Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Fahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem einen Verdichter, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle aufweist, wobei der Verdichter eine Rotorwelle und ein Luftlager aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle zu lagern, und wobei das Fahrzeug eine pneumatische Druckluftversorgung aufweist.

Der Brennstoffzellenantrieb ist für die Fahrzeugindustrie allgemein und die Nutzfahrzeugindustrie insbesondere als Nachfolgetechnologie für Verbrennungsmotoren, die auf fossile Brennstoffe zurückgreifen, von zunehmender Bedeutung. Aufgrund der physikalischen Voraussetzungen sind an den Betrieb von Brennstoffzellensystemen im Fahrzeugbetrieb besondere Anforderungen gestellt. Zu den relevanten Voraussetzungen zählt eine störungsfreie kathodenseitige Luftversorgung der Brennstoffzelle, wozu das Brennstoffzellensystem auf einen (oder mehrere) dedizierten Verdichter zurückgreift.

Es besteht aus Gründen der Kosteneffizienz und Stauraumnutzung das Bestreben, in Brennstoffzellensystemen kompakte Verdichter einzusetzen, die mit hohen Drehzahlen arbeiten. Aufgrund der hohen Drehzahlen ist der Verschleiß insbesondere im Bereich der Lagerung des Verdichters ein kritischer Faktor, der die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems beschränkt und Wartungsaufwand nach sich zieht. Zur Verschleißminderung wurde die Verwendung von Luftlagern an der Rotorwelle des Verdichters vorgeschlagen. Luftlager haben den prinzipbedingten Vorteil, dass sie bei ausreichend hoher Betriebsdrehzahl oberhalb der Abhebedrehzahl, im Wesentlichen verschleißfrei arbeiten. Es ist allerdings im Betrieb des Fahrzeugs mitunter beobachtet worden, dass es dennoch zu ungewollten Kontakten zwischen den rotierenden entstehenden Bauteilen im Verdichter, und damit zu Verschleißereignissen kommen kann.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Herausforderungen möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs benannten Art vorzuschlagen, welches hinsichtlich des Brennstoffzellensystems mit verlängerten Wartungsintervallen betrieben werden kann. Ferner lag der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen Fahrzeug die Langlebigkeit des Luftlagers zu verbessern.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Fahrzeug der eingangs bezeichneten Art, indem das Luftlager mittels eines Luftlager- Strömungspfads fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbunden ist, das Fahrzeug ferner ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, welches in dem Luftlager-Strömungspfad zwischen der Druckluftversorgung und dem Luftlager angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager-Strömungspfad selektiv zu sperren und zu öffnen, und ein Steuergerät aufweist, welches signalleitend mit dem Absperrorgan verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers das Absperrorgan zu öffnen und zu sperren.

Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, dass die zusätzliche Unterstützung der Luftlagerung mittels Einblasen von Luft in den Luftlager-Strömungspfad die Tragfähigkeit des Luftlagers für die Dauer des Einblasens signifikant erhöhen kann. Die Erfindung schlägt in diesem Zusammenhang vor, mittels des Steuergeräts das Absperrorgan immer dann zu öffnen, wenn die für das Luftlager bekannten Tragfähigkeitsindikatoren eine ausreichend starke Herabsetzung der Tragfähigkeit indizieren. Zugleich kann das Steuergerät erfindungsgemäß das Absperrorgan auch sperren, und das Einblasen von zusätzlicher Druckluft in den Luftlager-Strömungspfad unterbinden, wenn die Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers indizieren, dass die Tragfähigkeit des Luftlagers ausreichend hoch ist, um ohne zusätzliche Luftunterstützung verschleißfrei betrieben werden zu können. Das Abhängigmachen der Luftunterstützung für das Luftlager von den Tragfähigkeitsindikatoren bietet somit eine deutliche Erhöhung der Lebenserwartung des Luftlagers und damit des Brennstoffzellensystems insgesamt, gewährleistet aber gleichzeitig einen ressourcenschonenden Umgang mit der Druckluft, weil sie nur dann zugeführt wird, wenn sie auch benötigt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die Tragfähigkeitsindikatoren zu empfangen, mit vorbestimmten Kriterien für die Tragfähigkeitsindikatoren zu vergleichen und bei Vorliegen der vorbestimmten Kriterien, d. h. Einschaltkriterien, das Absperrorgan zu öffnen, um das Luftlager mit zusätzlicher druckbeaufschlagter Luft aus der pneumatischen Druckluftversorgung zu unterstützen, oder bei Nicht-Mehr- Vorliegen der Kriterien zu schließen, um die zusätzliche Unterstützung abzuschalten.

Die Tragfähigkeitsindikatoren sind in bevorzugten Ausführungsformen im Steuergerät hinterlegt, vorzugsweise als diskrete Kennwerte, als Wertepaare in Look-Up-Tabellen, oder in Form mehrdimensionaler Kennfelder.

Nachfolgend wird exemplarisch auf verschiedene Tragfähigkeitsindikatoren eingegangen, die sich für eine Verwendung im Rahmen der Erfindung als besonders geeignet herausgestellt haben.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren einen Umgebungsdruck, und die vorbestimmten Kriterien umfassen ein Unterschreiten eines vorbestimmten Umgebungsdrucks. Es ist erkannt worden, dass die Tragfähigkeit des Luftlagers abnimmt, je geringer der Umgebungsdruck ist, was sich beispielsweise bei Gebirgefahrten bemerkbar macht. Sobald im Betrieb des Fahrzeugs ein vorbestimmter Umgebungsdruck unterschritten wird, und das Steuergerät diesbezüglich einen dafür repräsentativen Tragfähigkeitsindikator empfängt, kann das Steuergerät mittels öffnen des Absperrorgans zusätzliche Druckluft in das Luftlager einblasen und die Tragfähigkeit des Luftlagers unterstützen, etwa bis der Umgebungsdruck wieder oberhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, und die vorbestimmten Kriterien umfassen ein Unterschreiten einer vorbestimmten Umgebungstemperatur. Es ist erkannt worden, dass die Tragfähigkeit des Luftlagers mit steigender Temperatur in der Umgebung zunimmt, bzw. im Umkehrschluss bei sinkenden Umgebungstemperaturen abnimmt. Sofern also als Einschaltkriterium eine vorbestimmte Umgebungstemperatur unterschritten wird, aktiviert das Steuergerät mittels Ansteuern des Absperrorgans die zusätzliche Luftunterstützung, und beendet sie wieder, sobald die Temperatur oberhalb des Einschaltkriteriums liegt. In bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen werden, dass bei wiederholten Schwankungen um das Einschaltkriterium herum, beispielsweise einem wiederholten Absinken der Umgebungstemperatur unter die vorbestimmte Mindesttemperatur innerhalb eines festgelegten Beobachtungszeitraums, die Luftunterstützung nicht wieder deaktiviert wird, sondern über einen längeren Zeitraum aktiv bleibt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren Beschleunigungsereignisse mit vorbestimmter Amplitude und/oder Häufigkeit, wobei die vorbestimmten Kriterien ein Überschreiten einer vorbestimmten Amplitude und/oder einer vorbestimmten Häufigkeit der Beschleunigungsereignisse umfassen.

Beschleunigungsereignisse können entweder mit bestimmter Frequenz, also regelmäßig, auftreten, oder mit unregelmäßiger Häufigkeit. Unter regelmäßig auftretenden Beschleunigungsereignissen wären beispielsweise Vibrationen zu verstehen. Solche Vibrationen können sich beispielsweise ausgehend von wiederkehrenden Unebenheiten im Fahrbahnbelag, etwa Spurrillen, durch das Fahrwerk hindurch bis an den Fahrzeugaufbau übertragen. Unregelmäßige Beschleunigungsereignisse wären etwa vereinzelte Schläge, beispielsweise in Folge des Durchfahrens von Schlaglöchern oder Kanten, aber auch Beschleunigungsereignisse aufgrund von fahrdynamischen Effekten, beispielsweise Seitenneigungen in Kurven oder starke Verzögerungen. Das Luftlager bewirkt auch ohne zusätzliche Luftunterstützung je nach Drehzahl der Rotorwelle das Ausbilden einer bestimmten Tragfähigkeit, d. h. eines bestimmten Luftpolsters im Luftlager. Je höher die Tragfähigkeit des Luftlagers aus sich heraus, also ohne Luftunterstützung ist, desto höher kann die Amplitude und/oder Häufigkeit der Beschleunigungsereignisse ausfallen, um dennoch nicht zu einem Anschlägen der Rotorwelle zu führen, so dass das Einschaltkriterium für die Luftunterstützung auch von der Drehzahl der r Rotorwelle abhängig variieren kann. Die als Einschaltkriterium geeignete Höhe der Beschleunigungsamplitude und/oder Häufigkeit der Beschleunigungsereignisse pro festgelegtem Zeitintervall lassen sich in Vorversuchen ermitteln und im Steuergerät hinterlegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren eine Drehzahl der Rotorwelle, wobei die vorbestimmten Kriterien ein Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahl der Rotorwelle umfassen. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Beeinflussung der Tragfähigkeit durch die Drehzahl der Rotorwelle ist die Tragfähigkeit des Luftlagers umso höher, je höher die Drehzahl der Rotorwelle ist. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass die Tragfähigkeit umso stärker abnimmt, je geringer die Drehzahl der Rotorwelle wird. Sofern also bei Unterschreiten einer vorbestimmten Mindestdrehzahl der Rotorwelle ein Einschaltkriterium vorliegt, ist in dieser Ausführungsform das Steuergerät dazu eingerichtet, wiederum das Absperrorgan zum zusätzlichen Einblasen von Luft in das Luftlager zu öffnen.

Es ist festgestellt worden, dass insbesondere in Betriebssituationen, in denen der Verdichter des Brennstoffzellensystems nahe an der Pumpgrenze des Verdichters arbeitet, es im Verdichterlager, hier also im Luftlager, zu einer Ausbildung von Unwuchten kommt. Mittels des zusätzlichen Unterstützens des Luftlagers durch Einblasen von Luftdruck kann vom aerodynamischen Betrieb in einen aerostatischen Unterstützungsbetrieb übergegangen werden. Die Erkennung der Nähe zur Pumpgrenze kann beispielsweise mittels Verwendung mehrerer Sensoren anhand vorbekannter, im Wege der Kalibration ermittelter Kennfelder vorgenommen werden, etwa mittels einer Kombination von Massenstromsensoren zur Durchsatzermittlung, Drehzahlsensoren, und/oder Drucksensoren. Auch eine akustische Erkennung der Pumpgrenze mittels Erfassen von Strömungsabrissen ist grundsätzlich möglich, wenngleich dann zu beachten ist, dass bei Auftreten der Strömungsabrisse die Pumpgrenze bereits überschritten ist.

Der Betrieb des Verdichters bei geringen Drehzahlen kann auf diese Weise unterstützt werden, beispielsweise wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei längeren Bergabfahrten kontrolliert heruntergefahren wird. Eine Luftunterstützung infolge Unterschreitung einer Mindestdrehzahl kann erfindungsgemäß auch in Betracht kommen, wenn die Rotorwelle stillsteht oder bis auf den Stillstand verzögert wird, wenn etwa der Kompressor abgeschaltet wird, das Fahrzeug aber trotzdem gefahren wird. Es ist bei Fahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen, mit Brennstoffzellenantrieb in der Regel eine sogenannte Pufferbatterie installiert, die über begrenzte Strecken einen rein batterieelektrischen Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht. Genauso ist bei den vorbezeichneten Fahrzeugen bei längeren Gefällestrecken ein Regenerationsbetrieb vorgesehen, in dem elektrische Energie rekuperiert wird, und die Brennstoffzelle nicht arbeiten muss. Auch bei einer Reduktion der Drehzahl auf den Wert 0 ist gemäß dieser Ausführungsform eine Luftunterstützung sinnvoll und gewünscht. Die Lebensdauer des Verdichters wird hierdurch weiter gesteigert. Durch die Luftdruckunterstützung des Luftlagers kann das ansonsten fehlende Ausbilden eines jeglichen Tragdrucks durch das Lager selbst weitgehend kompensiert werden. Von dieser Maßnahme profitieren alle zur Verwendung in Betracht kommenden Lagerarten, und vor allem auch die bevorzugten Spiralrillenlager, die aus Kohlenstoffwerkstoffen oder Keramikwerkstoffen bestehen können und dann sehr spröde sind. Schutz dieser Bauteile vor Vibrationen und Stoßbelastungen reduziert die Gefahr von Beschädigungen signifikant.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter mit einer elektrischen Maschine derart wirkverbunden, dass die Drehzahl der Rotorwelle eine Funktion der Drehzahl der elektrischen Maschine ist, und das Steuergerät ist dazu eingerichtet, aus der Drehzahl der elektrischen Maschine die Drehzahl der Rotorwelle zu ermitteln. Hierzu ist das Steuergerät vorzugsweise signalleitend mit der elektrischen Maschine verbunden und dazu eingerichtet, die elektrischen Leistungsdaten der elektrischen Maschine auszulesen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren einen Durchsatz des Verdichters, wobei die vorbestimmten Kriterien ein Unterschreiten eines vorbestimmten Durchsatzes des Verdichters umfassen. Der Durchsatz des Verdichters wird üblicherweise durch den geförderten Massenstrom oder Volumenstrom charakterisiert und erlaubt so alternativ oder zusätzlich zur Drehzahl des Verdichters eine zuverlässige Aussage darüber, ob der Verdichter nahe seiner Pumpgrenze betrieben wird. Sinkt der Durchsatz durch den Verdichter, ist das Steuergerät vorzugsweise dazu eingerichtet, mittels Ansteuern des Absperrorgans die zusätzliche Luftunterstützung anzuweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeug eine Sensoranordnung auf, die dazu eingerichtet ist, einen, mehrere oder sämtliche der auch vorstehend bereits beschriebenen Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers zu detektieren, wobei das Steuergerät mit der Sensoranordnung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Tragfähigkeitsindikatoren von der Sensoranordnung zu empfangen und zu verarbeiten.

Die Sensoranordnung umfasst in den bevorzugten Ausführungsformen vorteilhafterweise - einen oder mehrere Drucksensoren, die zur Erfassung des Umgebungsdrucks eingerichtet sind, und/oder

- einen oder mehrere Temperatursensoren, die zur Erfassung der Umgebungstemperatur eingerichtet sind, und/oder

- einen oder mehrere Drehzahlsensoren, die dazu eingerichtet sind, die Drehzahl der Rotorwelle zu erfassen, und/oder

- einen oder mehrere Beschleunigungssensoren, welche zur Erfassung der Amplitude und/oder Häufigkeit der Beschleunigungsereignisse eingerichtet sind, und/oder

- einen oder mehrere Durchflusssensoren, die dazu eingerichtet sind, den Durchsatz des Verdichters zu erfassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan in Abhängigkeit einer Unterkombination mehrerer Tragfähigkeitsindikatoren zu schalten.

Vorzugsweise sind die Tragfähigkeitsindikatoren als individuelle Kennwerte, als Wertepaare in Look-Up-Tabellen, oder in Form von mehrdimensionalen Kennfeldern im Steuergerät hinterlegt. So kann beispielsweise der Tragfähigkeitsindikator der Drehzahl mit der Umgebungstemperatur und/oder anderen Parametern kombiniert werden. Liegt beispielsweise die Betriebstemperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems bei 60 °C, ist die kritische Drehzahl, ab welcher Unterstützung erforderlich wird, etwas niedriger als wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise -10 °C beträgt. Auch bei den Tragfähigkeitsindikatoren der Beschleunigungsereignisse kann die Einschaltbedingung, also die Amplitude und/oder Häufigkeit des Beschleunigungsereignisses umso höher sein, je höher die Drehzahl der Rotorwelle ist, weil jene zu einer höheren Grund-Tragfähigkeit des Lagers führt, bei ansonsten gleichen Umgebungsparametern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die im Steuergerät hinterlegten Tragfähigkeitsindikatoren in Abhängigkeit der akkumulierten Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems variabel. Diese Ausführungsform trägt dem Ansatz Rechnung, dass trotz aller Verschleißminderungsmaßnahmen ein gewisser Verschleiß im Laufe der Lebensdauer des Verdichters am Lager auftreten wird. Das Lagerspiel nimmt mit zunehmender Betriebsdauer des Verdichters zu. Die Tragfähigkeit nimmt damit einhergehend erwartungsgemäß ab. Der Betriebspunkt, ab dem Luftunterstützung nötig wird, d. h. das Einschaltkriterium, variiert dementsprechend, sodass bei einem Verdichter mit fortgeschrittener Lebensdauer Luftunterstützung schon bei weniger starken Beschleunigungsereignissen, höheren Umgebungsdrücken, höheren Umgebungstemperaturen, höheren Drehzahlen und höheren Verdichterdurchsätzen erforderlich werden kann. Die Anpassung der Tragfähigkeitsindikatoren als Funktionen eines zeitlichen Verlaufs trägt dem Rechnung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan ab Erreichen einer akkumulierten Betriebsdauer des Luftlagers in vorbestimmter Höhe permanent offen zu stellen. Der Zeitpunkt ist vorzugsweise so voreingestellt, dass er einem erwarteten Verschleißniveau entspricht, das eine permanente zusätzliche Luftunterstützung für den Weiterbetrieb des Verdichters sinnvoll oder gar erforderlich macht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Tragfähigkeitsindikatoren auch Topographieinformationen, die repräsentativ für einen erwarteten Unterstützungsbedarf des Luftlagers sind, und das Fahrzeug umfasst ein Steuersystem, insbesondere Flottenmanagementsystem, welches dazu eingerichtet ist, die Topographieinformationen bereitzustellen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Absperrorgan in Abhängigkeit dieser Topographieinformationen zu öffnen und zu sperren.

Die Topographieinformationen können in bevorzugten Ausgestaltungen eine, mehrere oder sämtliche der folgenden Informationen umfassen:

- Höhe des Fahrzeugs über Normal-Null,

- Erwarteter Fahrbahnuntergrund, - Meteorologische Informationen, insbesondere Umgebungsdruck und/oder Umgebungstemperatur,

- Steigungen und/oder Gefällestrecken der Fahrbahn.

Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung mittels einer Sensoranordnung können die Topographieinformationen folglich auch aus dem Steuersystem des Fahrzeugs entnommen werden. Gerade bei der Verwendung von Routennavigation mit Topographieinformationen ist in der Regel im Vorfeld bekannt, wann das Fahrzeug sich auf bestimmte Höhen bewegen muss, und wann das Fahrzeug erwartungsgemäß über schlechte Straßen fahren muss. Zudem ist über meteorologische Vorhersagedaten oder manuell voreingestellten meteorologischen Informationen eine Abschätzung der zu erwartenden Umgebungstemperaturen und Umgebungsdrücke, und die Vorgabe jener vorbestimmten Werte als Einschaltkriterien möglich, anhand derer das Steuergerät die Unterstützung einschalten oder ausschalten kann. Dasselbe gilt für erwartete Steigungen und Gefällestrecken und dem damit einhergehenden Einfluss auf den zu erwartenden Betrieb (oder Betriebspausen) des Brennstoffzellensystems.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, einen Unterstützungsbefehl zu empfangen und in Abhängigkeit des Empfangens dieses Befehls das Absperrorgan zu öffnen und zu sperren. Der Unterstützungsbefehl kann ein manueller Fahrerbefehl sein, der über eine Bedienerschnittstelle eingegeben wird, oder ein automatischer Befehl des Steuersystems, beispielsweise eines Systems zum (teil-) autonomen Betrieb des Fahrzeugs.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät in eine Brennstoffzellensteuerung des Brennstoffzellensystems integriert, oder in ein Bremssteuergerät des Fahrzeugs. Das Steuergerät kann ein dediziertes Steuergerät sein oder hardwaremäßig oder softwaremäßig in eine der vorstehend bezeichneten Steuerungen implementiert sein. Das Steuergerät weist in allgemein bekannter Weise einen oder mehrere Prozessoren und einen Datenspeicher, oder eine Schnittstelle zum Zugriff auf einen Datenspeicher, auf und weist Computerprogrammmittel zur Datenverarbeitung der Tragfähigkeitsindikatoren auf und zur Übersendung der hierauf basierenden Steuerbefehle.

Die Erfindung ist vorstehend anhand eines ersten Aspekts unter Bezugnahme auf ein Fahrzeug beschrieben worden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, wobei das Fahrzeug eine pneumatische Druckluftversorgung aufweist, und das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und einen Verdichter, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung in der Brennstoffzelle aufweist, wobei der Verdichter eine Rotorwelle und ein Luftlager aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle zu lagern. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Brennstoffzellensystem, indem das Luftlager dazu eingerichtet ist, mittels eines Luftlager-Strömungspfads fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbunden zu werden, und das Brennstoffzellensystem ferner ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, welches in dem Luftlager- Strömungspfad zwischen der Druckluftversorgung und dem Luftlager angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager-Strömungspfad selektiv zu sperren und zu öffnen, und ein Steuergerät aufweist, welches signalleitend mit dem Absperrorgan verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers das Absperrorgan zu öffnen und zu sperren.

Das Brennstoffzellensystem macht sich dieselben Vorteile zunutze wie das Fahrzeug gemäß dem ersten Aspekt. Bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeugs sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Das Absperrorgan, welches Teil des Brennstoffzellensystems ist, kann baulich in das Brennstoffzellensystem integriert sein, kann allerdings auch lediglich funktional dem Brennstoffzellensystem zugeordnet sein, und baulich dem Bremssystem des Fahrzeugs zugeordnet sein, beispielsweise der pneumatischen Bremsanlage.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.

Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Antreiben des Fahrzeugs mittels des Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Verdichter aufweist, der die Brennstoffzelle kathodenseitig mit Luft versorgt, wobei der Verdichter ein Luftlager aufweist,

- Bereitstellen von druckbeaufschlagter Luft mittels einer pneumatischen Druckluftversorgung des Fahrzeugs, in einem Luftlager-Strömungspfad, der das Luftlager fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbindet und in dem ein Absperrorgan angeordnet ist,

- Erfassen von Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers, und

- selektives Sperren und Öffnen des Luftlager-Strömungspfads mittels Ansteuern des Absperrorgans in Abhängigkeit der erfassten Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich dieselben Vorteile zunutze wie das Fahrzeug und das Brennstoffzellensystem gemäß den weiter oben beschriebenen Aspekten. Bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeugs und des Brennstoffzellensystems sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen, mehrere oder sämtliche der Schritte:

- Empfangen der Tragfähigkeitsindikatoren mittels des Steuergeräts, - Vergleichen der Tragfähigkeitsindikatoren mit vorbestimmten Kriterien für die Tragfähigkeitsindikatoren, und bei Vorliegen der vorbestimmten Kriterien Öffnen des Absperrorgans, um das Luftlager mit zusätzlicher druckbeaufschlagter Luft aus der pneumatischen Druckluftversorgung zu unterstützen, oder Schließen des Absperrorgans, um die zusätzliche Unterstützung abzuschalten;

- Erfassen der Drehzahl der elektrischen Maschine und Ermitteln der Drehzahl der Rotorwelle daraus;

- Detektieren eines, mehrerer oder sämtlicher der Tragfähigkeitsindikatoren des Luftlagers, insbesondere mittels einer Sensoranordnung;

- Empfangen der Tragfähigkeitsindikatoren am Steuergerät, und Verarbeiten der empfangenen Tragfähigkeitsindikatoren, insbesondere mittels des Steuergeräts;

- Schalten des Absperrorgans in Abhängigkeit einer Unterkombination mehrerer Tragfähigkeitsindikatoren;

- Bereitstellen der Topographieinformationen mittels eines Flottenmanagementsystems, und Öffnen oder Sperren des Absperrorgans in Abhängigkeit der Topographieinformationen;

- Empfangen eines Unterstützungsbefehls, insbesondere mittels des Steuergeräts, und Öffnen oder Sperren des Absperrorgans in Abhängigkeit des Empfangens dieses Befehls.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Steuergerät, indem das Steuergerät dazu eingerichtet ist, in dem Verfahren gemäß den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen das Brennstoffzellensystem zu steuern und das Absperrorgan in Abhängigkeit der Tragfähigkeitsindikatoren zu steuern.

Das erfindungsgemäße Steuergerät macht sich dieselben Vorteile zunutze wie das Fahrzeug, das Brennstoffzellensystem und das Verfahren gemäß den weiter oben beschriebenen Aspekten. Bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeugs, des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Steuergeräts und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figur beschrieben, wobei

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem zeigt.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug 300 mit einem Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Zur besseren Anschaulichkeit sind nur die für die Erfindung und für deren Verständnis relevanten Komponenten dargestellt. Es soll verstanden werden, dass das Brennstoffzellensystem 100 diverse weitere Komponenten zu seiner ordnungsgemäßen Funktionsweise benötigen kann und regelmäßig aufweist. Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 100 funktioniert im Wesentlichen wie vorbekannte Brennstoffzellensysteme mit Ausnahme der hier geschilderten Erfindungsaspekte.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle 101 auf. Die Brennstoffzelle 101 weist eine kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 und eine anodenseitige Wasserstoffzufuhr 104 auf. Die kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 ist fluidleitend mit einem Verdichter 1 verbunden. Der in Fig. 1 gezeigte Verdichter 1 weist wenigstens eine Verdichterstufe 2 auf. Der Verdichter 1 kann auch als mehrstufiger Verdichter ausgebildet sein, für das Verständnis der Erfindung genügt aber die Erläuterung nur einer Verdichterstufe.

Die Verdichterstufe 2 ist dazu eingerichtet, dass ihr zugeführte Gas- oder Stoffgemisch, üblicherweise 02-haltige Luft, zu verdichten und mit erhöhtem Druck in Richtung der Brennstoffzelle 101 abzugeben. Der Verdichter 1 weist zum Betrieb der Verdichterstufe 2 eine elektrische Maschine 3 mit einer Rotorwelle 5 gekoppelt, welche von der elektrischen Maschine 3 rotatorisch angetrieben wird.

Die Rotorwelle 5 ist mittels einer Lageranordnung 11 rotatorisch in einem Verdichtergehäuse 10 gelagert, wobei die Lageranordnung 11 wenigstens ein Axial-Luftlager 11 a sowie wenigstens zwei Radial-Luftlager 11 b, 11c aufweist. Das Axial-Luftlager kann ein aerodynamisch-aerostatisches Luftlager sein. Die Radial-Luftlager 11 b, 11 c können als kombinierte aerodynamisch-aerostatische Luftlager 11 b, 11 c ausgebildet sein. Es könnten alternativ auch zwei aerodynamische Radial-Luftlager und ein oder mehrere aerostatische Radial- Luftlager verwendet werden.

Die Lageranordnung 11 ist mit einem Luftlager-Strömungspfad 7 verbunden, der mit einer Druckluftversorgung 200 fluidleitend verbindbar ist, um dem Luftlager-Strömungspfad 7 druckbeaufschlagte Luft L zur Verfügung zu stellen. Die Druckluftversorgung 200 kann eine dedizierte Druckluftversorgung sein mit einem Druckspeicher und/oder einem Kompressor (beide nicht dargestellt). Die Druckluftversorgung 200 ist besonders bevorzugt in ein Druckluftversorgungssystem des Fahrzeugs 300 integriert, beispielsweise mit einem eigenen Kompressor (nicht dargestellt) und einer eigenen Luftaufbereitungseinrichtung (nicht dargestellt).

Die Druckluftversorgung 200 ist beispielsweise zur Versorgung der Fahrzeugbremse und ggf. weiterer Systeme wie etwa einer Luftfederung, einem Getriebe etc. eingerichtet und weist dazu einen oder mehrere Druckluftkreise 201 auf. Das Brennstoffzellensystem 100 kann dadurch beispielsweise druckbeaufschlagte Luft L aus einem Druckluftkreis 203 für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher entnehmen.

Der Luftlager-Strömungspfad 7 weist einen Filter 9 auf, welcher beispielsweise ein Ölfilter oder ein Partikelfilter sein kann. Mithilfe des Filters 9 wird sichergestellt, dass technisch reine Luft, vor allem ölfreie Luft, in den Verdichter 1 gelangen kann, Verschmutzungen und Verunreinigungen, insbesondere Öl, aber vom Eindringen in den Verdichter 1 abgehalten werden.

In dem Luftlager-Strömungspfad 7 ist ein Absperrorgan 13 angeordnet und dazu eingerichtet, selektiv zwischen einer Öffnungsstellung und einer Sperrstellung hin- und her geschaltet zu werden, wobei in der Sperrstellung ein Fluidstrom durch den Luftlager-Strömungspfad 7 in die Luftlager 11 a bis 11 c unterbunden und in der Öffnungsstellung freigegeben ist.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ein Steuergerät 103 auf, das signalleitend mit der Brennstoffzelle 101 verbunden ist, um bedarfsabhängig den Verdichter 1 zum Zuführen von Sauerstoff zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 anzusteuern.

Das Steuergerät 103 ist mit dem Absperrorgan 13 signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, das Absperrorgan 13 in Abhängigkeit der Ansteuerung des Elektromotors 3 zu öffnen und zu sperren.

Das Steuergerät 103 ist signalleitend mit der elektrischen Maschine 3 verbunden und dazu eingerichtet, die Rotorwelle 5 mit einer Drehzahl n für eine von der Brennstoffzelle 101 benötigte Verdichtungsleistung der Verdichterstufe

2 anzusteuern.

Das Fahrzeug 300 weist eine Sensoranordnung 15 auf, welche dazu eingerichtet ist, mehrere Tragfähigkeitsindikatoren TFI zu detektieren und repräsentative Signaldaten dieser Tragfähigkeitsindikatoren TFI auszusenden. Die Sensoranordnung 15 weist einen Drehzahlsensor 17 zur Erfassung einer Drehzahl n der Rotorwelle 5, einen Beschleunigungssensor 19 zur Erfassung von Amplitude und/oder Häufigkeit einer Beschleunigung a des Fahrzeugs 300, einem Temperatursensor 21 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur -0, einen Drucksensor 23 zur Erfassung eines Umgebungsdrucks p, und einen Massenstromsensor 25 zur Erfassung eines Durchsatzes m, vorzugsweise einlassseitig am Verdichter 1 . Das Steuergerät 103 ist signalleitend mit einer Sensoranordnung 15 verbunden. Die Tragfähigkeitsindikatoren TFI, im vorliegenden Beispiel also der Massenstrom m, die Umgebungstemperatur ö, der Umgebungsdruck p, die Beschleunigungen a und die Drehzahl n werden über allgemein bekannte Signalübertragungswege, drahtlos oder drahtgebunden, an das Steuergerät 103 übertragen.

Das Steuergerät 103 weist in allgemein bekannter, hier nicht gesondert dargestellter Weise einen Prozessor zur Datenverarbeitung auf, sowie einen Datenspeicher, in dem vorbestimmte Werte zum Ermitteln des Vorliegens einer Einschaltbedingung für das Absperrorgan 13 hinterlegt sind, beispielsweise in Form von Look up-Tabellen oder Kennfeldern. Im Einzelnen sind diese vorbestimmten Werte ein Mindest-Massenstrom rhmin, ein Mindestdruck pmin, eine Mindesttemperatur ömin, eine maximale Beschleunigung amax (insbesondere hinsichtlich Amplitude und/oder Häufigkeit) und eine Mindest- Drehzahl nmin für die Rotorwelle 5 des Verdichters 1 . Es soll verstanden werden, dass auch andere Kombinationen von Sensoren oder auch die Verwendung nur einzelner Sensoren Gegenstand der Erfindung ist.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Drehzahlsensors 17 ist das Steuergerät 103 derart mit der elektrischen Maschine 3 wirkverbunden, dass das Steuergerät 103, beispielsweise durch Auslesen der Leistungselektronik, etwa eines Inverters, die Drehzahl n der Rotorwelle 5 auch ohne Verwendung eines dedizierten Sensors ermitteln kann.

Das Steuergerät 103 ist dazu eingerichtet, die Tragfähigkeitsindikatoren TFI von der Sensoranordnung 15 bzw. der elektrischen Maschine 3 zu empfangen und mit den im internen Datenspeicher hinterlegten vorbestimmten Werten TFImin zu vergleichen. Sobald einer der erfassten und an das Steuergerät 103 übermittelten Tragfähigkeitsindikatoren TFI nach Abgleich mit im Datenspeicher hinterlegten vorbestimmten Werten, d. h. den Kriterien TFIG, das jeweilige Einschaltkriterium erfüllt, sendet das Steuergerät 103 einen Steuerbefehl SB an das Absperrorgan 13, um dieses selektiv zu öffnen und druckbeaufschlagte Luft aus der Druckluftversorgung 200 in die Lageranordnung, d. h. in die Luftlager 1 1 a bis 1 1 c, einzublasen und damit die Tragkraft der Lageranordnung 1 1 zu erhöhen.

Das Erfassen der Tragfähigkeitsindikatoren TFI wird vorzugsweise kontinuierlich, ggf. mit einer vorbestimmten Taktung, während des Betriebs des Fahrzeugs 300 ausgeführt.

Sobald kein Einschaltkriterium TFImin mehr vorliegt, sendet das Steuergerät 103 einen korrespondierenden Steuerbefehl SB an das Absperrorgan 13, um dieses wieder zu schließen.

In einer bevorzugten Variante, ebenfalls in der Figur abgebildet, ist das Steuergerät 103 signalleitend mit einem Steuersystem 302 des Fahrzeugs 300 verbunden, welches beispielsweise ein Flottenmanagementsystem 301 aufweisen kann, und/oder ein System 303 zum (teil)autonomen Betrieb des Fahrzeugs 300. Das Steuersystem 302 ist dazu eingerichtet, Topographieinformationen T als Tragfähigkeitsindikatoren TFI an das Steuergerät 103 zu übersenden, beispielsweise topographische Informationen zum Höhenprofil einer zurückzulegenden Strecke, oder Topographieinformationen zum erwarteten Straßenzustand d.h. Informationen zu erwarteten Erschütterungen, also Beschleunigungsereignissen und/oder weitere der vorstehend im allgemeinen Teil beschriebenen Topographien.

Das Steuergerät 103 ist auch bezüglich dieser Tragfähigkeitsindikatoren TFI dazu eingerichtet, die übermittelten Werte mit den vorbestimmten Werten, d. h. Kriterien TFIG ZU vergleichen und bei Vorliegen eines Einschaltkriteriums einen Steuerbefehl SB an das Absperrorgan 13 zu übermitteln, um die Luftunterstützung für die Lageranordnung, insbesondere die Luftlager 1 1 a,b,c, anzuweisen.

Ferner kann, vorzugsweise von dem System 303, das Steuergerät 103 auch manuelle Unterstützungsbefehle Sman empfangen und daraufhin die Steuerbefehle SB an das Absperrorgan 13 übersenden, wenn der Fahrer (oder ein virtueller Fahrer) manuelle Luftunterstützung anfordert.

BEZUGSZEICHENLISTE (TEIL DER BESCHREIBUNG)

1 Verdichter

2 Verdichterstufe

3 elektrische Maschine

5 Rotorwelle

7 Luftlager-Strömungspfad

9 Filter

10 Verdichtergehäuse

11 Lageranordnung:

11 a Axiallager

11 b (aerostatisches) Radial-Luftlager

11 c (aerodynamisches) Radial-Luftlager

13 Absperrorgan

15 Sensoranordnung

17 Drehzahlsensor

19 Beschleunigungssensor

21 Temperatursensor

23 Drucksensor

25 Massenstromsensor

100 B re nnstoff zellensystem

101 Brennstoffzelle

102 kathodenseitige Sauerstoffzufuhr

103 Steuergerät

104 anodenseitige Wasserstoffzufuhr

200 Druckluftversorgung

201 Druckluftkreis

203 Druckluftkreis für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher

300 Fahrzeug

301 Flottenmanagementsystem

302 Steuersystem des Fahrzeugs

303 System zum (teil)autonomen Betrieb des Fahrzeugs

02 Luft H2 Wasserstoff

TFI Tragfähigkeitsindikator

TFIG vorbestimmte Kriterien für Tragfähigkeitsindikator

T Topographieinformation

Sman manueller Unterstützungsbefehl

SB Steuerbefehl n Drehzahl rimin Mindestdrehzahl m Massenstrom m min Mindestmassenstrom ö Umgebungstemperatur

3min Mindestumgebungstemperatur p Umgebungsdruck, pmin Mindestumgebungsdruck, a Beschleunigung (Amplitude und/oder Häufigkeit) amax Höchstbeschleunigung (Amplitude und/oder Häufigkeit)