用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车的方法与流程

本发明涉及一种用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车的方法。

背景技术：

用于燃料电池系统组件的冷却回路通常设计用于在满负荷时或为了特别临界的工作点(如上山行驶)进行连续运行(下面称为设计工作点)。在此这样构造冷却回路，使得在理想情况下在设计工作点中所有组件同时达到其温度最大值。但在燃料电池系统实际运行时在设计工作点中未同时达到温度最大值。而是在被冷却系统组件之一时已经提前呈现出所供应冷却量不足够的状态。为了避免该组件过热，必须提高整个冷却系统的功率和/或降低燃料电池系统的功率(降额)。例如当燃料电池系统的增压空气冷却器的温度达到热极限时，必须提高冷却系统的冷却效率并且必要时也降低燃料电池的待输出功率。哪个组件更早地限制冷却系统，取决于许多物理参数和许多组件特性，如运行参数、热吸收和热输出性能以及组件的热容量等。

WO 03/059664公开了一种具有燃料电池系统的机动车，在其中可借助阀来调节用于燃料电池系统以及用于机动车内部空间的冷却回路。冷却系统根据瞬时值调节冷却参数。该系统因此最终对测得的瞬时值作出响应。基于热惯性而有一定的时延。由于热状态改变相对缓慢，因此这种时延可能导致车辆、尤其是燃料电池系统不能或者说不能始终在最佳工作点中运行。

技术实现要素：

本发明的任务在于，减少或消除上述缺点。本发明的任务通过权利要求1的技术方案来解决。从属权利要求构成有利方案。

根据在此公开的技术的燃料电池系统包括至少一个燃料电池和外围系统组件(BOP组件)，这些外围系统组件可在所述至少一个燃料电池运行时使用。燃料电池例如包括阳极和阴极，它们尤其是通过离子选择性分隔器分开。阳极具有用于向阳极供应燃料的供应装置。换言之，阳极在燃料电池系统运行时与燃料储存器流体连接。用于燃料电池系统的优选燃料包括：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或者说供应管路。优选的氧化剂例如是空气、氢气和过氧化物。离子选择性分隔器例如可构造为质子交换膜(PEM)。优选使用阳离子选择性聚合物电解质膜。用于这种膜的材料包括：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组件时，也应包括复数。例如可设置多个燃料电池并且部分地设置多个BOP组件。

在此公开的方法用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车。尤其是涉及用于预测燃料电池系统的冷却的方法。

所述方法包括下述步骤：提供冷却液体，其被分配到至少两个并联的子冷却回路。亦即涉及一个冷却回路，其被分配为两个或更多子冷却回路，这些子冷却回路彼此并联延伸并且之后再次汇合成一个冷却回路。第一冷却剂子流在分配装置下游穿流第一子冷却回路。第一子冷却回路为燃料电池系统的至少一个第一组件供应冷却剂。第二冷却剂子流也在分配装置下游穿流第二子冷却回路。第二子冷却回路为至少一个第二组件供应冷却剂。

在此公开的方法还包括下述步骤：基于第一组件和/或第二组件未来的、尤其是预测的冷却剂需求来调节第一和/或第二冷却剂子流。可通过任何适合的致动器、如可调三通阀、泵、阀或节流阀等来调节第一和/或第二冷却剂子流。尤其是可使用热激活节流阀，其可通过电加热装置激活。通过调节第一和/或第二冷却剂子流可有针对性地为温度临界或即将临界的组件供应更多的冷却剂。

因此有利的是，已经预见性地提前影响组件的运行，尤其是通过调节冷却剂子流影响组件的冷却。燃料电池系统或冷却系统的这种对于燃料电池系统的(尤其是在未来发生或要求的)未来工作点或者说运行状态的预测的运行方式可在相同的冷却回路配置(如冷却回路的冷却器可提供的最大冷却功率相同)中实现燃料电池在更大运行范围上的更有效运行。换言之，在此公开的技术的冷却回路可在燃料电池不降低输出功率的情况下装配较小的冷却器。

该方法优选包括下述步骤：对于燃料电池系统的、尤其是在未来发生或要求的未来工作点或运行状态预测第一组件的未来冷却剂需求或者说需要的冷却剂子流和/或第二组件的未来冷却剂需求或者说需要的冷却剂子流。为了预测而例如可分析数据，所述数据可推导出未来冷却剂需求。为此例如可分析驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息。这些信息例如可与存储于数据库中的冷却剂需求值相关。

例如当较长的上山行驶被预定为行驶路线时，控制装置还可在考虑行驶路线(如长度、坡度、限速)和/或交通流量(如堵塞或畅通)的情况下确定各个组件的未来冷却剂需求。

优选可在考虑驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息的情况下预测和/或调节第一组件和/或第二组件的未来冷却剂需求。

代表驾驶员行为的驾驶行为信息例如包括城市中、郊区和高速公路上的速度分布；换挡行为等。机动车控制装置优选可借助测量值、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包括钥匙编码或驾驶员所属的与汽车连接的移动电话。特定于驾驶员的输入例如包括驾驶风格选择或所存储的并且分配给驾驶员的座椅位置选择、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。

尤其是也可使用车辆传感装置或可能的输入组件来检测驾驶行为。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、踏板动力学识别、驾驶体验开关、速度分布、气动组件(如后导流板)的位置等。控制装置优选能够分析驾驶行为并且分配给驾驶员。驾驶行为分析能够更准确地预测功率需求并且预见性地运行流体输送装置。优选涉及例如基于模糊逻辑学习的控制装置。有利的是，控制装置也能够例如借助检测到的外部参数来分析重复性条件和事件。优选地，控制装置不仅能够从驾驶员的驾驶行为进行学习，而且也能够评估导航信息和环境信息并且优化预测潜在运行参数。例如这样配置控制装置，使得优化驾驶员的重复行驶路线，更确切地说基于对以往行驶的认识。这方面的一个应用示例例如是住所和工作地点之间频繁行驶的路线。

代表导航信息的外部参数例如是导航参数，其包括地理信息，如位置信息、路线信息和/或高度曲线信息。导航信息还包括关于行驶周期的信息，亦即城市、郊区和/或高速公路占总路线比例的组合。其它导航信息例如也可以是交通信息，如当前或未来的交通延误。例如当前拥堵报告或基于事件、上下班交通、特殊事件和活动、如群众集会等可预见的交通拥堵等属于导航信息。导航信息例如是使得机动车短暂停车的十字路口和/或交通灯和/或交通灯信号。

此外，导航信息可以是交通灯相位。交通灯信号例如可通过适合的通信信号、如无线电信号和机动车上适合的传感器来检测。

环境信息例如包括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。

所述方法优选包括以下步骤：在存在或预测到第一组件和/或第二组件变化的、即增大或减小的冷却剂需求的时间段开始之前就已经调节第一和/或第二冷却剂子流。因此，预测性改变冷却剂子流，以便提前避免热过载。此外，当组件被加热或冷却时，基于组件的热容量而在组件温度变化之前会经过一定的时间。如果现在预测性改变冷却剂子流，则可减少或补偿各个组件热惯性的影响。

例如当要求系统的最大功率并且基于临近的信号设备而预测到只需在短时间内(例如少于一分钟)输出该最大功率时，控制装置可这样分配第一和/或第二冷却剂子流，使得在该时间段内流向燃料电池的冷却剂流增加并且流向增压空气冷却器的冷却剂流减少。由此，增压空气冷却器的温度倾向于升高。但增压空气冷却器温度基于热惯性而在这段短时间内实际上几乎不变化。因此，附加流向燃料电池的冷却剂流更快速地影响燃料电池运行。

同样可优选在时间受限的未来的峰值功率期间提高流向燃料电池的冷却剂流并且减少流向增压空气冷却器的冷却剂流。这种由驾驶员要求的峰值功率在此可理解为这样的功率，该功率高于燃料电池最大可连续输出的功率(下面称为最大持续功率)并且燃料电池能在短时间上输出该功率。峰值功率例如可以是最大持续功率的110％至120％，峰值功率例如可在最大30秒(对于120％持续负荷)至60秒(对于110％持续负荷)的时间内被提供。在燃料电池运行时可存在这样的工作点，其例如基于膜水分和因此膜的欧姆电阻而不能连续运行。这些工作点部分地可通过更高的BOP组件负荷、如压缩机功率暂时补偿或缓冲。因此，为了确保高效率而暂时容忍BOP组件的低效率。BOP组件的这种运行可能(例如热学地)在时间上受到限制。

可这样调节第一和/或第二冷却剂子流，使得第一组件和第二组件受到相同的热负荷。即使两个组件不在临界范围内运行，冷却剂也可这样分配到两个子冷却回路上，使得两个组件受到相同的热负荷。这两个组件例如可在其最高温度的约80％处运行。

在存在第一组件和/或第二组件变化的冷却剂需求的时间段开始之前就已经为第一组件和/或第二组件供应比未来冷却剂需求更多的冷却剂。当例如预测到在一个未来路线区段内燃料电池温度即将临界时，可在此之前就已经开始降低燃料电池温度，以便抑制加热。因此，在一定程度上将冷却功率或者说冷却容量(下面称为冷却功率)暂存于燃料电池中。

冷却功率也可附加地暂存于其它组件、如增压空气冷却器中。增压空气冷却器设置在燃料电池堆上游。当增压空气冷却器在燃料电池的部分负荷范围中受到比所需更强的冷却时，增压空气冷却器可在之后的燃料电池满负荷周期中再次使用该额外存储的冷却功率。在满负荷周期中，控制装置可基于存储于增压空气冷却器中的冷却功率为增压空气冷却器供应比其实际所需更少的冷却剂。这个冷却剂差值可附加地用于供应在此温度临界的燃料电池堆。因此，在全负荷周期期间可通过在部分负荷周期期间暂存的冷却功率来减小冷却系统的负荷。

第一组件可以是燃料电池堆、用于氧化剂的增压空气冷却器、阴极废气冷凝器或燃料电池系统的燃料箱热交换器。第二组件可以是配置给机动车内部空间的热交换器。在一种优选方案中，第一组件可以是燃料电池堆并且第二组件是用于氧化剂的增压空气冷却器、阴极废气冷凝器或燃料箱热交换器。在一种特别优选的方案中，第一组件是燃料电池堆并且第二组件是增压空气冷却器。

附图说明

现在参考附图详细说明在此公开的技术。附图1至3示出冷却回路的示意图。

具体实施方式

图1中所示的冷却回路在分配装置K₁处(在此构造为三通阀)被分配到两个子冷却回路10、20，它们分别被第一和第二冷却剂流T₁₀、T₂₀穿流。在所述子冷却回路10、20中在此设置燃料电池堆50(第一组件)和增压空气冷却器40(第二组件)。这两个子冷却回路10、20最终通入节点K₂中并且随后流入热交换器或者说冷却器60中，在该冷却器中在燃料电池堆50和增压空气冷却器40中被加热的冷却剂重新被冷却。冷却剂随后通过输送装置30再次进入子冷却回路10、20中。

如果现在冷却剂需求即将出现变化，那么可以在此之前就已经基于第一组件和/或第二组件的预测的未来的冷却剂需求来调节第一和/或第二冷却剂流T10、T20。在此优选考虑组件的热惯性，由此可避免组件热过载。

氧化剂输送器80通过阴极输入管路82将氧化剂输送至燃料电池堆50。氧化剂在进入燃料电池堆50之前在增压空气冷却器40中被调温。如已经提到那样，子冷却回路10、20彼此并联设置。因此，燃料电池堆50和增压空气冷却器40相互热耦合。此外，阴极输入管路82也形成这两个组件的一定的热耦合。当增压空气冷却器更强地受到冷却时，所述增压空气冷却器可适当地在氧化剂进入燃料电池堆50之前冷却氧化剂。这又导致必须为燃料电池堆50提供更少的冷却剂。此外，组件40和50基于它们的质量和它们的热容量也可至少在一定程度上存储冷却功率。在此公开的技术此外就利用了这两个效应。当燃料电池例如在部分负荷范围内运行并且同时预测到满负荷运行、如上山行驶时，控制装置可在满负荷开始之前就已经将冷却功率暂存于燃料电池堆50中并且也优选暂存于增压空气冷却器40中。为此可提高输送装置30的输送功率和/或调节流体子流T₁、T₂的分配，以便最佳地冷却两个组件，在此也应考虑燃料电池系统的瞬时效率。于是在满负荷运行中首先提高输送装置30的输送效率。此外可优化流体子流的分配。在此可考虑，在增压空气冷却器40中暂存冷却效率。换言之，增压空气冷却器40在接下来的满负荷运行期间无需像其在没有暂存冷却效率时必须进行的冷却那样来冷却。当控制装置考虑暂存于增压空气冷却器中的冷却效率时，控制装置可为燃料电池堆50供应相对更多的冷却剂，前提是燃料电池是热临界组件。当然优选的是，控制装置也考虑暂存于燃料电池堆50中的冷却效率。在此无需计算暂存的冷却效率。例如已知组件温度即可。

作为致动器可设置各种不同的致动器。除了三通阀70外也可在两个子冷却回路10、20中设置两个简单的控制阀72、74(参见图2)。还可设置一个或多个泵、节流阀和/或热激活压降构件。通过在冷却系统中、例如在燃料电池堆50或增压空气冷却器40上游或下游设置无级节流阀，可提高通过增压空气冷却器40的绝对冷却剂流量。下述替代解决方案也是可行的：

－在子冷却回路中使用可调三通阀；

－在子冷却回路中使用两个泵。

所述阀或节流阀在此可由控制装置主动控制。在被动解决方案中，节流阀也可由热激活构件代替。

图3示出冷却回路的一种较为复杂的结构。输送装置30、氧化剂输送器80、阴极输入管路82和冷却器60与图1和2中构造相同。增压空气冷却器40和燃料电池堆50在此也彼此并联设置在两个子冷却回路10、20中。因此，在此出现与已经关于图1和2所描述的内容相同的效果和优点。此外，在此也示出两个子冷却回路10'、20'，它们也彼此并联设置。子冷却回路10'通过虚线显示，每个下述组件本身可看作是第一子冷却回路10'的第一组件：燃料电池堆50、用于氧化剂的增压空气冷却器40、阴极废气冷凝器110或燃料箱热交换器120。

本发明的上述描述仅用于说明目的并且不用于限制本发明。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。