一种用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的装置和方法与流程

1.本发明涉及一种用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的装置，其中，所述装置具有：第一燃料电池系统和至少一个另外的燃料电池系统，其被设置成用于将氢气和氧气转换成水，以为了由此产生电能；和控制单元，其被设置成用于利用电信号操控所述第一燃料电池系统和所述另外的燃料电池系统。


背景技术：

2.从文献us 2005/112428 a1中已知一种具有燃料电池模块的燃料电池系统，所述燃料电池模块分别由本地控制器控制。主控制器根据一般系统要求控制每个本地控制器。
3.从文献us 7 166 985 b1中已知一种具有燃料电池模块的燃料电池系统，所述模块如此互相联接，使得每个模块与主控制器连接。
4.从文献wo 2004/100298 a1中已知一种燃料电池系统，其具有脉冲开关、控制器和电压钳制装置。
5.在车辆中，燃料电池系统用于产生电能，其中该电能借助于电驱动器转换为运动或暂时地缓存在电池系统中。
6.在此，燃料电池系统可以由一个或多个燃料电池形成。燃料电池使用燃料的化学转化，例如氢气与氧气转化成水，以产生电能。作为核心部件燃料电池包含所谓的膜电极组件(mea)，其由离子传导膜和分别布置在膜两侧处的催化电极(阳极和阴极)形成。后者大多数情况下包含承载的贵金属，尤其是铂，其用作催化剂。燃料电池通常由大量布置成堆的膜电极组件形成。
7.这样的燃料电池系统的负荷点被设定为恒定的。在此，燃料电池系统和电池系统之间的各种功率分配是可能的。在多个燃料电池系统的情况下，常常如此地设定功率分配，使得所有有源系统以相同功率运行。然而，这样的燃料电池系统和相应的电池系统经受持续进行的(可逆的)退化。
8.因此必须权衡，哪个老化效应归于哪个部件(燃料电池系统或电池系统)。然而，所有措施都有对氢气消耗的直接的负面影响。
9.在燃料电池系统运行期间，分配给该系统的燃料电池的电极表面(即催化剂表面)取决于电池电压随着时间推移通过氧气化铂负载(pto2、pto4或简称pto
x
)钝化。由此增加了燃料电池的动能损失，并且在理论电流相同的情况下，堆电压随着增加的运行时间轻微下降。该pto
x
合成过程是不可阻止的，并且是通常运行的一部分。pto
x
负载越强，电压损失越大。基于pto
x
的电压损失表现为成对数的。通过负荷点的改变，设置新的电池电压并进行pto
x
转化过程。改变为更高的电压合成更多的pto
x
，改变为更低的电压部分地分解pto
x
。在此，合成和分解过程永远没有结束，而是逐渐地向新的电化学平衡努力。为了完全分解pto
x
，通常应关闭或放电燃料电池系统。此外，可以通过膜的空气消耗和干燥(功率较低)来影响电池电压。然而，这些方法全部导致燃料电池系统的有限制的、暂时的功率提供，并且只短时间地分解pto
x
。
10.在运行期间，偏离理论功率的功率因此通常必须通过电池辅助来补偿。电池系统的电池因此经受更大的负载或老化。在某些情况下，还必须为了该目的使用加大的电池，以达到理论功率。在这种情况下，产生额外的成本。


技术实现要素：

11.本发明的基本任务在于，提供一种改进的车辆中的燃料电池系统的功率分配，从而使电池系统不被额外负载并且确保pto
x
的高效的转化。
12.该任务通过具有专利权利要求1的特征的用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的装置和通过具有权利要求11的特征的方法解决。具有按照目的的改进方案的有利设计方案在从属专利权利要求中给定。
13.因此提出了一种用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的装置，其中该装置具有：第一燃料电池系统和至少一个另外的燃料电池系统，它们被设置用于将氢气和氧气转变为水以从中产生电能；和控制单元，其被设置用于利用电信号操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统。在此设置成，该装置此外被设置用于，时间上偏移地利用电信号操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统。
14.通过时间上偏移的电信号燃料电池系统彼此不同地被操控或运行。这使在第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统之间能够提供时间上变化的功率分配。
15.尤其地，通过所述电信号调制由所述第一燃料电池系统和所述另外的燃料电池系统所产生的电能，尤其是通过所述第一燃料电池系统产生的第一电流和通过所述另外的燃料电池系统产生的另外的电流。这使燃料电池系统的电流能够彼此改变地设置。
16.通过利用电信号时间上偏移地操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统，可以在此如此调制第一电流和另外的电流，使得由通过第一燃料电池系统产生的第一电功率和通过另外的燃料电池系统产生的另外的电功率组成的总功率在时间上至少部分恒定或对应于预设的功率需求。例如，另外的燃料电池系统可以补偿在pto
x
转化过程中第一燃料电池系统中的功率损失，且反之亦然。由此，燃料电池系统的功率总体上保持恒定，从而不需要电池系统的额外功率补偿。由此，电池系统不经历增强的负载。因此，也不需要硬件匹配，只需要用于燃料电池系统的运行的改变的运行设置。
17.就此而言，可以通过电信号将时间上偏移的振荡施加到第一电流和另外的电流。
18.由于第一电流和另外的电流的施加的时间上偏移的振荡，第一燃料电池系统中的电压和另外的燃料电池系统中的电压可以暂时变化，尤其是增加或减少。pto
x
合成比分解更慢。因此，通过持续的pto
x
转化对于每个单独的燃料电池系统产生较低份额的pto
x
，且从而产生更高的效率。此外，由此可以减少燃料电池系统的氢气消耗并提高有效系数。
19.控制单元还可以具有调制器，其被设置用于产生电信号。调制器可以借助于振幅调制、频率调制、相位调制、脉宽调制或/和类似的方式产生电信号，以因此调制第一电流和另外的电流。
20.第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统可以分别具有至少一个燃料电池，其带有膜电极组件和催化剂。
21.如上所述，催化剂在此可以具有铂。
22.该装置还可以具有至少一个氢气存储器，该氢气存储器被设置用于向第一燃料电
池系统和/或另外的燃料电池系统提供氢气。
23.该装置还可以具有至少一个电池系统，该电池系统被设置用于存储通过第一燃料电池系统和/或另外的燃料电池系统产生的电能和提供所存储的电能。
24.上述任务还通过一种用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的方法解决，包含以下步骤：通过第一燃料电池系统和至少一个另外的燃料电池系统将氢气和氧气转变为水，以从中产生电能；和通过控制单元利用电信号操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统，其中，时间上偏移地利用电信号操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统。
25.时间上偏移的操控使第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统能够不同地运行，从而实现燃料电池系统之间时间上变化的功率分配。
26.通过电信号调制由第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统产生的电能，尤其是通过第一燃料电池系统产生的第一电流和通过另外的燃料电池系统产生的另外的电流。
27.由于时间上偏移地利用电信号操控第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统，可以如此地调制第一电流和第二电流，使得由通过第一燃料电池系统产生的第一电功率和通过另外的燃料电池系统产生的另外的电功率组成的总功率在时间上至少部分恒定或对应于预设的功率需求。通过pto
x
转化产生的第一燃料电池系统的功率下降可以通过另外的燃料电池系统补偿，且反之亦然。为此无需另外的硬件匹配。借助于电信号仅匹配针对第一燃料电池系统和另外的燃料电池系统的运行设置。由此，电池系统不会经历增强的负载。因此，也不必使用加大的电池或类似的东西以达到预设的理论性能。
28.在此，可以通过电信号将时间上偏移的振荡施加到第一电流和另外的电流。
29.该方法还可以包含通过氢气存储器为第一燃料电池系统和/或另外的燃料电池系统提供氢气的步骤。
附图说明
30.本发明的其它的优点和细节从以下参考图示对实施形式的描述得出。在此：图1示出了用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的装置的实施形式的简化和示意性原理图；图2示出了该装置的燃料电池系统的电功率的时间走向的实施形式的简化和示意图；图3示出了该装置的氢气消耗的时间走向的实施形式的简化和示意图；图4示出了用于车辆中的燃料电池系统的功率分配的方法的实施形式的流程图。
具体实施方式
31.在图1中呈现出了用于车辆中(在图1中未示出)的燃料电池系统12的功率分配的装置10的实施形式的简化和示意性原理图。装置10具有第一燃料电池系统12和至少一个另外的第二燃料电池系统12。第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12将氢气和氧气转变为水，以从中产生电能。然而，装置10不限于两个燃料电池系统12并且可以包含另外的燃料电池系统12。通过燃料电池系统12产生的电能可以提供给车辆的电机(在图1中未示出)或
存储在装置10的电池系统18中。
32.装置10还具有控制单元14，其利用电信号s操控第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12。这在图1中通过箭头简化地说明。
33.在此，第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12时间上偏移地利用电信号s操控，即它们彼此不同地运行。这使燃料电池系统12的时间上变化的功率分配能够实现。
34.在此，可以通过电信号s调制由第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12产生的电能，尤其是通过第一燃料电池系统12产生的第一电流和通过第二燃料电池系统12产生的另外的第二电流。
35.由于时间上偏移地利用电信号s操控第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12，可以如此调制第一电流和第二电流，使得由通过第一燃料电池系统12产生的第一电功率p1和通过第二燃料电池系统12产生的另外的第二电功率p2组成的总功率p
sum
在时间上至少部分恒定或对应于预设的功率需求。例如，在氧气化铂(pto
x
)的转化时产生的第一燃料电池系统12的功率下降可以通过第二燃料电池系统12补偿，且反之亦然。
36.在图2中简化地呈现出了第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12的第一电功率p1和第二电功率p2的时间走向。通过第一电流和第二电流以及由此第一电功率p1和第二电功率p2的时间上偏移的操控和从中产生的时间上偏移的调制产生至少部分时间上恒定的总功率p
sum
。因此，不需要来自电池系统18的额外的功率补偿。
37.尤其地，通过电信号s可以将时间上偏移的振荡osz施加到第一电流和第二电流。然而，这不是限制性的，并且其他的调制形式也是可能的，例如方波脉冲或/和类似的形式。
38.通过第一电流和第二电流的时间上偏移的振荡osz，第一燃料电池系统12中的电压和第二燃料电池系统12中的电压可以暂时变化，尤其是增加或降低。换句话说，施加到第一电流和第二电流的时间上偏移的振荡osz转移到第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12中各自的电压。由于pto
x
分解比合成快，可以通过各自的燃料电池系统12中的电压的交替的变化总体上分解的pto
x
比合成的pto
x
多。由此通过ptox也平均产生较少的电压损失。这增加了分别的燃料电池系统12的效率和有效系数。在少于2分钟的时间周期内，在此每个燃料电池系统12可以得到超过1%的有效系数受益。由此也减少装置10的氢气消耗，这在图3中说明。图3示出了根据本发明的装置10的氢气消耗v
h2
的时间走向，其用osz标明，相对于没有施加的振荡的传统燃料电池系统的参考氢气消耗v
h2
，其用ref标明。在曲线的比较时可看出，通过振荡的施加至少可以暂时节省氢气。这在图3中通过箭头或曲线osz在参考线ref下方延伸所在的区域简绘。
39.在另一个的实施形式中，还可以集成三个燃料电池系统12或更多。由此可以进一步提高单个燃料电池系统12的有效系数。
40.控制单元14还可以具有生成电信号s的调制器m。在此可以使用各种调制方法，以生成电信号s，例如振幅调制、频率调制、相位调制或/和类似的。
41.第一燃料电池系统12和另外的第二燃料电池系统12可以各自具有至少一个燃料电池，其包括膜电极装置和催化剂。
42.催化剂可以具有铂。
43.装置10还可以具有氢气存储器16，其为第一燃料电池系统12或/和另外的第二燃料电池系统12提供氢气。这在图1中通过相应的箭头说明。
44.装置10还可以具有如上所述的电池系统18，其存储由各自的燃料电池系统12产生的电能并且提供存储的能量，例如给车辆的电机。
45.在一个实施形式中，时间上偏移的振荡也可以通过利用电信号s的操控而施加到电池系统18的电流。这可以进一步简化可调节性。
46.在图4中呈现出了用于车辆中的燃料电池系统12的功率分配的方法100的简化和示意性流程图。
47.在步骤s120中，氢气和氧气通过第一燃料电池系统12和至少一个另外的第二燃料电池系统12转变为水，以从中产生电能。
48.在步骤s130中，第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12通过控制单元14利用各自的电信号s操控。
49.在此，时间上偏移地利用电信号s操控第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12。由此，第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统之间的功率分配可以时间上变化。
50.通过电信号s可以调制由第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12产生的电能，尤其是通过第一燃料电池系统12产生的第一电流和通过第二燃料电池系统12产生的另外的第二电流。
51.利用电信号s时间上偏移地操控第一燃料电池系统12和第二燃料电池系统12，使第一电流和第二电流能够如此被调制，使得由通过第一燃料电池系统12产生的第一电功率p1和通过第二燃料电池系统12产生的另外的第二的电功率p2组成的总功率p
sum
在时间上至少部分恒定或对应于预设的功率需求。
52.通过电信号s可以将时间上偏移的振荡osz施加到第一电流和第二电流。
53.在步骤s110中，可以通过氢气存储器18为第一燃料电池系统12和/或第二燃料电池系统12提供氢气。