用于预测性地运行燃料电池或高压电池的方法与流程

本发明涉及一种用于预测性地运行燃料电池或高压电池的方法。

背景技术：

用于移动应用(如机动车)的燃料电池由现有技术公开。在其最简单的形式中，燃料电池是电化学能量转换器，其将燃料和氧化剂转换为反应产物并且同时产生电和热。例如在这样的燃料电池中将氢气用作燃料并且将空气或氧气用作氧化剂。在燃料电池中反应的反应产物是水。气体在此被送入相应的扩散电极中，这些扩散电极通过固体或液体电解质彼此分开。电解质将带电粒子输送到两个电极之间。在这样的燃料电池中出现以下问题：燃料电池系统遭受不断变化的条件。目前的燃料电池系统根据当前值调节其额定参数。燃料电池系统在此不在或者不总是在最佳工作点中运行。

技术实现要素：

本发明的任务在于，减少或克服上述缺点。本发明的任务通过权利要求1的技术方案解决。从属权利要求构成有利的方案。

根据在此公开的技术，燃料电池系统包括至少一个燃料电池和外围系统组件(亦称为辅助系统组件或者说BOP组件)，所述外围系统组件可在所述至少一个燃料电池运行时使用。所述外围系统组件例如是氧化剂输送机、电压转换器、冷却剂泵和/或控制阀。燃料电池包括阳极和阴极，它们尤其是通过离子选择性的分隔器分开。阳极具有将燃料供应至阳极的供应装置。换言之，阳极在燃料电池系统运行时与燃料储存器流体连通。优选的用于燃料电池系统的燃料是：氢、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极例如具有氧化剂供应装置。优选的氧化剂例如是空气、氢气和过氧化物。所述离子选择性的分隔器例如可构造为质子交换膜(proton exchange membrance、PEM)。优选使用阳离子选择性的聚合物电解质膜。用于这样的膜的材料包括：和在此，为简单起见，通常讨论具有一个燃料电池的系统。当下面以单数说明系统元件时，则也应一并包括复数。例如可设有多个燃料电池并且有时可设有多个BOP组件。

所公开的技术包括一种用于预测性地运行燃料电池的方法。该方法包括以下步骤：检测至少一个外部参数P_ext，所述至少一个外部参数P_ext代表驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息。所述至少一个外部参数不属于燃料电池或燃料电池系统的参数。驾驶行为信息例如是关于驾驶员驾驶行为的信息。导航信息例如是地理信息、路线或交通信息。环境信息例如是天气信息或关于特定空间的信息。

该方法还包括以下步骤：基于所述至少一个外部参数P_ext预测燃料电池的至少一个潜在运行参数P_BZpot。“预测”在此理解为推导或计算或近似计算未来或预期或潜在的运行参数P_BZpot。“预测”也可仅指获取输入或传输的未来的额定参数。例如控制装置可以将外部参数的经验值与检测到的外部参数进行比较。基于检测到的外部参数以及经验值，控制装置随后可预测潜在的运行参数。这样的预测例如在如下情况下可以省却，即，控制装置构造成，使得该控制装置在考虑所述至少一个外部参数的情况下可以直接确定新的额定运行参数。

该方法可包括以下步骤：基于所述至少一个外部参数P_ext调节燃料电池的至少一个当前额定运行参数P_BZsoll。有利的是，该调节还可在考虑当前运行参数的情况下进行。所述方法还可包括以下步骤：基于潜在的运行参数P_BZpot来调节燃料电池的所述至少一个当前额定运行参数P_BZsoll。

可这样调节燃料电池的所述至少一个额定运行参数P_BZsoll，使得反作用于额定运行参数P_BZsoll基于所述至少一个外部参数P_ext的潜在变化。

因此有利的是，预见性地提前已经影响燃料电池的运行，使得不发生即将到来的运行状态恶化。这种对燃料电池在未来工作点或运行状态的预见的运行方式能实现具有更高系统性能的更高效运行。

所述至少一个额定运行参数P_BZsoll可基于负载范围和动态要求而变化。换言之，控制装置在改变一个或多个额定运行参数时还考虑1)由燃料电池或燃料电池系统平均提供的当前和/或预测的平均(额定)功率和2)当前和/或预测的(额定)动态要求。

动态要求例如可通过由驾驶员要求的每单位时间的功率变化来描述。例如可检测每分钟出现多少(和什么幅度的)负载跃变。动态要求因此代表驾驶员的驾驶风格或者说是瞬时功率的额定功率变化曲线。

优选的是，所述至少一个额定运行参数是下组中的一个参数：

－燃料电池的额定温度；

－燃料电池的额定含水量；

－阳极上的最大氮气分压；

－阳极上的额定燃料分压；和/或

－阴极上的额定氧化剂分压。

在此所公开的技术的意义上，燃料电池的运行参数是直接分配给燃料电池本身的运行参数。这里不包括BOP组件的可能的运行参数、例如冷却剂回路的冷却剂箱的液位。

影响燃料电池运行参数的调节参数由现有技术公开。例如可通过冷却剂回路调节燃料电池的温度。通过化学计量和阳极及阴极上的压力例如可调节燃料量和氧化剂量以及含水量。含水量以及燃料和氮气的浓度或者说它们的分压例如可通过阳极电路中的再循环率来影响。

燃料电池的额定温度在此包括燃料电池或燃料电池堆的平均温度以及在燃料电池或燃料电池堆中的实际的额定温度分布(例如燃料电池或燃料电池堆的输入端和输出端上的额定温度)。

代表导航信息的外部参数例如是导航参数，该导航参数包括地理信息，如位置信息、路线信息和/或高度曲线信息。导航信息还是关于行驶周期的信息，亦即由城市、农村和/或高速公路占总行驶路线比例的组合。其它导航信息例如是坡度增加(上坡)的较长行程，其可能经常导致燃料电池在高负载范围内运行。其它导航信息例如也是交通信息、如当前或未来的交通延误。例如当前的拥堵报告或基于事件、上下班交通、特殊事件和活动(如群众集会等)而可预见的交通拥堵属于导航信息。

环境信息例如可以是当前或未来的天气和/或空间信息，如温度、空气湿度、雨量、风速、气压等。空间例如可以是停放地点，如车库。

代表驾驶员行为的驾驶行为信息例如是超车频率；城市中、农村和高速公路上的速度分布；换挡行为等。优选的是，车辆控制装置可借助测量值、特定于驾驶员的输入和/或特定于驾驶员的系统来识别驾驶员。特定于驾驶员的系统例如是密码编码或配属于驾驶员的与汽车关联的移动电话。特定于驾驶员的输入例如是驾驶风格选择或所存储的并且分配给驾驶员的座椅位置的选择、可明确分配的驾驶路线(上班路线)、后视镜设定等。另一驾驶员识别装置例如是面部识别装置。

为了检测驾驶行为，尤其是也可使用车辆传感装置或可能的输入元件。例如可考虑以下因素：倾斜传感器、行驶动力学、横向加速度传感器、踏板动力学的识别、试图超车的识别、驾驶体验开关、速度分布、用于散热器质量流量的泵位置、气动元件(如后导流板等)的位置。控制装置优选能够分析驾驶行为并且将其分配给驾驶员。驾驶行为分析能够允许更准确地预测功率需求并且预见性地运行燃料电池。有利地涉及有学习能力的控制装置(如基于模糊逻辑)。有利的是，控制装置也例如可以借助检测的外部参数来分析重复性条件和事件。优选的是，控制装置不仅能够从驾驶员的驾驶行为来学习，而且也能够评估导航信息和环境信息并且优化地预测潜在的运行参数。例如，控制装置构造用于为驾驶员的重复路线优化燃料电池运行，更确切地说基于对以前行驶的认识。对此的一个应用实例例如是在住所和工作地点之间的频繁的行驶路线。

额定运行参数P_BZsoll可以是燃料电池的额定温度和/或阳极上的最大氮气分压。当预测燃料电池在高负载范围内运行时，可降低额定温度和/或最大氮气分压，尤其是当只能实现低冷却效率时如此。

燃料电池的额定运行参数P_BZsoll例如可以是燃料电池的额定含水量和/或阳极上的额定燃料分压。在预测燃料电池于高负载范围内运行时可增加燃料电池的额定含水量和/或阳极上的额定燃料分压，尤其是当只能实现低冷却效率时如此。

高负载范围是指燃料电池或燃料电池系统连续运行时功率的约70％至约100％的负载范围。中等负载范围例如是指燃料电池或燃料电池系统连续运行时功率的约20％至约70％的负载范围。低负载范围例如是指燃料电池或燃料电池系统连续运行时功率的约0％至约20％的负载范围。作为连续运行在此是指燃料电池或燃料电池系统在一定的较长时间段、如一个路线区段(如上坡行驶、堵塞)的持续时间上平均产生的平均负载范围或平均功率。

低冷却功率例如是指冷却回路可提供给燃料电池或燃料电池堆的最大冷却功率的约0％至约30％的冷却功率。

例如如果将较长上坡行驶视为外部参数P_ext，那么这可导致：基于经验值将高于允许温度的潜在燃料电池温度预测为潜在运行参数P_BZpot。这是因为在较长的上坡行驶时，燃料电池通常在高负载范围内运行。此外，冷却回路常常基于减小的行驶速度而仅具有低冷却功率。在这种情况下，控制装置在上坡行驶开始之前就已经降低了燃料电池的当前额定运行温度，只要当前运行参数允许这点。为此，控制装置例如可以切换到另一种运行模式中。如果燃料电池例如在上坡行驶之前在部分负载范围内运行，那么冷却系统可以更易于提供过量的冷却功率。这些附加的、对于当前的部分负载运行所不需要的冷却功率可以基于冷却剂和组件本身的热容量而暂时存储于冷却系统中。在上坡行驶期间，暂时存储的所述冷却功率可被连续输送给燃料电池。必要时也可能有意义的是，当预测的燃料电池运行温度不处于临界区域、但高于一定的阈值、如高于最大运行温度的90％时，则已经可预冷却。

类似地，也可暂时存储燃料电池中的系统水分。例如当即将到来的较长上坡行驶(即高负载范围、低冷却功率)再次被看作外部参数时，控制装置例如可预测燃料电池的过低含水量。为了避免燃料电池在即将到来的上坡行驶期间干燥，可在上坡行驶开始之前就已经向燃料电池中输入更多的水分。为此，控制装置例如切换到另一运行模式中。这些附加的水分例如可暂时存储于电极膜组件(MEA)中。在上坡行驶期间逐渐消耗这些暂时存储的水分。干燥至少可被延迟。类似地，可在预计全负载事件(如上坡行驶)之前贫化氮气并且富集燃料和氧化剂。这种预见性的运行方式能实现燃料电池的优化运行，尤其是通过将燃料电池或燃料电池系统本身用作暂存器来实现。

用于预测性地运行燃料电池的方法还可设有不同运行模式。至少两种运行模式可在额定运行温度P_BZsoll的至少一条特性曲线方面有所区别。例如这两种运行模式可具有燃料电池额定运行温度的不同特性曲线。不同运行模式可设置用于不同的当前和/或预测的负载范围和不同的当前和/或预测的动态要求。燃料电池的运行模式例如可根据待由燃料电池或燃料电池系统输出的当前和/或预测的平均功率和/或当前和/或预测的动态要求来选择。因此，基于经验值和/或理论考虑例如可设置不同的额定运行温度特性曲线：例如为在低动态要求时的低负载范围设置一条特性曲线并且为高负载范围和高动态要求设置一条特性曲线。

在预测燃料电池于低负载范围内运行时，可降低燃料电池的额定含水量和/或阳极上的额定燃料分压。在预测燃料电池于低负载范围运行时，可增加燃料电池的额定温度和/或阳极上的最大氮气分压。

例如也可通过相应混合化、即通过调节燃料电池或燃料电池系统的(额定)功率与高压电池的(额定)功率之比来完全避免一定的负载范围、如在预测较低室外温度时的低负载范围。

基于降低的动力学，燃料电池的冷起动或者说霜冻起动特别容易产生问题。在此力求尽可能短的加热阶段来使燃料电池系统进入准备使用状态。如果燃料电池的含水量在冷起动或霜冻起动期间较少，那么起动时间或加热时间缩短。含水量例如可通过下述方式减少，即，在燃料电池或燃料电池系统关断后，氧化流体输送装置(通常是压缩机)继续运行一定的时间段，以便为燃料电池除去水分。该过程被称为后运转(Nachlauf)或排水(blow down)。

额定运行参数可以是燃料电池的额定含水量。优选的是，在预测的行驶结束稍前减少额定含水量。当控制装置确定即将到达行驶结束时，控制装置可开始这样一种方法，在该方法中在行驶结束之前就已经减少燃料电池的额定含水量，尤其是在以不久之后进行冷起动或霜冻起动时。因此有利的是，至少可部分减少或甚至完全取消后运转。由此可整体减少能耗。此外减少了在停放地点处(如车主车库中)可能的噪声排放。例如可在行驶结束之前20分钟、优选10分钟、特别优选5分钟开始减少额定含水量。通过这种预测性的控制，可在停放车辆后减少和/或避免干燥需求(排水)。可根据环境条件改变时间长度和额定含水量。

有利的是，可在考虑预测的燃料电池停放地点和/或预测的环境温度的情况下调节额定含水量和/或这种排水的持续时间。例如，在具有充电站的车库中可全年提供高于关键温度的室温，在这时，燃料电池不出现较长的起动时间。但当车辆停放在山区时，则甚至可能在春季或秋季必须减少含水量，以便在下次起动时能实现燃料电池的合理起动时间。当在具有充电站的停放地点(车库)中也可能出现对于冷起动或霜冻起动关键的温度时，如果预测的停放地点是车库，则也可在行驶期间放弃排水。排水可在车辆连接到充电站上时在车辆停放状态下进行。

公开的技术还包括一种用于运行机动车的方法。所述用于运行机动车的方法可包括用于运行燃料电池的方法。

在此公开的用于运行机动车的方法还可包括以下步骤：根据所述至少一个外部参数P_ext来调节高压电池的至少一个额定运行参数P_HVsoll。尤其是，高压电池的再充电可根据所述至少一个外部参数P_ext进行。例如车辆可在到达具有充电站的停放地点(如车库)之前不再由燃料电池系统为处于低充电状态的高压电池充电。取而代之，高压电池可随后通过充电站充电。

机动车的控制装置能够根据所述至少一个外部参数P_ext调节或控制高压电池和燃料电池的混合化。例如当即将到来的堵塞被看作外部参数P_ext时，可关断燃料电池并且仅高压电池驱动电动机。燃料电池或燃料电池系统提供给机动车驱动电动机的功率与高压电池提供给机动车驱动电动机的功率之(混合化)比可根据所述至少一个外部参数P_ext来调节。

优选燃料电池或燃料电池系统的功率与高压电池的功率之比根据燃料电池的运行模式来调节。例如当预测“走-停”交通情况时(在该交通情况中驾驶员通常使车辆在低负载范围和高动态下运行)例如可仅借助高压电池运行。在堵塞(即在低负载范围；低动态)时也可关断燃料电池。

此外，燃料电池的额定功率与高压电池的额定功率之比可根据(预测的)机动车停放地点来调节。例如，机动车在到达具有充电站的停放地点(如车库)之前可仅由高压电池为车辆驱动电动机供应能量，只要高压电池的充电状态允许这点。高压电池随后可通过充电站再充电。

所述方法还包括以下步骤：降低至少一个耗能器、尤其是对于车辆驱动不重要的耗能器的消耗和/或关断该耗能器。例如当将探测到不能到达最近的加油站时，车辆控制装置作为应急模式可关断对于行驶运行不重要的辅助耗能器或减少对其的供应。有利的是，这可与向驾驶员提供相应信息同时进行。

优选的是，所述至少一个耗能器是车辆的车内空调(车内干燥装置、车内冷却装置等)。在预测于高负载范围内运行时，可在于高负载范围内运行之前就已经减少或关断车内冷却功率。有利的是，随后可为所述至少一个燃料电池供应更多的冷却功率，其例如可暂时存储于冷却回路中。

附图说明

现在参考附图详细说明本发明。附图如下：

图1示出不同运行模式的示意性一览图；以及

图2示例性示出燃料电池多维的运行特性曲线族的简化的局部图。

具体实施方式

图1示出燃料电池根据燃料电池的负载范围和动态要求的各种运行模式。

M100是一种用于低负载范围和低动态要求的运行模式，其例如出现在城市交通中在匀速行车方式时。驾驶员例如也可通过驾驶体验开关来预选择机动车的环保ECO模式，在该模式中，控制装置抑制或禁止高动态要求。在这种运行模式中通常希望燃料电池在较高温度下运行，因为燃料电池在较高温度下工作更高效。因此，温度特性曲线通常可比其它运行模式的温度特性曲线具有更高温度。这之所以是可能的，是因为基于较低动态要求，燃料电池可预计没有剧烈的温度变化。此外，在连续运行于低负载范围内时产生的燃料电池平均运行温度离可能的对于燃料电池运行关键的温度足够远。

燃料电池在低部分负载范围内运行，在低部分负载范围时氮富集尚不起决定作用。因此，在该运行模式中允许相对高的氮值。换言之，在运行模式M100中设置最大氮气分压的较高特性曲线。因此可有利地降低油耗。增加的再循环还有利地影响燃料电池的水平衡。关于含水量，在运行模式M100中力求相对高的含水量，但在相对高的含水量时仍应能够可靠避免在燃料电池中产生液态水。

在运行模式M200中，机动车和燃料电池连续运行于高负载范围内。在此例如假设是高速公路行驶。动态要求在该运行模式中较小。例如车辆借助巡航定速仪始终保持在恒定速度上。燃料电池的运行温度在该负载范围内与运行模式M100相比已经更接近燃料电池的最高温度。由于无需担心运行温度的剧烈变化，因此在运行模式M200中也可避免燃料电池损坏。在运行模式M200中，阳极上的最大氮含量极限也可相对高，这带来上述优点。

M300表示在低负载范围内出现高动态要求的运行模式。这例如在城市交通中当驾驶员采取具有大量负载跃变的运动行车方式时出现。在该模式中，燃料电池的水管理相比于其它运行参数更为关键。温度及阳极中的氮气分压通常并不关键。在此例如应避免产生液态水，其方式例如是，通过相应的拉姆达调节、即调节供应的氧化剂量与实际需要的氧化剂量之比。替代或附加地也可提高燃料电池的温度，由此降低含水量。

当驾驶员在高速公路上以许多负载跃变驾驶机动车时(即运动行车方式)或预测这种行驶时，则控制装置切换到运行模式M400。在高负载范围内通常产生高运行温度。此外，基于负载跃变，温度可能变化。因此，在运行模式M400中设置相对低的温度特性曲线。同样可执行最大氮气分压的较低特性曲线，这可有利地影响燃料电池功率。含水量特性曲线相比于其它运行模式的相应特性曲线具有高值。因此至少延迟MEA的干燥。

通常，控制装置应构造用于在预测含水量高于第一含水量阈值时降低燃料电池的温度和/或含水量。而当预测燃料电池干燥时(尤其是运行模式M400中)，控制装置应增大含水量。

运行模式M500表示具有中等载荷范围和中等动态要求的运行。当燃料电池的运行不能明确分配给前述运行模式时，则选择在此设定的特性曲线。这些特性曲线如此被优化，使得可用于所有负载范围和所有动态要求。

图2示意性示出不同运行模式的温度特性曲线关于瞬时功率的变化的局部图。要区分的是要求的瞬时额定功率(其例如取决于当前坡度和油门位置)与之前讨论的连续低、中和高负载范围。在高负载范围内运行的燃料电池例如可瞬间具有中等瞬时额定功率，例如当载重汽车(LKW)在高速公路上超越另一载重汽车时如此。对于特定瞬时功率P_x，可在运行模式M400中例如设置低于运行模式M500的温度特性曲线。同样可为运行模式M100设置相对高的温度特性曲线。

本发明的上述描述仅用于说明目的、而不用于限制本发明。在本发明的范围中，可在不背离本发明范围及其技术等价物的情况下实现各种改进和改型。