用于燃料电池系统的智能加热的方法以及车辆 [0001] 本发明涉及一种用于在权利要求1的通用术语中更详细地定义的类型的燃料电池系统的智能加热的方法，以及涉及一种具有这样的燃料电池系统的车辆。 [0002] 出于可持续性和环境保护的原因，车辆越来越多地电气化。这样的车辆通常具有牵引电池和/或燃料电池系统以提供电驱动能量。由这样的燃料电池系统通常使用的10能量载体是氢，氢与氧反应以形成水。通过储存化学能量载体，可以实现比纯电池电驱动更大的范围。 [0003] 为了确保反应过程能够在燃料电池系统内发生，必须在被使用之前除霜或预热到操作温度。 [0004] 为了将车辆的燃料电池系统加热到操作温度，这样的车辆通常具有分开并且比较强大且因此昂贵的加热器。将加热器集成到车辆的高电压电气系统中也需要额外的成本。 由这样的加热器生成的热输出大约可以是10kW，这意味着燃料电池系统需要一定的时间来预热(尤其是在冬季)。因此在对应的车辆能够开始其行驶之前，可能花费若干分钟。 [0005] 此外，用于商用车辆的二级制动系统在现有技术中是已知的。此类型的二级制动系统(secondary braking system)例如可以包括所谓的减速器或制动斩波器，其可以用于减轻诸如摩擦制动器的一级制动系统(primary braking system)上的负荷。这种情况例如是在车辆不得不在沿着斜坡的长距离行驶中保持在恒定的速度时。 [0006] 减速器是液力制动器。当减速器接合时，轴动力从车辆的传动系统传递到被流体围绕的转子，由于转子与流体之间的摩擦，转子将制动扭矩传递回到传动系统。为了增加制动效果，这样的转子通常具有桨叶或叶片。摩擦致使液体(例如，水或油)大幅升温。 [0007] 制动斩波器是一种用于耗散多余电能的电子系统。为了制动由电动机驱动的车辆，该电动机可以在发电机模式下操作。这将制动扭矩传递到车辆的传动系统并且还生成电力。此电能可以用于为车辆的牵引电池充电。一旦牵引电池充满电，或者如果由发电机生成的电力超过可以用于为牵引电池充电的电力，则多余的电力在制动斩波器的帮助下转换成电阻器上的热量。 [0008] 为了防止相应的部件过热，必须将由减速器和/或制动斩波器耗散的热能传导出去。出于此目的，减速器或制动斩波器通常集成到车辆冷却系统中。 [0009] 使用由减速器或制动斩波器耗散的废热来加热车辆部件的装置和方法在现有技术中是已知的。例如，DE 43 92 959 B4公开了一种具有内燃机和减速器的车辆，其中减速器用于将内燃机快速加热到操作温度。出于此目的，内燃机在车辆静止时启动，并且用于驱动减速器。一方面，由于由减速器施加的反扭矩，内燃机升温更快，并且另一方面，由减速器耗散的热输出用于额外地使内燃机升温。快速使内燃机升温的优点是它更快地达到了其操作温度，这减少了排放。一旦内燃机已经达到其操作温度，减速器就自动与车辆的传动系统断开连接。 [0010] 还从WO 2007/064381 A2中已知类似的方法或类似的装置。该车辆由此被设计为混合电动或纯电动重型商用车辆。由制动斩波器耗散的热输出用于预热车辆发动机或对驾驶室进行空气调节。在电阻器处耗散的电流由发电机提供，例如，发电机由车辆的内燃机驱动。电力也可以汲取自车辆中的牵引电池或外部能源(诸如经由电力电缆连接到车辆的充电站)。在纯电池驱动车辆的情况下，也可以通过在发电机模式下操作车辆的驱动单元来通过再生制动发电。该文件还公开了使用燃料电池系统来提供电能。 [0011] 还从WO 2008/147305 A1中已知用于加热车辆部件的类似装置。这里，来自制动斩波器的热输出用于预热或回火燃料电池系统，并且如果需要，可以暂时储存在冷凝器中。 [0012] 本发明基于指定用于燃料电池系统的智能加热的方法的目的，借助该方法，由车辆的二级制动系统提供的热输出用于将燃料电池系统加热到操作温度，该方法使燃料电池系统能够特别快速、节能并因此可持续地加热。 [0013] 根据本发明，此目的通过用于具有根据权利要求1的特征的燃料电池系统的智能加热的方法以及具有根据权利要求7的特征的这样的燃料电池系统的车辆来实现。根据从属于其的权利要求，有利的实施方式和进一步的发展是显而易见的。 [0014] 在一种用于在开头提到的类型的燃料电池系统的智能加热的方法中，利用根据本发明的车辆执行规划的行驶，其中，在行驶期间，车辆在切换时间从电池电动操作切换到燃料电池操作模式，在该燃料电池操作模式中驱动车辆所需的驱动能量由燃料电池系统提供，其中，在行驶开始之前执行对规划的行驶的分析，以便确定在行驶的时段期间可以从二级制动系统汲取的热量，并且其中，切换时间被确定为可以被汲取的热量的函数，和/或燃料电池系统的加热在行驶开始之前开始，以确保燃料电池系统在达到切换时间时已经达到操作温度。 [0015] 使用根据本发明的方法，一方面可以以特别可持续和节能的方式使燃料电池系统升温，并且另一方面可以特别早地启动静止的车辆。通过分析行驶，可以确定二级制动系统可能何时操作以及以什么功率操作，以及可以从二级制动系统汲取多少热量。例如，评估从起点到目的点的路线，以确定路线的车辆需要制动的部分。这些包括例如斜坡、交通信号灯、十字路口、交叉路口等。在切换时间时，系统从电池电动操作切换到燃料电池操作模式。 这意味着当达到切换时间时，燃料电池系统必须已经达到其操作温度。如果由二级制动系统回收的热量不足以达到切换时的操作温度，则在车辆开始其行驶之前加热燃料电池系统。通过分析由二级制动系统在行驶期间可以提供的热量，可以在行驶开始之前减少预热燃料电池系统所需的热量。这意味着，一方面，通过制动车辆生成的特别高比例的再生能量可以用于加热燃料电池系统。另一方面，减少了当车辆静止时预热燃料电池系统所需的时间，从而允许车辆更快地启动和离开。因此，还可以将切换时间向前或向后移动，以便在车辆移动时使用由二级制动系统耗散的更少或更多的热量来加热燃料电池系统。 [0016] 例如，如果车辆从诸如阿尔卑斯山的停车场的相对较高的起始位置出发，并且驶向低洼的目的地(诸如海边的港口)，则可以从二级制动系统获得将燃料电池系统加热到操作温度所需的所有热量，这使得车辆能够立即启动，而无需在静止时先加热燃料电池系统。 [0017] 由于已经是车辆的一部分的二级制动系统被用于加热燃料电池系统，因此不需要额外且昂贵的加热系统。因此，车辆可以被设计得更简单，并且可以降低制造成本。对应的二级制动系统包括至少一个减速器和/或至少一个制动斩波器，其集成到车辆的冷却回路中。冷却回路依次包括管道、泵、阀门、热交换器等，它们用于将由二级制动系统生成的热量供应给燃料电池系统以用于加热。 [0018] 燃料电池系统在静止时也经由二级制动系统(即减速器和/或制动斩波器)加热。 以此方式，电能可以耗散到电阻器，因为热量和/或机械动力可以由电驱动机器以轴动力的形式生成，该轴动力用于驱动减速器。由于这样的减速器具有约数百千瓦的典型制动功率，因此也可以比使用单独的电加热器时甚至更快地加热燃料电池系统。 [0019] 该方法的有利的进一步发展是在车辆内部或外部的计算单元上分析行驶。例如，车辆可以包括导航系统，在该导航系统中使用车辆的人对规划的行驶进行编程。随后，导航系统或与导航系统通信的计算机可以评估行驶并且确定可以从二级制动系统汲取的热量。 也可以在车辆外部的计算单元上对行驶进行分析。例如，位于车辆外部的计算单元可以由来自服务提供商的云服务器形成。例如，服务提供商是车辆制造商。出于此目的，车辆与位于车辆外部的计算单元之间存在无线通信链路。通信可以经由移动无线电、WiFi、蓝牙、NFC等进行。 [0020] 在位于车辆外部的计算单元上分析行驶具有以下优点：可以使用强大的硬件部件，这使得能够非常快速地分析行驶。此外，可以分析将由车队进行的行驶，因此，位于车辆外部的计算单元可以访问相对较大的数据集。因此，车辆通常也可以使用传感器来记录由二级制动系统在行驶期间实际生成的热量，并将其分配给路线的对应部分。因此，可以提高估计在行驶期间可能生成的热量的准确性。 [0021] 根据该方法的进一步的有利实施方式，在车辆的制动过程期间，由制动斩波器回收的至少部分能量用于为车辆的牵引电池充电。这意味着既可以在制动期间加热燃料电池系统，也可以提供电能为牵引电池充电。这增加了确定系统从电池电动操作切换到燃料电池操作模式的切换时间的灵活性。 [0022] 考虑到牵引电池的当前或未来的电量水平(charge level)，该方法的进一步的有利实施方式还提供在车辆静止时待加热的燃料电池系统。取决于牵引电池的电量水平，车辆可能需要更早或更晚地从纯电池电动操作切换到燃料电池操作模式。如果牵引电池耗尽，燃料电池系统必须已经达到其操作温度，以便能够提供为车辆的电驱动单元供应所需的能量。例如，如果在行驶开始之后只有相对较低的剩余容量的牵引电池可用，则切换时间相对较早，这意味着燃料电池系统也必须在行驶开始之后相对较快地达到其操作温度。这意味着，必须在车辆静止时生成将燃料电池系统加热到操作温度所需的大部分热量。因此，燃料电池系统的加热过程开始得足够早，以使车辆能够在预定的启动时间离开起点，或者确保可以遵守这一点。这意味着可以特别可靠地满足时间表。 [0023] 具体地，牵引电池的电量水平和燃料电池系统的加热是协作的，使得当牵引电池的电量水平耗尽或已经达到临界最小值时，发生从电池电动操作到燃料电池操作模式的切换时间。因此，在静止时段期间，车辆在充电站处的任何充电时间都可以缩短，从而允许车辆更快地离开。 [0024] 如果牵引电池在行驶开始之前充满电或充电超过临界值，还可以想到的是，在行驶期间使用减速器加热燃料电池系统，并额外地从牵引电池中汲取电力，并且通过制动斩波器加热燃料电池系统。 [0025] 如果车辆沿着相对较长的路段的路线不需要制动，则二级制动系统不能用于从再生源生成热量来加热燃料电池系统。然而，制动斩波器可以供应有来自牵引电池的能量，这使得燃料电池系统能够在不制动的情况下的行驶时被加热。这使得可以在开始行驶之前进一步减少燃料电池系统的加热时间，这意味着甚至可以更省时地观察车辆的循环时间。此外，如果燃料电池系统在车辆静止时无法充分预热，例如由于时间限制，这防止燃料电池系统在沿需要相对较少的制动的路线行驶时不能被加热到其操作温度。 [0026] 根据本发明的进一步的有利实施方式，除了对规划的路线和对应的路线轮廓的评估之外，对行驶的分析还考虑了车辆的任何停止时间(idle time)。例如，这样的停止时间是由于驾驶车辆的人休息、加油停止、装载停止或者甚至装载和/或卸载车辆(例如在沿路线的仓库处)造成的。取决于车辆静止的时长，燃料电池系统可能冷却到低于操作温度。因此，必须再次向燃料电池系统供应一定量的热量，以使其达到操作温度。考虑停止时间，这降低了燃料电池系统无法预热到操作温度的风险。类似地，这使得可以在停止时间结束时达到牵引电池的特定的电量水平，这意味着停止时间之后的切换时间可以灵活地向前或向后移动。 [0027] 优选地从位于车辆内部和/或外部的能源获得与二级制动系统进行能量转换所需的能量。例如，车辆的内部能源可以是牵引电池、太阳能模块、风力涡轮机、冷凝器、发电机等。例如，车辆的外部能源可以是公共或私人电网。能量可以以电能的形式提供，以便通过制动斩波器生成热量和/或能量可以是机械能，以便通过减速器生成热量。一般地，还可以想到的是，除了电动机之外，车辆还具有内燃机，借助内燃机可以生成轴动力来驱动减速器。原则上，例如，车辆也可以经由充电站从私人或公共电网汲取有线电力，并且然后使用此电力为牵引电池充电并且使用制动斩波器生成热量。还可以驱动车辆的电动机生成机械能来操作减速器。 [0028] 在具有燃料电池系统、二级制动系统和计算单元的车辆的情况下，根据本发明设置燃料电池系统、二级制动系统和计算单元执行如上所述的方法。车辆可以是任何道路或轨道车辆。二级制动系统包括至少一个减速器和/或一个制动斩波器。例如，计算单元可以是中央车载计算机、车辆子系统的控制单元、远程信息处理单元等。计算单元能够分析车辆的规划的行驶，并且控制二级制动系统，使得由二级制动系统生成的热量用于加热燃料电池系统。出于此目的，燃料电池系统和二级制动系统集成到车辆的公共冷却回路中。 [0029] 该车辆的有利的进一步发展提供了被设计为商用车辆的车辆。商用车辆通常具有相对较大的尺寸和相对较高的允许有效载荷。此外，商用车辆通常必须覆盖很长的距离。由于这些原因，商用车辆特别适合用于提供燃料电池系统来供应电驱动能量。因此，上述用于这样的燃料电池系统的智能加热的过程可以特别有利地用于商用车辆中。 [0030] 该车辆优选地被设计为卡车、货车或公共汽车。 [0031] 根据该车辆的特别有利的实施方式，它可以被至少部分地自动控制。例如，这也使得将根据本发明的方法用于在所谓的枢纽到枢纽模式下操作的全自动卡车成为可能。 [0032] 根据本发明的用于智能加热燃料电池系统的方法的进一步的有利实施方式由示例性实施方式得到，下文将参考附图更详细地描述该示例性实施方式。 [0033] 在附图中： [0034] 图1示出了根据本发明的车辆的简化示意性图示；以及 [0035] 图2是根据本发明的方法的流程图。 [0036] 图1示出了根据本发明的在此情况下以卡车的形式的车辆2的高度简化的图示。车辆2具有带两个电动机6的电传动系统11。电动机6可以在发电机模式下操作以制动车辆2。 为了供应电驱动能量，电动机6连接到高电压网络7，并且可以经由该网络从牵引电池5和/或燃料电池系统1(具体地以PEM燃料电池的形式)接收能量。此外，车辆2具有充电接口8，车辆2可以经由该充电接口从充电站9获取能量。 [0037] 燃料电池系统1必须加热到正确的操作温度，以用于正确且节能的操作。为此所需的热量由车辆2的二级制动系统3提供。二级制动系统3包括至少一个减速器3.1和/或至少一个制动斩波器3.2。减速器3.1和制动斩波器3.2集成到公共冷却回路10中，燃料电池系统 1也连接到该公共冷却回路。类似地，其他车辆部件(诸如牵引电池5和/或电动机6)可以连接到冷却回路10(未示出)。此外，未示出诸如管道、泵、阀门、热交换器等的其他额外的部件。 [0038] 为了加热燃料电池系统1，电在制动斩波器3.2的电阻处耗散成热量，该热量被传递到流经冷却回路10的冷却剂。另外地或替代地，也可以经由减速器3.1加热冷却回路10和因此的燃料电池系统1。出于此目的，减速器3.1从车辆2的传动系统11获得轴动力，使被流体围绕的叶轮或桨叶轮旋转。由于叶轮或桨叶轮与围绕车轮的流体之间的摩擦，流体升温。 在此过程中生成的废热也被传递到冷却回路10。减速器3.1可以在车辆2移动或静止时操作。当静止时，车辆2的车轮12与到电动机6的操作连接解耦，并且由电动机6生成的扭矩被馈送到减速器3.1中。对应的换档过程发生在变速器内，例如以所谓的E轴线15的形式。 [0039] 为了控制燃料电池系统1的预热过程，车辆2还包括中央内部计算单元4.1，其经由单独的控制单元13连接到车辆子系统。此外，车辆2具有通信接口14，车辆2经由该通信接口与在这种情况下以后端或云的形式的位于车辆外部的计算单元4.2交换数据。 [0040] 图2中示出了根据本发明的方法的过程顺序。在方法步骤201中，将车辆2的规划的行驶的行程输入到内部计算单元4.1或外部计算单元4.2中。除了路线之外，行程还包括预定的离开、到达和/或休息时间、以及车辆2的任何其他停止时间。 [0041] 在方法步骤202中评估该行程。通过分析规划的驾驶路线，可以确定路线中车辆2可能制动的部分。通过考虑其他行驶参数(诸如预期的车速和制动距离)，可以估计二级制动系统3可以生成并用于将燃料电池系统1加热到操作温度的热量。 [0042] 在方法步骤203(其通常也可以与方法步骤202同时进行或在方法步骤202之前进行)中，分析另外的车辆参数，诸如牵引电池5的电量水平、插入充电接口8中的充电站9的充电电缆、未示出的氢气罐的罐容量、冷却回路10和/或燃料电池系统1的当前温度等。 [0043] 在方法步骤204中确定在待进行的行驶期间从车辆2的纯电池电动操作模式改变为燃料电池操作模式的切换时间。选择切换时间，使得车辆2可以根据行程、以可以尽可能省时地满足预定的时间表同时最小化潜在的延迟的方式开始其行驶。这还包括车辆2从其起点尽可能快地离开。另外，以尽可能最小化用于驱动车辆的能耗的方式选择切换时间。出于此目的，除了纯驱动能量之外，还必须考虑加热燃料电池系统1所需的能量的量。 [0044] 此外，可以以可以最小化进行行驶所产生的成本的方式确定切换时间。例如，如果可以经由充电站9以特别优惠的费率获得电力，则尽可能地为牵引电池5充满电，并且在车辆2静止时通过二级制动系统3在离开前根据要满足的时间表预热燃料电池系统1。另一方面，如果从充电站9可获得的电力相对昂贵，则燃料电池系统1优选地在行驶期间加热。在行驶时加热燃料电池系统1还具有车辆2可以在合适的时候离开的优点。 [0045] 在方法步骤205中，检查二级制动系统3在行驶期间是否能够提供足够的热量，以便在达到切换时间时将燃料电池系统1加热到操作温度。如果不是这种情况，则在方法步骤 206中开始燃料电池系统1的预热。车辆2的行驶始于方法步骤210。如果在燃料电池系统1已经预热之前开始行驶，则在方法步骤211中开始燃料电池系统1的加热。 [0046] 在方法步骤212中，燃料电池系统1达到其操作温度，然后根据切换时间切换到方法步骤213中的燃料电池操作模式。 [0047] 通过分析规划的行驶或行驶表和车辆参数(诸如牵引电池5的当前充电状态)，车辆2有可能很早就离开，因为燃料电池系统1也可以在行驶期间被加热到操作温度。仅牵引电池5在达到切换时间时已耗尽或已达到临界充电状态的情况下，车辆2的停止时间还可以通过对牵引电池5进行充电来进一步减少。另外，切换时间以以下方式确定：以特别可持续且因此环境友好的方式获得预热燃料电池系统1所需的热量。这意味着可以降低成本。已经就位的二级制动系统3用于生成热量，从而消除对昂贵的单独的加热系统的需要。