本發(fā)明涉及一種用于預測性運行具有燃料電池系統(tǒng)的機動車的方法。

背景技術：

用于燃料電池系統(tǒng)組件的冷卻回路通常設計用于在滿負荷時或為了特別臨界的工作點(如上山行駛)進行連續(xù)運行(下面稱為設計工作點)。在此這樣構造冷卻回路，使得在理想情況下在設計工作點中所有組件同時達到其溫度最大值。但在燃料電池系統(tǒng)實際運行時在設計工作點中未同時達到溫度最大值。而是在被冷卻系統(tǒng)組件之一時已經(jīng)提前呈現(xiàn)出所供應冷卻量不足夠的狀態(tài)。為了避免該組件過熱，必須提高整個冷卻系統(tǒng)的功率和/或降低燃料電池系統(tǒng)的功率(降額)。例如當燃料電池系統(tǒng)的增壓空氣冷卻器的溫度達到熱極限時，必須提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率并且必要時也降低燃料電池的待輸出功率。哪個組件更早地限制冷卻系統(tǒng)，取決于許多物理參數(shù)和許多組件特性，如運行參數(shù)、熱吸收和熱輸出性能以及組件的熱容量等。

WO 03/059664公開了一種具有燃料電池系統(tǒng)的機動車，在其中可借助閥來調節(jié)用于燃料電池系統(tǒng)以及用于機動車內部空間的冷卻回路。冷卻系統(tǒng)根據(jù)瞬時值調節(jié)冷卻參數(shù)。該系統(tǒng)因此最終對測得的瞬時值作出響應?；跓釕T性而有一定的時延。由于熱狀態(tài)改變相對緩慢，因此這種時延可能導致車輛、尤其是燃料電池系統(tǒng)不能或者說不能始終在最佳工作點中運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務在于，減少或消除上述缺點。本發(fā)明的任務通過權利要求1的技術方案來解決。從屬權利要求構成有利方案。

根據(jù)在此公開的技術的燃料電池系統(tǒng)包括至少一個燃料電池和外圍系統(tǒng)組件(BOP組件)，這些外圍系統(tǒng)組件可在所述至少一個燃料電池運行時使用。燃料電池例如包括陽極和陰極，它們尤其是通過離子選擇性分隔器分開。陽極具有用于向陽極供應燃料的供應裝置。換言之，陽極在燃料電池系統(tǒng)運行時與燃料儲存器流體連接。用于燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選燃料包括：氫、低分子量醇、生物燃料或液化天然氣。陰極例如具有氧化劑供應裝置或者說供應管路。優(yōu)選的氧化劑例如是空氣、氫氣和過氧化物。離子選擇性分隔器例如可構造為質子交換膜(PEM)。優(yōu)選使用陽離子選擇性聚合物電解質膜。用于這種膜的材料包括：和在此，為簡單起見通常討論具有一個燃料電池的系統(tǒng)。當下面以單數(shù)說明系統(tǒng)組件時，也應包括復數(shù)。例如可設置多個燃料電池并且部分地設置多個BOP組件。

在此公開的方法用于預測性運行具有燃料電池系統(tǒng)的機動車。尤其是涉及用于預測燃料電池系統(tǒng)的冷卻的方法。

所述方法包括下述步驟：提供冷卻液體，其被分配到至少兩個并聯(lián)的子冷卻回路。亦即涉及一個冷卻回路，其被分配為兩個或更多子冷卻回路，這些子冷卻回路彼此并聯(lián)延伸并且之后再次匯合成一個冷卻回路。第一冷卻劑子流在分配裝置下游穿流第一子冷卻回路。第一子冷卻回路為燃料電池系統(tǒng)的至少一個第一組件供應冷卻劑。第二冷卻劑子流也在分配裝置下游穿流第二子冷卻回路。第二子冷卻回路為至少一個第二組件供應冷卻劑。

在此公開的方法還包括下述步驟：基于第一組件和/或第二組件未來的、尤其是預測的冷卻劑需求來調節(jié)第一和/或第二冷卻劑子流?？赏ㄟ^任何適合的致動器、如可調三通閥、泵、閥或節(jié)流閥等來調節(jié)第一和/或第二冷卻劑子流。尤其是可使用熱激活節(jié)流閥，其可通過電加熱裝置激活。通過調節(jié)第一和/或第二冷卻劑子流可有針對性地為溫度臨界或即將臨界的組件供應更多的冷卻劑。

因此有利的是，已經(jīng)預見性地提前影響組件的運行，尤其是通過調節(jié)冷卻劑子流影響組件的冷卻。燃料電池系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)的這種對于燃料電池系統(tǒng)的(尤其是在未來發(fā)生或要求的)未來工作點或者說運行狀態(tài)的預測的運行方式可在相同的冷卻回路配置(如冷卻回路的冷卻器可提供的最大冷卻功率相同)中實現(xiàn)燃料電池在更大運行范圍上的更有效運行。換言之，在此公開的技術的冷卻回路可在燃料電池不降低輸出功率的情況下裝配較小的冷卻器。

該方法優(yōu)選包括下述步驟：對于燃料電池系統(tǒng)的、尤其是在未來發(fā)生或要求的未來工作點或運行狀態(tài)預測第一組件的未來冷卻劑需求或者說需要的冷卻劑子流和/或第二組件的未來冷卻劑需求或者說需要的冷卻劑子流。為了預測而例如可分析數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)可推導出未來冷卻劑需求。為此例如可分析駕駛行為信息、導航信息和/或環(huán)境信息。這些信息例如可與存儲于數(shù)據(jù)庫中的冷卻劑需求值相關。

例如當較長的上山行駛被預定為行駛路線時，控制裝置還可在考慮行駛路線(如長度、坡度、限速)和/或交通流量(如堵塞或暢通)的情況下確定各個組件的未來冷卻劑需求。

優(yōu)選可在考慮駕駛行為信息、導航信息和/或環(huán)境信息的情況下預測和/或調節(jié)第一組件和/或第二組件的未來冷卻劑需求。

代表駕駛員行為的駕駛行為信息例如包括城市中、郊區(qū)和高速公路上的速度分布；換擋行為等。機動車控制裝置優(yōu)選可借助測量值、特定于駕駛員的輸入和/或特定于駕駛員的系統(tǒng)來識別駕駛員。特定于駕駛員的系統(tǒng)例如包括鑰匙編碼或駕駛員所屬的與汽車連接的移動電話。特定于駕駛員的輸入例如包括駕駛風格選擇或所存儲的并且分配給駕駛員的座椅位置選擇、可明確分配的駕駛路線(上班路線)、后視鏡設定等。另一駕駛員識別裝置例如是面部識別。

尤其是也可使用車輛傳感裝置或可能的輸入組件來檢測駕駛行為。例如可考慮以下因素：傾斜傳感器、行駛動力學、橫向加速度傳感器、踏板動力學識別、駕駛體驗開關、速度分布、氣動組件(如后導流板)的位置等?？刂蒲b置優(yōu)選能夠分析駕駛行為并且分配給駕駛員。駕駛行為分析能夠更準確地預測功率需求并且預見性地運行流體輸送裝置。優(yōu)選涉及例如基于模糊邏輯學習的控制裝置。有利的是，控制裝置也能夠例如借助檢測到的外部參數(shù)來分析重復性條件和事件。優(yōu)選地，控制裝置不僅能夠從駕駛員的駕駛行為進行學習，而且也能夠評估導航信息和環(huán)境信息并且優(yōu)化預測潛在運行參數(shù)。例如這樣配置控制裝置，使得優(yōu)化駕駛員的重復行駛路線，更確切地說基于對以往行駛的認識。這方面的一個應用示例例如是住所和工作地點之間頻繁行駛的路線。

代表導航信息的外部參數(shù)例如是導航參數(shù)，其包括地理信息，如位置信息、路線信息和/或高度曲線信息。導航信息還包括關于行駛周期的信息，亦即城市、郊區(qū)和/或高速公路占總路線比例的組合。其它導航信息例如也可以是交通信息，如當前或未來的交通延誤。例如當前擁堵報告或基于事件、上下班交通、特殊事件和活動、如群眾集會等可預見的交通擁堵等屬于導航信息。導航信息例如是使得機動車短暫停車的十字路口和/或交通燈和/或交通燈信號。

此外，導航信息可以是交通燈相位。交通燈信號例如可通過適合的通信信號、如無線電信號和機動車上適合的傳感器來檢測。

環(huán)境信息例如包括當前或未來的天氣和/或空間信息，如溫度、空氣濕度、雨量、風速、氣壓等。

所述方法優(yōu)選包括以下步驟：在存在或預測到第一組件和/或第二組件變化的、即增大或減小的冷卻劑需求的時間段開始之前就已經(jīng)調節(jié)第一和/或第二冷卻劑子流。因此，預測性改變冷卻劑子流，以便提前避免熱過載。此外，當組件被加熱或冷卻時，基于組件的熱容量而在組件溫度變化之前會經(jīng)過一定的時間。如果現(xiàn)在預測性改變冷卻劑子流，則可減少或補償各個組件熱慣性的影響。

例如當要求系統(tǒng)的最大功率并且基于臨近的信號設備而預測到只需在短時間內(例如少于一分鐘)輸出該最大功率時，控制裝置可這樣分配第一和/或第二冷卻劑子流，使得在該時間段內流向燃料電池的冷卻劑流增加并且流向增壓空氣冷卻器的冷卻劑流減少。由此，增壓空氣冷卻器的溫度傾向于升高。但增壓空氣冷卻器溫度基于熱慣性而在這段短時間內實際上幾乎不變化。因此，附加流向燃料電池的冷卻劑流更快速地影響燃料電池運行。

同樣可優(yōu)選在時間受限的未來的峰值功率期間提高流向燃料電池的冷卻劑流并且減少流向增壓空氣冷卻器的冷卻劑流。這種由駕駛員要求的峰值功率在此可理解為這樣的功率，該功率高于燃料電池最大可連續(xù)輸出的功率(下面稱為最大持續(xù)功率)并且燃料電池能在短時間上輸出該功率。峰值功率例如可以是最大持續(xù)功率的110％至120％，峰值功率例如可在最大30秒(對于120％持續(xù)負荷)至60秒(對于110％持續(xù)負荷)的時間內被提供。在燃料電池運行時可存在這樣的工作點，其例如基于膜水分和因此膜的歐姆電阻而不能連續(xù)運行。這些工作點部分地可通過更高的BOP組件負荷、如壓縮機功率暫時補償或緩沖。因此，為了確保高效率而暫時容忍BOP組件的低效率。BOP組件的這種運行可能(例如熱學地)在時間上受到限制。

可這樣調節(jié)第一和/或第二冷卻劑子流，使得第一組件和第二組件受到相同的熱負荷。即使兩個組件不在臨界范圍內運行，冷卻劑也可這樣分配到兩個子冷卻回路上，使得兩個組件受到相同的熱負荷。這兩個組件例如可在其最高溫度的約80％處運行。

在存在第一組件和/或第二組件變化的冷卻劑需求的時間段開始之前就已經(jīng)為第一組件和/或第二組件供應比未來冷卻劑需求更多的冷卻劑。當例如預測到在一個未來路線區(qū)段內燃料電池溫度即將臨界時，可在此之前就已經(jīng)開始降低燃料電池溫度，以便抑制加熱。因此，在一定程度上將冷卻功率或者說冷卻容量(下面稱為冷卻功率)暫存于燃料電池中。

冷卻功率也可附加地暫存于其它組件、如增壓空氣冷卻器中。增壓空氣冷卻器設置在燃料電池堆上游。當增壓空氣冷卻器在燃料電池的部分負荷范圍中受到比所需更強的冷卻時，增壓空氣冷卻器可在之后的燃料電池滿負荷周期中再次使用該額外存儲的冷卻功率。在滿負荷周期中，控制裝置可基于存儲于增壓空氣冷卻器中的冷卻功率為增壓空氣冷卻器供應比其實際所需更少的冷卻劑。這個冷卻劑差值可附加地用于供應在此溫度臨界的燃料電池堆。因此，在全負荷周期期間可通過在部分負荷周期期間暫存的冷卻功率來減小冷卻系統(tǒng)的負荷。

第一組件可以是燃料電池堆、用于氧化劑的增壓空氣冷卻器、陰極廢氣冷凝器或燃料電池系統(tǒng)的燃料箱熱交換器。第二組件可以是配置給機動車內部空間的熱交換器。在一種優(yōu)選方案中，第一組件可以是燃料電池堆并且第二組件是用于氧化劑的增壓空氣冷卻器、陰極廢氣冷凝器或燃料箱熱交換器。在一種特別優(yōu)選的方案中，第一組件是燃料電池堆并且第二組件是增壓空氣冷卻器。

附圖說明

現(xiàn)在參考附圖詳細說明在此公開的技術。附圖1至3示出冷卻回路的示意圖。

具體實施方式

圖1中所示的冷卻回路在分配裝置K₁處(在此構造為三通閥)被分配到兩個子冷卻回路10、20，它們分別被第一和第二冷卻劑流T₁₀、T₂₀穿流。在所述子冷卻回路10、20中在此設置燃料電池堆50(第一組件)和增壓空氣冷卻器40(第二組件)。這兩個子冷卻回路10、20最終通入節(jié)點K₂中并且隨后流入熱交換器或者說冷卻器60中，在該冷卻器中在燃料電池堆50和增壓空氣冷卻器40中被加熱的冷卻劑重新被冷卻。冷卻劑隨后通過輸送裝置30再次進入子冷卻回路10、20中。

如果現(xiàn)在冷卻劑需求即將出現(xiàn)變化，那么可以在此之前就已經(jīng)基于第一組件和/或第二組件的預測的未來的冷卻劑需求來調節(jié)第一和/或第二冷卻劑流T10、T20。在此優(yōu)選考慮組件的熱慣性，由此可避免組件熱過載。

氧化劑輸送器80通過陰極輸入管路82將氧化劑輸送至燃料電池堆50。氧化劑在進入燃料電池堆50之前在增壓空氣冷卻器40中被調溫。如已經(jīng)提到那樣，子冷卻回路10、20彼此并聯(lián)設置。因此，燃料電池堆50和增壓空氣冷卻器40相互熱耦合。此外，陰極輸入管路82也形成這兩個組件的一定的熱耦合。當增壓空氣冷卻器更強地受到冷卻時，所述增壓空氣冷卻器可適當?shù)卦谘趸瘎┻M入燃料電池堆50之前冷卻氧化劑。這又導致必須為燃料電池堆50提供更少的冷卻劑。此外，組件40和50基于它們的質量和它們的熱容量也可至少在一定程度上存儲冷卻功率。在此公開的技術此外就利用了這兩個效應。當燃料電池例如在部分負荷范圍內運行并且同時預測到滿負荷運行、如上山行駛時，控制裝置可在滿負荷開始之前就已經(jīng)將冷卻功率暫存于燃料電池堆50中并且也優(yōu)選暫存于增壓空氣冷卻器40中。為此可提高輸送裝置30的輸送功率和/或調節(jié)流體子流T₁、T₂的分配，以便最佳地冷卻兩個組件，在此也應考慮燃料電池系統(tǒng)的瞬時效率。于是在滿負荷運行中首先提高輸送裝置30的輸送效率。此外可優(yōu)化流體子流的分配。在此可考慮，在增壓空氣冷卻器40中暫存冷卻效率。換言之，增壓空氣冷卻器40在接下來的滿負荷運行期間無需像其在沒有暫存冷卻效率時必須進行的冷卻那樣來冷卻。當控制裝置考慮暫存于增壓空氣冷卻器中的冷卻效率時，控制裝置可為燃料電池堆50供應相對更多的冷卻劑，前提是燃料電池是熱臨界組件。當然優(yōu)選的是，控制裝置也考慮暫存于燃料電池堆50中的冷卻效率。在此無需計算暫存的冷卻效率。例如已知組件溫度即可。

作為致動器可設置各種不同的致動器。除了三通閥70外也可在兩個子冷卻回路10、20中設置兩個簡單的控制閥72、74(參見圖2)。還可設置一個或多個泵、節(jié)流閥和/或熱激活壓降構件。通過在冷卻系統(tǒng)中、例如在燃料電池堆50或增壓空氣冷卻器40上游或下游設置無級節(jié)流閥，可提高通過增壓空氣冷卻器40的絕對冷卻劑流量。下述替代解決方案也是可行的：

－在子冷卻回路中使用可調三通閥；

－在子冷卻回路中使用兩個泵。

所述閥或節(jié)流閥在此可由控制裝置主動控制。在被動解決方案中，節(jié)流閥也可由熱激活構件代替。

圖3示出冷卻回路的一種較為復雜的結構。輸送裝置30、氧化劑輸送器80、陰極輸入管路82和冷卻器60與圖1和2中構造相同。增壓空氣冷卻器40和燃料電池堆50在此也彼此并聯(lián)設置在兩個子冷卻回路10、20中。因此，在此出現(xiàn)與已經(jīng)關于圖1和2所描述的內容相同的效果和優(yōu)點。此外，在此也示出兩個子冷卻回路10'、20'，它們也彼此并聯(lián)設置。子冷卻回路10'通過虛線顯示，每個下述組件本身可看作是第一子冷卻回路10'的第一組件：燃料電池堆50、用于氧化劑的增壓空氣冷卻器40、陰極廢氣冷凝器110或燃料箱熱交換器120。

本發(fā)明的上述描述僅用于說明目的并且不用于限制本發(fā)明。在本發(fā)明的范圍中可在不背離本發(fā)明范圍及其技術等價物的情況下實現(xiàn)各種改進和改型。