brennstoffzelle 14 augenblicklich liefern kann, in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge berechnet wird, die vom Reformer 42 produziert wird, und während dem die vom Elektromotor 10 und von den Einrichtungen 68 augenblicklich verbrauchten elektrischen Leistungen P_mot ^– und P_ein ^– geschätzt werden; und
b) einen Schritt der Berechnung der wiedergewinnbaren oder überschüssigen elektrischen Leistung P_wiederg, die das Ergebnis der Differenz zwischen der möglichen elektrischen Leistung P_zelle ⁺ und der Summe der geschätzten verbrauchten elektrischen Leistungen (P_mot ^– + P_ein ^–) ist; und
b') einen Zwischenschritt des Rückgewinnungsbremsens, der ausgelöst wird, wenn die vom Elektromotor 10 verbrauchte elektrische Leistung P_mot ^– Null ist, wobei der Elektromotor 10 dann als elektrischer Stromgenerator arbeiten kann, und während dem die elektrische Leistung P_bremse ⁺, die vom Elektromotor 10 geliefert werden kann, geschätzt und dann zur wiedergewinnbaren elektrischen Leistung P_wiederg addiert wird;
c) einen Schritt der Bestimmung der augenblicklichen Speicherkapazität C elektrischer Leistung der Speichermittel, der ausgelöst wird, wenn die überschüssige elektrische Leistung P_wiederg strikt positiv ist;
d) einen Speicherschritt, der ausgelöst wird, wenn die augenblickliche Speicherkapazität C größer als die oder gleich der überschüssigen elektrischen Leistung P_wiederg ist, während dem die Brennstoffzelle 14 mit dem ganzen Kraftstoffüberschuss gespeist wird, und während dem die überschüssige elektrische Leistung P_wiederg in den Speichermitteln gespeichert wird;
e) einen Schritt der Verteilung des Kraftstoffüberschusses, der ausgelöst wird, wenn die Speicherkapazität C geringer als die überschüssige elektrische Leistung P_wiederg ist, während dem die Brennstoffzelle 14 mit einem ausreichenden Teil des Kraftstoffüberschusses gespeist wird, um die Energiebestände der Speichermittel wiederherzustellen.

Im Schritt a) des Verfahrens wird die augenblickliche elektrische Leistung P_zelle ⁺, die die Brennstoffzelle 14 ausgehend vom augenblicklichen Kraftstoffdurchsatz liefern kann, der vom Reformer 42 geliefert wird, von der elektronische Steuereinheit 72 geschätzt und gespeichert. Der Kraftstoffdurchsatz wird zum Beispiel von einem geeigneten Sensor gemessen, der sich am Ausgang des Reformers 42 befindet, wobei der Messwert anschließend an die elektronische Steuereinheit 72 übertragen wird.
Die vom Elektromotor 10 verbrauchte augenblickliche elektrische Leistung P_mot ^– wird auch von der elektronischen Steuereinheit 72 geschätzt und gespeichert, zum Beispiel ausgehend von der Stellung des Gaspedals 70, das vom Fahrer betätigt wird.
Schließlich wird die von den elektrischen Einrichtungen 68 des Fahrzeugs verbrauchte augenblickliche elektrische Leistung Pein von der elektronische Steuereinheit 72 geschätzt und gespeichert ausgehend von Messungen, die von verschiedenen Sensoren (nicht dargestellt) durchgeführt werden, die dann an die elektronische Steuereinheit 72 über elektrische Verbindungen geschickt werden.
Anschließend wird im Rechenschritt b) des Verfahrens die wiedergewinnbare oder überschüssige elektrische Leistung P_wiederg, die das Ergebnis der Differenz zwischen der möglichen elektrischen Leistung P_zelle ⁺ und der verbrauchten Summe der geschätzten elektrischen Leistungen (P_mot ^– + P_ein ^–) ist, von der elektronischen Steuereinheit 72 ausgehend von diesen drei Typen von gespeicherten Werten berechnet.
Die überschüssige elektrische Leistung P_wiederg ist tatsächlich die elektrische Leistung, die das Fahrzeug 10 ausgehend von dem vom Reformer 42 produzierten Kraftstoffüberschuss wiedergewinnen kann.
Wenn der berechnete Wert geringer als oder gleich Null ist, liefert der Reformer 42 keinen überschüssigen Kraftstoff, und die Brennstoffzelle 14 kann also keine wiedergewinnbare elektrische Energie liefern.
Wenn dagegen der berechnete Wert größer als Null ist, liefert der Reformer 42 überschüssigen Kraftstoff, und somit kann überschüssige elektrische Energie von der Brennstoffzelle 14 an das Fahrzeug geliefert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, unabhängig vom Ergebnis des Schritts b), ist es notwendig zu bestimmen, ob das Fahrzeug durch Rückgewinnungsbremsen Energie erzeugen kann.
Wenn die für den Elektromotor 10 erforderliche elektrische Leistung P_mot ^– Null ist, und wenn die Geschwindigkeit V des Motors strikt höher ist als Null, befindet sich das Fahrzeug in der Situation des Rückgewinnungsbremsens. Der Zwischenschritt b') wird also von der elektronischen Steuereinheit 72 ausgelöst, um die wiedergewinnbare elektrische Leistung in der Situation des Rückgewinnungsbremsens P_bremse ⁺ zu schätzen.
Ansonsten wird angenommen, dass das Fahrzeug nicht in einer Situation des Rückgewinnungsbremsens ist, und der Schritt c) wird direkt von der elektronischen Steuereinheit 72 ausgelöst.
Im Zwischenschritt b') wird die elektrische Leistung P_bremse ⁺, die der Elektromotor 10 beim Rückgewinnungsbremsen liefern kann, von der elektronischen Steuereinheit 72 geschätzt. Diese Schätzung berücksichtigt die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs, sowie die Ergonomie und den Komfort der Fahrgäste. Diese geschätzte Leistung P_bremse ⁺ wird dann zur vorher berechneten wiedergewinnbaren Leistung P_wiederg hinzugefügt. Diese Summe bildet dann den neuen Wert der vom Fahrzeug wiedergewinnbaren Leistung P_wiederg. Anschließend wird im Schritt c) ein Test von der elektronischen Steuereinheit 72 durchgeführt, um zu bestimmen, ob elektrische Energie im Fahrzeug wiedergewonnen werden kann. Wenn die wiedergewinnbare Leistung P_wiederg strikt über einer Schwelle liegt, die hier den Wert Null hat, löst die elektronische Steuereinheit 72 die Folge des Schritts c) aus. Sonst heißt das, dass es keine wiedergewinnbare elektrische Energie gibt, die elektronische Steuereinheit 72 unterbricht und reinitialisiert also das Verfahren.
Die augenblickliche Energiespeicherkapazität C an Bord des Fahrzeugs wird von der elektronischen Steuereinheit 72 bestimmt.
Während dieses Schritts wird die elektrische Leistung C1, die in die Hilfstraktionsbatterie 16 geladen werden kann, von der elektronischen Steuereinheit 72 berechnet, indem sie sich zum Beispiel auf den Ladezustand der Batterie 16 und ihre Temperatur basiert.
Wenn die Klimatisierungsvorrichtung vom Fahrer aktiviert wird, aber der Klimatisierungskompressor ausgeschaltet ist, und wenn der Wärmespeicher 76 keinen Mindesttemperaturschwellwert erreicht hat, wird die elektrische Leistung C2, die vom Kompressor 82 der Klimatisierungsvorrichtung gefordert wird, um den Wärmespeicher 76 bis zum Mindesttemperaturschwellwert zu kühlen, von der elektronischen Steuereinheit 72 berechnet.
Wenn der Druck im Inneren des Vakuumspeichers 80 über einem maximalen Druckschwellwert liegt, wird die elektrische Leistung C3, die von der Vakuumpumpe 86 gefordert wird, um den Druck im Vakuumspeicher 80 bis auf den Mindestdruckschwellwert abzusenken, von der elektronischen Steuereinheit 72 berechnet.
Wenn der Druck im Inneren des Druckspeichers 78 unter einem Mindestdruckschwellwert liegt, wird die elektrische Leistung C4, die von der Elektropumpe 84 gefordert wird, um den Druck innerhalb des Druckspeichers 78 bis auf den maximalen Druckschwellwert anzuheben, von der elektronischen Steuereinheit 72 berechnet.
Die augenblickliche Energiespeicherkapazität C an Bord des Fahrzeugs ist gleich der Summe dieser elektrischen Leistungen (C1 + C2 + C3 + C4).
Schließlich wird die augenblicklich wiedergewinnbare elektrische Leistung P_wiederg von der elektronischen Steuereinheit 72 mit der augenblicklichen Speicherkapazität C verglichen.
Wenn die Speicherkapazität C größer ist als die wiedergewinnbare Leistung P_wiederg, wird der Speicherschritt d) ausgelöst. Die elektronische Steuereinheit 72 steuert das Laden der Energiebestände 16, 76, 78, 80 unter Verwendung der vom Elektromotor 10 gelieferten elektrischen Energie und unter Speisen der Brennstoffzelle 14 mit der Gesamtheit des Kraftstoffüberschusses.
Ansonsten wird der Verteilungsschritt e) ausgelöst. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung steuert die elektronische Steuereinheit 72 die Verteilung der elektrischen Leistung P_bremse ⁺, die vom Elektromotor 10 geliefert wird, in die verschiedenen Energiespeicherzonen 16, 76, 78, 80 des Fahrzeugs.
Wenn die augenblickliche Speicherkapazität C immer noch über Null ist, steuert die elektronische Steuereinheit dann 72 die Speisung der Brennstoffzelle 14 mit der notwendigen Kraftstoffmenge, um die Energiebestände vollständig aufzuladen, wobei der Rest des Kraftstoffüberschusses über die Umleitungsleitung 74 direkt zum Reformer 42 umgeleitet wird, um dort verbrannt zu werden.
Ansonsten wird der überschüssige Kraftstoff über die Umleitungsleitung 74 vollständig zum Reformer 42 umgeleitet, um dort verbrannt zu werden.
Am Ende eines Zyklus des Verfahrens werden alle Werte auf Null zurückgestellt, und das Verfahren wird bis zum völligen Stillstand des Fahrzeugs wiederholt.
Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Kraftstoffüberschuss, der durch die Umleitungsleitung 74 umgeleitet wird, bis zu einem vorübergehenden Speichertank des Kraftstoffs geleitet.

Claims

Verfahren zur Wiedergewinnung der elektrischen Energie in einem Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor (10) angetrieben wird, von dem Typ, der eine Brennstoffzelle (14), die den Elektromotor (10) speist, und elektrische Einrichtungen (68) aufweist, und der mit Kraftstoff, und insbesondere Wasserstoff (H₂), über einen Reformer (42) gespeist wird, dessen Kraftstoffdurchsatz in Abhängigkeit vom Stromverbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors (10) gesteuert wird, und der vorübergehend einen Kraftstoffüberschuss produziert, wenn der Verbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors (10) abnimmt, und von dem Typ, der Energiespeichermittel (16, 76, 78, 80) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist: a) einen Bilanzschritt, während dem die mögliche elektrische Leistung (P_zelle ⁺), die die Brennstoffzelle (14) augenblicklich liefern kann, in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge berechnet wird, die vom Reformer (42) produziert wird, und während dem die vom Elektromotor (10) und von den Einrichtungen (68) augenblicklich verbrauchten elektrischen Leistungen (P_mot ^–, P_ein-) geschätzt werden; und b) einen Schritt der Berechnung der überschüssigen elektrischen Leistung (P_wiederg), die das Ergebnis der Differenz zwischen der möglichen elektrischen Leistung (P_zelle ⁺) und der Summe der geschätzten verbrauchten elektrischen Leistungen (P_mot ^– + P_ein-) ist; und c) einen Schritt der Bestimmung der augenblicklichen Speicherkapazität (C) elektrischer Leistung der Speichermittel (16, 76, 78, 80), der ausgelöst wird, wenn die überschüssige elektrische Leistung (P_wiederg) strikt positiv ist; d) einen Speicherschritt, der ausgelöst wird, wenn die augenblickliche Speicherkapazität (C) größer als die oder gleich der überschüssigen elektrischen Leistung (P_wiederg) ist, während dem die Brennstoffzelle (14) mit dem ganzen Kraftstoffüberschuss gespeist wird, und während dem die überschüssige elektrische Leistung (P_wiederg) in den Speichermitteln (16, 76, 78, 80) gespeichert wird; e) einen Schritt der Verteilung des Kraftstoffüberschusses, der ausgelöst wird, wenn die Speicherkapazität (C) geringer als die überschüssige elektrische Leistung (P_wiederg) ist, während dem die Brennstoffzelle (14) mit einem ausreichenden Teil des Kraftstoffüberschusses gespeist wird, um die Energiebestände der Speichermittel (16, 76, 78, 80) wiederherzustellen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen dem Rechenschritt b) und dem Bestimmungsschritt c) einen Zwischenschritt der Rückgewinnungsbremsung b') aufweist, der ausgelöst wird, wenn die vom Elektromotor (10) verbrauchte elektrische Leistung (P_mot ^–) Null ist, wobei der Elektromotor (10) dann in der Lage ist, als Stromgenerator zu arbeiten, und während dem die elektrische Leistung (P_bremse), die vom Elektromotor (10) produziert werden kann, geschätzt und dann zur überschüssigen elektrischen Leistung (P_wiederg) addiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während des Speicherschritts d) und des Verteilungsschritts e) die vom Elektromotor (10) produzierte elektrische Leistung (P_bremse) in den Speichermitteln (16, 76, 78, 80) prioritär bezüglich der überschüssigen Leistung (P_zelle ⁺ – P_mot ^– – P_ein ^–) ein gespeichert wird die von der Brennstoffzelle (14) produziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verbleibende Teil des Kraftstoffüberschusses verbrannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verbleibende Teil des Kraftstoffüberschusses in einem Tank gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel elektrische Batterien (16) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel einen Wärmespeicher (76) aufweisen, in dem die überschüssige elektrische Leistung (P_wiederg) in Form von Wärmeenergie mittels einer Kompressionskältevorrichtung (82) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel einen Behälter (78, 80) aufweisen, der ein Fluid enthält und in dem die Energie in Form von mechanischer Energie gespeichert wird, mittels einer Pumpe (84, 86), die den Druck des Fluids verändert.
Vorrichtung zur Wiedergewinnung der elektrischen Energie in einem Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor (10) angetrieben wird, von dem Typ, der eine Brennstoffzelle (14), die den Elektromotor (10) speist, und elektrische Einrichtungen (68) aufweist, und der mit Kraftstoff, und insbesondere Wasserstoff (H₂), über einen Reformer (42) gespeist wird, dessen Kraftstoffdurchsatz in Abhängigkeit vom Stromverbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors (10) gesteuert wird, und der vorübergehend einen Kraftstoffüberschuss produziert, wenn der Verbrauch (P_mot ^–) des Elektromotors (10) abnimmt, und von dem Typ, der Energiespeichermittel (16, 76, 78, 80) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie die augenblickliche Speicherkapazität (C) von elektrischer Leistung der Speichermittel (16, 76, 78, 80) bestimmt.