WO2023247113A2 - Verfahren zum prädiktiven betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for the predictive operation of a fuel cell system.
  • the invention further relates to a computer program product, a control unit and a fuel cell system as well as proposed uses of the fuel cell system.
  • FCV Fluel Cell Vehicle
  • FCS Fuel cell System
  • Important operational goals include, for example: flexible and dynamic provision of electrical power (or performance or dynamics) in order to achieve requested performance trajectories, such as: B. in vehicles, and / or performance profiles, such as generators, to achieve as well as possible a minimization of fuel consumption, such as. B. hydrogen, ensuring functionality over a large (global) operating range, e.g. freezing start, hot country driving, mountain driving, driving with a trailer, etc., ensuring functionality in new condition as well as in aged condition, minimizing aging/degradation of the System, minimizing aging/degradation of a connected battery, such as. B. a high-voltage battery, for example in the form of a traction battery of a vehicle, minimizing aging/degradation of other components, such as air compressors
  • the invention provides a method for the predictive operation of a fuel cell system with the features of the independent method claim. Furthermore, according to the second aspect, the invention provides a computer program product with the features of the independent product claim, according to the third aspect a control unit with the features of the independent device claim and according to the fourth aspect a fuel cell system with the features of the independent system claim, as well as according to the fifth and sixth aspects Advantageous uses of the fuel cell system with the features of the independent use claims. Further features, advantages and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with individual aspects of the invention naturally also apply in connection with the other aspects of the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
  • the present invention provides: a method for the predictive operation of a fuel cell system with at least one fuel cell stack (or fuel cell stack or stack for short), comprising the following actions/process steps:
  • an expected (power) trajectory e.g. a navigation route, such as in vehicles, and/or a performance profile, such as in generators
  • a target variable e.g. electrical power
  • Determining (in particular predicting) a function for the at least one target variable, which represents potentially possible values of the at least one target variable depending on the expected trajectory, selecting at least one operating parameter (e.g. a speed and / or power of a compressor in an air compression system, a possible Temperature difference from the environment, which can be provided using a cooling system, etc.) to operate the fuel cell system,
  • at least one operating parameter e.g. a speed and / or power of a compressor in an air compression system, a possible Temperature difference from the environment, which can be provided using a cooling system, etc.
  • Adjusting the function for the at least one target variable depending on the function for the at least one operating parameter e.g. reducing the electrical power at low ambient air pressure and / or high ambient temperatures
  • a target variable e.g. reducing speed, switching off auxiliary consumers, charging a battery, pre-cooling the stack, etc.
  • the fuel cell system within the scope of the invention can have at least two or more fuel cell stacks, so-called fuel cell stacks or stacks for short, each with several stacked repeating units in the form of fuel cells, for example PEM fuel cells.
  • the fuel cell system within the scope of the invention can advantageously be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in generator systems.
  • the fuel cell system in the context of the invention can advantageously have a control unit which is designed for predictive, in particular adaptive (ie flexible and/or adaptable) and predictive (ie reacting in advance or in preparation for limitations that arise) operation of a fuel cell system.
  • the invention recognizes that with advancing developments in the automation and networking of consumers, such as. B. vehicles and / or industrial plants, such as. B. generators, the (power) trajectories (e.g. navigation routes, such as in vehicles, and/or power profiles, such as in generators) can be planned in advance.
  • the (power) trajectories e.g. navigation routes, such as in vehicles, and/or power profiles, such as in generators
  • increased connectivity functions can be used to exchange data and/or outsource computing power to achieve improved operational strategies.
  • the invention proposes to provide a predictive operating strategy for operating a fuel cell system, which can be planned adaptively (i.e. flexible and/or adaptable) and predictively (i.e. reacting in advance or in preparation for limitations that may arise), so that the expected (performance) trajectory can be ensured as optimally as possible.
  • the core of the idea is to carry out a time-, location-dependent and state-dependent prediction of limitations for the operating parameters (e.g. a speed of a compressor in an air compression system, a temperature difference to the environment using a cooling system, etc.) of the system and the subsequent limitation of the Target size, such as B. the electrical power to predict.
  • the prediction of the subsequent limitation of the target variable is ultimately used to carry out a forward-looking adjustment of the operating strategy (e.g. reducing the electrical power at low ambient air pressure and/or high ambient temperatures), which reacts in particular to the limitations of the operating parameters and reduces them in advance to even avoided.
  • the limitations are recognized by analyzing the function for the at least one operating parameter as a function of a time, (power) trajectory and/or state of the fuel cell system, which represents potentially possible values of the at least one operating parameter as a function of the expected trajectory.
  • the adaptation of the function for the at least one target variable depending on the function for the at least one operating parameter can be represented by a function for the at least one target variable, which effectively maps possible values of the at least one target variable depending on the expected trajectory.
  • the limitations to be predicted in the operating parameters can be based on the following variable factors, such as: B. Environmental conditions, route conditions, traffic conditions, vehicle loading, connectivity.
  • an iterative adjustment of the operating strategy can be provided in an advantageous manner.
  • the adjustment of the operating strategy can be carried out at least partially locally by a control unit of the system and/or at least partially externally by a cloud server. Additionally, limitations with regard to connectivity can also be taken into account.
  • the adjustment of the operating strategy can also take into account other target variables, such as consumption or “heating output” in winter operation, in addition to the above-mentioned target variable “electrical power”.
  • a multi-criteria adjustment of the operating strategy (aimed at several target variables) can also be advantageous.
  • Different target variables can also be adjusted adaptively, in particular depending on the predictions, for example by changing the quality function or its weighting parameters.
  • the limitations can also change over a lifetime, so that operational management can be automatically updated by adaptively estimating the limitations.
  • the prediction horizon can be chosen differently or flexibly or depending on the respective limitation to be predicted (depending on the possible dynamics of the operating parameter).
  • the at least one target variable can include at least one of the following variables: an electrical power, a fuel consumption, a cooling requirement, a heating requirement, etc.
  • the above variables may further be considered in combination to provide an improved operational strategy.
  • the above-mentioned variables can preferably be taken into account adaptively, in particular depending on the predictions.
  • the above-mentioned variables can preferably be taken into account with a weighting (depending on their importance and/or criticality for the system), which can also be adjusted adaptively.
  • the at least one target variable is determined depending on at least one operating goal when operating the fuel cell system.
  • the at least the adjusted target variable can be used in an improved way to adapt the operating strategy
  • At least one operating goal when operating the fuel cell system can include at least one of the following goals: dynamically providing electrical power, reducing fuel consumption, ensuring functionalities for different operating ranges and / or environmental conditions of the fuel cell system (100), ensuring of functionalities for different aging states of at least one component of the fuel cell system (100), in particular of the at least one fuel cell stack (101), a reduction in aging of at least one component of the fuel cell system (100), in particular of the at least one fuel cell stack (101), a reduction in aging at least a component of a consumer of the fuel cell system (100), in particular a battery, for example a high-voltage battery, preferably a traction battery of a vehicle.
  • a battery for example a high-voltage battery, preferably a traction battery of a vehicle.
  • the at least one operating parameter includes at least one operating parameter of at least one of the following subsystems of the fuel cell system: the at least one fuel cell stack, a cathode system, in particular an air compression system, a humidification system, etc., an anode system, a cooling system , in particular a coolant pump, a radiator fan, etc., an electrical connection system to a consumer, a water management system, a connectivity system, in particular an interface to a network and/or to an external device, etc.
  • the above-mentioned operating parameters can be taken into account in a combination in order to be able to map the limitations of the system in an improved manner.
  • the above-mentioned operating parameters can be taken into account adaptively, in particular depending on the predictions, in order to be able to determine changing limitations in an improved manner.
  • the above-mentioned operating parameters can be taken into account with a weighting (depending on their importance and/or criticality for the system), which can also be adjusted adaptively.
  • Parameters are taken into account: at least one environmental parameter, in particular temperature, pressure, humidity, wind speed, etc., at least one environmental parameter, in particular road condition, etc., at least one parameter of a consumer of the fuel cell system, in particular mass and/or load of a vehicle, at least one infrastructure parameter, in particular parameters of mobile and/or stationary network stations, traffic lights, toll booths, tunnels, construction site areas, separately designated areas, such as. B. calm traffic zones, school areas, etc.
  • At least one traffic parameter in particular traffic situation, traffic rules, traffic signs, etc., nature of a wireless connectivity network, in particular via main network providers, mobile and / or stationary network stations, connected road users, for example other vehicles, etc Location, a time, a state of the fuel cell system (100), in particular with regard to aging, water management, thermal management, etc., a state of a component of a consumer, in particular an electrical state of charge of a battery, etc. at least one consumer parameter, in particular a state of charge (SOC) of, for example, a high-voltage battery, preferably a traction battery of a vehicle, etc.
  • SOC state of charge
  • the invention further provides: a computer program product comprising instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out a method which can run as described above.
  • a computer program product comprising instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out a method which can run as described above.
  • the invention provides: a control unit, comprising a computing unit and a storage unit in which a code is stored which, when at least partially executed by the computing unit, carries out a method which can run as described above.
  • the control unit comprising a computing unit and a storage unit in which a code is stored which, when at least partially executed by the computing unit, carries out a method which can run as described above.
  • the control unit can be provided on an external server, for example in a cloud, so that the method according to the invention can be carried out on the external server, the predictive calculations can be carried out externally and corresponding specifications can then be sent to the fuel cell system/to the vehicle .
  • the invention further provides: a fuel cell system, wherein the fuel cell system is provided with a control unit which is designed to carry out a method which can proceed as described above.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a predicted limitation of a possible compressor power and its effect on the predicted electrical power
  • Fig. 3 shows a schematic sequence of a method for the predictive operation of a fuel cell system.
  • 1 to 3 serve to explain a method for the predictive operation of a fuel cell system 100 with at least one fuel cell stack 101 (or fuel cell stack or stack for short).
  • the method has the following actions/process steps, as shown in FIG. 3:
  • an expected (power) trajectory Ti e.g. a navigation route, such as in vehicles, and/or a performance profile, such as in generators
  • an expected trajectory Ti e.g. a navigation route, such as in vehicles, and/or a performance profile, such as in generators
  • At least one operating parameter BP e.g. a speed and/or power of a compressor in an air compression system, a temperature difference to the environment using a cooling system, etc.
  • the fuel cell system 100 within the scope of the invention can advantageously be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in generator systems.
  • the fuel cell system 100 within the scope of the invention can advantageously have a control unit which is designed for predictive, in particular adaptive (ie flexible and/or adaptable) and predictive (ie reacting in advance or in preparation for limitations that arise) operation of a fuel cell system.
  • the invention recognizes that with advancing developments in the automation and networking of consumers, such as. B. vehicles and / or industrial plants, such as. B. generators, the (power) trajectories (Ti) (e.g. navigation routes, such as in vehicles, and/or power profiles, such as in generators) can be planned in advance. Additionally, more connectivity features can be used to exchange data and/or outsource computing power to achieve improved operational strategies.
  • the invention proposes to provide a predictive operating strategy BS for operating a fuel cell system, which can be planned adaptively (i.e. flexible and/or adaptable) and predictively (i.e. reacting in advance or in preparation for limitations that may arise), so that the expected (performance) Trajectory Ti can be ensured as optimally as possible.
  • the at least one target variable ZG can include at least one of the following variables: an electrical power P, a fuel consumption, a cooling requirement, a heating requirement, etc.
  • the above sizes can be considered in a combination.
  • the variables mentioned above can also be taken into account adaptively. Furthermore, the variables mentioned above can be taken into account with a weighting.
  • the at least one target variable ZG is determined depending on at least one operating goal when operating the fuel cell system 100, comprising: dynamic provision of electrical power, reduction of fuel consumption, ensuring functionalities for different operating ranges and/or environmental conditions, ensuring functionalities for different aging states, reducing aging of at least one component of the fuel cell system 100, in particular of the at least one fuel cell stack 101, reducing aging of at least one component of a consumer of the fuel cell system 100, in particular a battery, for example a high-voltage battery, preferably a traction battery of a vehicle.
  • the core of the idea is to provide a time-, location-dependent and state-dependent prediction of limitations for the operating parameters BP, for example a speed of a compressor in an air compression system (see Fig. 2), a temperature difference to the environment using a cooling system (see Fig. 1), of the system 100 and the subsequent limitation of the target variable ZG, such as. B. the electrical power P to predict.
  • limitations for the operating parameters BP for example a speed of a compressor in an air compression system (see Fig. 2), a temperature difference to the environment using a cooling system (see Fig. 1), of the system 100 and the subsequent limitation of the target variable ZG, such as. B. the electrical power P to predict.
  • the prediction of the subsequent limitation of the target variable ZG is ultimately used to carry out a predictive adjustment of the operating strategy BS (e.g. reducing the electrical power P at low ambient air pressure and / or high ambient temperatures), which reacts in particular to the limitations for the operating parameters BP, reduces or even avoids this in advance.
  • BS e.g. reducing the electrical power P at low ambient air pressure and / or high ambient temperatures
  • the at least one operating parameter BP includes at least one operating parameter BP of at least one of the following subsystems of the fuel cell system 100: the at least one fuel cell stack 101, a cathode system, in particular an air compression system, a humidification system, etc., an anode system, a cooling system, in particular a coolant pump, a radiator fan, etc., an electrical connection system to a consumer, a water management system, a connectivity system, in particular an interface to a network and/or to an external device, etc.
  • the above-mentioned operating parameters BP can be taken into account in a combination.
  • the above-mentioned operating parameters BP can be taken into account adaptively.
  • the above-mentioned operating parameters BP can be taken into account with a weighting.
  • the limitations are recognized by analyzing the function Ti_BP_Pot for the at least one operating parameter BP depending on a time t, power trajectory Ti and / or state of the fuel cell system 100, which potentially possible values of the at least one operating parameter BP depending on the expected trajectory Ti depicts.
  • the adaptation of the function Ti_ZG_Pot for the at least one target variable ZG depending on the function Ti_BP_Pot for the at least one operating parameter BP can be done by a function Ti*_ZG_Pot for the at least one target variable ZG depending on a time t, power trajectory Ti and / or State of the fuel cell system 100 are mapped, which effectively maps possible values of the at least one target variable ZG depending on the expected trajectory Ti.
  • the limitations to be predicted in the operating parameters BP can be based on the following variable factors Fi, such as: B.: at least one environmental parameter, in particular temperature, pressure, humidity, wind speed, etc., at least one environmental parameter, in particular road condition, etc., at least one parameter of a consumer of the fuel cell system 100, in particular mass and / or loading of a vehicle, at least one infrastructure parameter , in particular parameters of mobile and/or stationary network stations, traffic lights, toll booths, tunnels, Construction site areas, separately designated areas, such as. B. calm traffic zones, school areas, etc. at least one traffic parameter, in particular traffic situation, traffic rules, traffic signs, etc.,
  • a wireless connectivity network in particular via main network providers, mobile and/or stationary network stations, connected road users, for example other vehicles, etc. a location, a time, a state of fuel cell system 100, in particular with regard to aging, water management, thermal management, etc. , a state of a component of a consumer, in particular an electrical state of charge of a battery, etc. at least one consumer parameter, in particular a state of charge (SOC) of, for example, a high-voltage battery, preferably a traction battery of a vehicle, etc.
  • SOC state of charge
  • the adaptation of the operating strategy BS can be carried out at least partially locally by a control unit of the system 100 and/or at least partially externally by a cloud server. Additionally, limitations with regard to connectivity can also be taken into account.
  • step 203 the following predictions can be carried out:
  • the performance of the energy suppliers to a consumer, such as B. a vehicle is limited, e.g. performance of electrical storage, such as. B. a high-voltage battery.
  • the performance of the energy converters, such as B. an electric drive motor, power electronics, a DC/DC converter, at least one fuel cell system, etc., are also limited.
  • the potentially available electrical power P is time-dependent and also depends on the expected trajectory Ti.
  • Fig. 1 illustrates a prediction of limitations in heat dissipation to the environment.
  • the dissipation of heat is a significant limitation, since the stack temperature must not be very high and should also be kept within the permissible range for aging reasons.
  • further waste heat outputs must be dissipated (e.g. intermediate cooling of the cathode supply air, cooling of the electric machines, etc.).
  • Fi an environmental parameter UT, which can change over time and location.
  • Example factors Fi can be: vehicle speed, ambient temperature, pressure, humidity, etc.
  • the trajectories for the potential heat dissipation can be calculated or estimated in a predictive manner. From the calculated target power trajectory (see above), the necessary heat dissipation can be calculated, which must be dissipated at the respective time and at the respective local location.
  • Fig.l shows the effect of limitations in heat dissipation on the electrical power P.
  • the predicted ambient temperature UT determines that the waste heat cannot be dissipated at a specific point in time or on a specific section of the route due to the increased ambient temperature UT.
  • the operating parameter BP can be the temperature difference between the coolant temperature (and thus the stack temperature) and the ambient temperature UT. The electrical power P must therefore be reduced.
  • the adaptation of the operating strategy BS can include measures that ensure the desired line trajectory as far as possible.
  • the adjustment of the operating strategy BS can also include measures that avoid, reduce or delay derating or reaching operating limits.
  • the battery can be charged more in advance in order to provide sufficient electrical power P from the battery.
  • the coolant temperature can be lowered slightly in advance in order to achieve a slower temperature rise due to the heat capacity or to reach the permissible maximum temperature later.
  • Fig. 2 illustrates a prediction of limitations in air compression. Limitations can also be predicted for the air compression system or the air system that supplies the cathode path of the stack 101. For example, the ambient air pressure UP and the requested pressure in the stack cathode path are crucial for the compressor performance VL. If the required cathode pressure can no longer be achieved due to mountain travel (air pressure drops) and high required stack cathode pressure (e.g. due to heating of the stack due to high performance and possibly warm surroundings).
  • Fig. 2 shows the application of the method for the predicted limitation of the operating parameter BP: compressor power VL, and the resulting predicted electrical power P, which must be reduced because the air compression system would reach the operating limit.
  • the air compression system can include a number of other limitations, such as compressor ratio, limitations due to temperature limits, deliverable air mass flow, speeds.
  • Example factors Fi can be: ambient pressure UP, ambient temperature UT, component limits, etc.
  • Example operating parameters BP for calculating the activity can be: o pCath (pressure cathode entry); o lambdaCath (excess air) or mfCath (massflow cathode entry); o TCool (Temp. Coolant); o dTCool (temperature difference coolant across stack i.e. outlet-inlet); o fiCath (moisture at the cathode entry) also related to ambient humidity; o EIS (system impedance response).
  • anode system including, for example, a fuel tank system, an electrical connection system, etc.
  • the limitations from the fuel tank system e.g. fuel fill quantity, temperature levels/gradients, etc.
  • the limitations from the anode circuit e.g. recirculation rate, dynamics, pressure level, max. purge depending on the air system/dilution conditions, etc.
  • connectivity of the system 100 to cloud/server systems can be another important variable that can itself be subject to limitations. This limitation can also be taken into account predictively, e.g. tunnel passage, no network stations nearby, etc.).
  • the adjustment of operational management can take place at least partially on a cloud/server.
  • Connectivity can be an advantage so that the internal control unit can take over accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (101), aufweisend: - Bestimmen einer voraussichtlichen Trajektorie (Ti) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100), - Auswählen mindestens einer Zielgröße (ZG) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100), - Bestimmen einer Funktion (Ti_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG), die potentiell mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße (ZG) in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie (Ti) abbildet, - Auswählen mindestens eines Betriebsparameters (BP) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100), - Bestimmen einer Funktion (Ti_BP_Pot) für den mindestens einen Betriebsparameter (BP), die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters (BP) in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie (Ti) abbildet, - Anpassen der Funktion (Ti_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG) in Abhängigkeit von der Funktion (Ti_BP_Pot) für den mindestens einen Betriebsparameter (BP), - Bereitstellen einer adaptiven und vorausschauenden Betriebsstrategie (BS) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der angepassten Funktion (Ti*_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum
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Betreiben eines
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit und ein Brennstoffzellensystem sowie vorgeschlagene Verwendungen des Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen (FCV=Fuel Cell Vehicle) mit Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystem (FCS=Fuel Cell System) ist eine Betriebsstrategie essentiell, die multi-kriterielle Ziele berücksichtigt.
Wichtige Betriebsziele sind beispielsweise: flexible sowie dynamische Bereitstellung von elektrischer Leistung (bzw. Performance bzw. Dynamik), um angeforderte Performance-Trajektorien, wie z. B. bei Fahrzeugen, und/oder Leistungsprofile, wie z.B. bei Generatoren, möglichst gut zu erreichen, eine Minimierung eines Verbrauchs von Treibstoff, wie z. B. Wasserstoff, eine Sicherstellung von Funktionalitäten über einen großen (weltweiten) Betriebsbereich, z.B. Gefrierstart, Heißland-Fahrt, Bergfahrt, Fahrt mit Anhänger, etc., eine Sicherstellung von Funktionalitäten im Neuzustand wie im gealterten Zustand, eine Minimierung einer Alterung/Degradation des Systems, eine Minimierung einer Alterung/Degradation einer verbundenen Batterie, wie z. B. einer Hochvolt-Batterie, bspw. in Form einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, eine Minimierung eine Alterung/Degradation weiterer Komponenten, wie z.B. Luftverdichter
In aktuellen Betriebsstrategien sind die Betriebszielen zumeist statisch festgelegt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches, gemäß dem dritten Aspekt eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß dem vierten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor sowie gemäß dem fünften und sechsten Aspekt vorteilhafte Verwendungen des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Verwendungsansprüche. Weitere Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (bzw. Brennstoffzellenstack oder kurz genannt Stack), aufweisend folgende Aktionen/Verfahrensschritte:
Bestimmen einer voraussichtlichen (Leistungs-)Trajektorie (bspw. einer Navigations- Route, wie z. B. bei Fahrzeugen, und/oder einem Leistungsprofil, wie z.B. bei Generatoren) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, bspw. mithilfe von Navigationsdaten, Kalenderdaten und/oder Erfahrungswerten, Auswählen mindestens einer Zielgröße (bspw. elektrischer Leistung) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems,
Bestimmen (insbesondere Prädizieren) einer Funktion für die mindestens eine Zielgröße, die potentiell mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie abbildet, Auswählen mindestens eines Betriebsparameters (bspw. einer Drehzahl und/oder Leistung eines Verdichters bei einem Luftverdichtungssystem, eine mögliche Temperaturdifferenz zur Umgebung, die mithilfe eines Kühlsystems bereitgestellt werden kann, usw.) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems,
Bestimmen (insbesondere Prädizieren) einer Funktion für den mindestens einen Betriebsparameter, die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie abbildet,
Anpassen der Funktion für die mindestens eine Zielgröße in Abhängigkeit von der Funktion für den mindestens einen Betriebsparameter (bspw. Reduzieren der elektrischen Leistung bei niedrigen Umgebungsluftdruck und/oder hohen Umgebungstemperaturen),
Bereitstellen einer adaptiven (d.h. flexiblen und/oder anpassungsfähigen) und vorausschauenden (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierende) Betriebsstrategie zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der angepassten Funktion für die mindestens eine Zielgröße (bspw. Reduzierung von Geschwindigkeit, Ausschalten von Nebenverbrauchern, Aufladen einer Batterie, Vorkühlen des Stacks, usw.).
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann mindestens zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks oder kurz ausgedruckt Stacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Steuereinheit aufweisen, die zum prädiktiven, insbesondere adaptiven (d.h. flexiblen und/oder anpassungsfähigen) und vorausschauenden (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierende) Betreiben eines Brennstoffzellensystems ausgeführt ist.
Die Erfindung erkennt, dass mit fortschreitender Entwicklung bei der Automatisierung und Vernetzung von Verbrauchern, wie z. B. Fahrzeugen und/oder Industrieanlagen, wie z. B. Generatoren, die (Leistungs-)Trajektorien (bspw. Navigations-Routen, wie z. B. bei Fahrzeugen, und/oder Leistungsprofile, wie z.B. bei Generatoren) im Voraus geplant werden können. Außerdem können vermehrt Konnektivitätsfunktionen zum Austausch von Daten und/oder zum Auslagern von Rechenleistung genutzt werden, um verbesserte Betriebsstrategien zu erhalten.
Die Erfindung schlägt vor, eine prädiktive Betriebsstrategie zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, die adaptiv (d.h. flexibel und/oder anpassungsfähig) und vorausschauend (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierend) geplant werden kann, sodass die voraussichtliche (Leistungs-)Trajektorie möglichst optimal sichergestellt werden kann.
Der Kern der Idee liegt darin, eine zeitliche, ortsabhängige und zustandsabhängige Prädiktion von Limitierungen für die Betriebsparameter (bspw. einer Drehzahl eines Verdichters bei einem Luftverdichtungssystem, eine Temperaturdifferenz zur Umgebung mithilfe eines Kühlsystems, usw.) des Systems durchzuführen und die damit nachfolgende Eingrenzung der Zielgröße, wie z. B. der elektrischen Leistung, vorauszusagen. Die Voraussage der nachfolgenden Eingrenzung der Zielgröße wird schließlich dazu genutzt, um eine vorausschauende Anpassung der Betriebsstrategie durchzuführen (bspw. Reduzieren der elektrischen Leistung bei niedrigen Umgebungsluftdruck und/oder hohen Umgebungstemperaturen), die insbesondere auf die Limitierungen für die Betriebsparameter reagiert, diese im Voraus herabsetzt bis sogar vermeidet. Die Limitierungen werden durch Analyse der Funktion für den mindestens einen Betriebsparameter in Abhängigkeit von einer Zeit, (Leistungs-)Trajektorie und/oder Zustandes des Brennstoffzellensystems erkannt, die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie abbildet.
Die Anpassung der Funktion für die mindestens eine Zielgröße in Abhängigkeit von der Funktion für den mindestens einen Betriebsparameter kann durch eine Funktion für die mindestens eine Zielgröße abgebildet werden, die effektiv mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie abbildet.
Die zu prädizierenden Limitierungen bei den Betriebsparametern können auf folgenden veränderlichen Faktoren beruhen, wie z. B. Umgebungsbedingungen, Streckenbedingungen, Verkehrsbedingungen, Beladung des Fahrzeugs, Konnektivität.
Limitierungen können folgende Aspekte umfassen:
Limitierungen einer Wärmeabfuhr an die Umgebung,
Limitierung eines Drucks und Massenstroms, welche durch ein Kathodensystem zur Versorgung des Stack- Kathodenpfades bereitgestellt werden können,
Limitierungen durch Wassermanagement (nicht zu trocken/nicht zu feucht), Aktivität am Kathodenaustritt, Befeuchtungsmöglichkeiten für Stack- Membrane (Kathode, Anode, intern sowie extern), Limitierungen aus Brennstoff-Tanksystem und/oder aus einem Anodensystem,
Limitierungen durch die Verbraucher, schwerbeladenes Fahrzeug, stark entladenen Batterie o. Ä, sowie weitere Limitierungen, die komponentenspezifisch und topologiespezifisch auftreten können, usw.
Da die Limitierungen untereinander rückkoppeln, kann auf eine vorteilhafte Weise eine iterative Anpassung der Betriebsstrategie vorgesehen sein. Die Anpassung der Betriebsstrategie kann zumindest zum Teil lokal durch eine Steuereinheit des Systems und/oder zumindest zum Teil extern durch einen Cloud-Server durchgeführt werden. Hierzu können auch zusätzlich Limitierungen hinsichtlich der Konnektivität berücksichtigt werden.
Zur Beschleunigung der Anpassung der Betriebsstrategie und zur Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit des Verfahrens kann es zusätzlich vorteilhaft sein, Voroptimierungen zu nutzen.
Zudem kann die Anpassung der Betriebsstrategie außer der oben genannten Zielgröße „elektrische Leistung“ auch auf andere bzw. weitere Zielgrößen, wie z.B. Verbrauch oder auch „Heizleistung“ im Winterbetrieb berücksichtigen.
Auch eine multikriterielle (auf mehrere Zielgrößen gerichtete) Anpassung der Betriebsstrategie kann vorteilhaft sein.
Unterschiedliche Zielgrößen können auch adaptiv, insbesondere abhängig von den Prädiktionen, angepasst werden, bspw. über Änderung der Gütefunktion bzw. deren Gewichtungsparameter.
Die Limitierungen können sich auch über Lebenszeit ändern, sodass durch adaptives Abschätzen der Limitierungen automatisch eine Nachführung bei der Betriebsführung bereitgestellt werden kann.
Der Prädiktionshorizont kann unterschiedlich bzw. flexibel gewählt werden bzw. auch abhängig von der jeweiligen zu prädizierenden Limitierung (je nach möglicher Dynamik des Betriebsparameters).
Vorteilhafterweise kann die mindestens eine Zielgröße mindestens eine von den folgenden Größen umfasst: eine elektrische Leistung, einen Verbrauch eines Brennstoffes, einen Kühlbedarf, eine Heizbedarf, usw. Die oben genannten Größen können weiterhin in einer Kombination berücksichtigt werden, um einen verbesserte Betriebsstrategie bereitzustellen.
Vorzugsweise können die oben genannten Größen adaptiv, insbesondere abhängig von den Prädiktionen, berücksichtigt werden.
Bevorzugt können die oben genannten Größen mit einer Gewichtung (je nach deren Wichtigkeit und/oder Kritikalität für das System) berücksichtigt werden, die ebenfalls adaptiv angepasst werden kann.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die mindestens eine Zielgröße in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsziel beim Betreiben des Brennstoffzellensystems bestimmt wird. Auf diese Weise kann die mindestens die angepasste Zielgröße auf eine verbesserte Weise zur Anpassung der Betriebsstrategie genutzt werden,
Vorteilhafterweise kann mindestens ein Betriebsziel beim Betreiben des Brennstoffzellensystems mindestens ein von den folgenden Zielen umfasst: ein dynamisches Bereitstellen einer elektrischen Leistung, eine Reduzierung eines Verbrauchs eines Brennstoffes, eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Betriebsbereiche und/oder Umgebungsbedingungen des Brennstoffzellensystems (100), eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Alterungszustände mindestens einer Komponente des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (101), eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (101), eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere einer Batterie, bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges. Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass der mindestens eine Betriebsparameter mindestens einen Betriebsparameter von mindestens einem von den folgenden Subsystemen des Brennstoffzellensystems umfasst: dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel, einem Kathodensystem, insbesondere ein Luftverdichtungssystem, ein Befeuchtungssystem, usw., einem Anodensystem, einem Kühlsystem, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, ein Kühlerlüfter, usw., einem elektrischen Anschlusssystem an einen Verbraucher, einem Wassermanagementsystem, einem Konnektivitätssystem, insbesondere eine Schnittstelle zu einem Netz und/oder zu einer externen Vorrichtung, usw.
Insbesondere können die oben genannten Betriebsparameter in einer Kombination berücksichtigt werden, um die Limitierungen des Systems auf eine verbesserte Weise abbilden zu können.
Zudem können die oben genannten Betriebsparameter adaptiv, insbesondere abhängig von den Prädiktionen, berücksichtigt werden, um auf veränderliche Limitierungen auf eine verbesserte Weise bestimmen zu können.
Außerdem können die oben genannten Betriebsparameter mit einer Gewichtung (je nach deren Wichtigkeit und/oder Kritikalität für das System) berücksichtigt werden, die ebenfalls adaptiv angepasst werden kann.
Ferner kann es vorteilhaft sein, dass beim Bestimmen der Funktion für den mindestens einen Betriebsparameter mindestens einer von den folgenden
Parametern berücksichtigt wird: mindestens ein Umweltparameter, insbesondere Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, usw., mindestens ein Umgebungsparameter, insbesondere Straßenbeschaffenheit, usw., mindestens ein Parameter eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems, insbesondere Masse und/oder Beladung eines Fahrzeugs, mindestens ein Infrastrukturparameter, insbesondere Parameter von mobilen und/oder stationären Netzstationen, Ampeln, Mautstellen, Tunneln, Baustellenbereichen, gesondert ausgewiesener Bereiche, wie z. B. beruhigter Verkehrszonen, Schulbereiche, usw. mindestens ein Verkehrsparameter, insbesondere Verkehrslage, Verkehrsregeln, Verkehrszeichen, usw., Beschaffenheit eines drahtlosen Konnektivitätsnetzes, insbesondere über Hauptnetzanbieter, mobile und/oder stationäre Netzstationen, verbundene Verkehrsteilnehmer, bspw. andere Fahrzeuge, usw. ein Ort, eine Zeit, ein Zustand von Brennstoffzellensystem (100), insbesondere im Hinblick auf Alterung, Wassermanagement, Thermomanagement, usw., ein Zustand von einer Komponente eines Verbrauchers, insbesondere eine elektrischer Ladezustand einer Batterie, usw. mindestens ein Verbraucherparameter, insbesondere ein Ladezustand (SOC) einer bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, usw.
Auf diese Weise können Auswirkungen auf das System (in Form von Limitierungen von betroffenen Betriebsparametern) entlang der voraussichtlichen Trajektorie (Ti) auf eine verbesserte Weise vorausgesagt werden.
Ferner stellt die Erfindung bereit: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. Weiterhin stellt die Erfindung bereit: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die Steuereinheit kann auf einem externen Server, bspw. in einer Cloud, bereitgestellt werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auf dem externen Server durchgeführt werden kann, die prädiktive Berechnungen extern ausgeführt werden können und anschließend entsprechende Vorgaben an das Brennstoffzellensystem/an das Fahrzeug gesendet werden können.
Des Weiteren stellt die Erfindung bereit: ein Brennstoffzellensystem, wobei bei dem Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgeführt ist, um ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer prädizierten Limitierung einer möglichen Wärmeabfuhr an die Umgebung und deren Auswirkung auf die prädizierte elektrische Leistung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer prädizierten Limitierung einer möglichen Verdichterleistung und deren Auswirkung auf die prädizierte elektrische Leistung, und
Fig. 3 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Die Fig. 1 bis 3 dienen dazu, ein Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel 101 (bzw. Brennstoffzellenstack oder kurz genannt Stack) zu erklären.
Das Verfahren weist folgende Aktionen/Verfahrensschritte auf, wie es die Figur 3 verdeutlicht:
201 Bestimmen einer voraussichtlichen (Leistungs-)Trajektorie Ti (bspw. einer Navigations- Route, wie z. B. bei Fahrzeugen, und/oder einem Leistungsprofil, wie z.B. bei Generatoren) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100, bspw. mithilfe von Navigationsdaten ND, Kalenderdaten KD und/oder Erfahrungswerten EW,
202 Auswählen mindestens einer Zielgröße ZG (bspw. elektrischer Leistung P) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100,
203 Bestimmen (insbesondere Prädizieren) einer Funktion Ti_ZG_Pot (vgl. Fig. 1 und 2) für die mindestens eine Zielgröße ZG, die potentiell mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße ZG in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie Ti abbildet,
204 Auswählen mindestens eines Betriebsparameters BP (bspw. einer Drehzahl und/oder Leistung eines Verdichters bei einem Luftverdichtungssystem, eine Temperaturdifferenz zu Umgebung mithilfe eines Kühlsystems, usw.) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100,
205 Bestimmen (insbesondere Prädizieren) einer Funktion Ti_BP_Pot für den mindestens einen Betriebsparameter BP, die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters BP in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie Ti abbildet,
206 Anpassen (vgl. Fig. 1 und 2) der Funktion Ti_ZG_Pot für die mindestens eine Zielgröße ZG in Abhängigkeit von der Funktion Ti_BP_Pot für den mindestens einen Betriebsparameter BP (bspw. Reduzieren der elektrischen Leistung P bei niedrigen Umgebungsluftdruck und/oder hohen Umgebungstemperaturen),
207 Bereitstellen einer adaptiven (d.h. flexiblen und/oder anpassungsfähigen) und vorausschauenden (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierende) Betriebsstrategie BS zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von der angepassten Funktion Ti*_ZG_Pot für die mindestens eine Zielgröße ZG (bspw. vorausschauende Reduzierung von Geschwindigkeit, Ausschalten von Nebenverbrauchern, Aufladen einer Batterie, Vorkühlen des Stacks, usw.).
Das Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Steuereinheit aufweisen, die zum prädiktiven, insbesondere adaptiven (d.h. flexiblen und/oder anpassungsfähigen) und vorausschauenden (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierende) Betreiben eines Brennstoffzellensystems ausgeführt ist. Die Erfindung erkennt, dass mit fortschreitender Entwicklung bei der Automatisierung und Vernetzung von Verbrauchern, wie z. B. Fahrzeugen und/oder Industrieanlagen, wie z. B. Generatoren, die (Leistungs-)Trajektorien (Ti) (bspw. Navigations-Routen, wie z. B. bei Fahrzeugen, und/oder Leistungsprofile, wie z.B. bei Generatoren) im Voraus geplant werden können. Außerdem können vermehr Konnektivitätsfunktionen zum Austausch von Daten und/oder zum Auslagern von Rechenleistung genutzt werden, um verbesserte Betriebsstrategien zu erhalten.
Die Erfindung schlägt vor, eine prädiktive Betriebsstrategie BS zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, die adaptiv (d.h. flexibel und/oder anpassungsfähig) und vorausschauend (d. h. im Voraus bzw. vorbereitend auf auftretende Limitierungen reagierend) geplant werden kann, sodass die voraussichtliche (Leistungs-)Trajektorie Ti möglichst optimal sichergestellt werden kann.
Vorteilhafterweise kann die mindestens eine Zielgröße ZG mindestens eine von den folgenden Größen umfasst: eine elektrische Leistung P, einen Verbrauch eines Brennstoffes, einen Kühlbedarf, eine Heizbedarf, usw.
Die oben genannten Größen können in einer Kombination berücksichtigt werden. Auch können die oben genannten Größen adaptiv berücksichtigt werden. Weiterhin können die oben genannten Größen mit einer Gewichtung berücksichtigt werden.
Die mindestens einer Zielgröße ZG in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsziel beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 bestimmt werden, umfassend: ein dynamisches Bereitstellen einer elektrischen Leistung, eine Reduzierung eines Verbrauchs eines Brennstoffes, eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Betriebsbereiche und/oder Umgebungsbedingungen, eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Alterungszustände, eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere des mindestens einen Brennstoffzellenstacks 101, eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere einer Batterie, bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges.
Der Kern der Idee liegt darin, eine zeitliche, ortsabhängige und zustandsabhängige Prädiktion von Limitierungen für die Betriebsparameter BP, bspw. einer Drehzahl eines Verdichters bei einem Luftverdichtungssystem (vgl. Fig. 2), eine Temperaturdifferenz zu Umgebung mithilfe eines Kühlsystems (vgl. Fig. 1), des Systems 100 durchzuführen und die damit nachfolgende Eingrenzung der Zielgröße ZG, wie z. B. der elektrischen Leistung P, vorauszusagen.
Die Voraussage der nachfolgenden Eingrenzung der Zielgröße ZG wird schließlich dazu genutzt, um eine vorausschauende Anpassung der Betriebsstrategie BS durchzuführen (bspw. Reduzieren der elektrischen Leistung P bei niedrigen Umgebungsluftdruck und/oder hohen Umgebungstemperaturen), die insbesondere auf die Limitierungen für die Betriebsparameter BP reagiert, diese im Voraus herabsetzt bis sogar vermeidet.
Der mindestens eine Betriebsparameter BP mindestens einen Betriebsparameter BP von mindestens einem von den folgenden Subsystemen des Brennstoffzellensystems 100 umfasst: dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101, einem Kathodensystem, insbesondere ein Luftverdichtungssystem, ein Befeuchtungssystem, usw., einem Anodensystem, einem Kühlsystem, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, ein Kühlerlüfter, usw., einem elektrischen Anschlusssystem an einen Verbraucher, einem Wassermanagementsystem, einem Konnektivitätssystem, insbesondere eine Schnittstelle zu einem Netz und/oder zu einer externen Vorrichtung, usw.
Die oben genannten Betriebsparameter BP können in einer Kombination berücksichtigt werden. Zudem können die oben genannten Betriebsparameter BP adaptiv berücksichtigt werden. Außerdem können die oben genannten Betriebsparameter BP mit einer Gewichtung berücksichtigt werden.
Die Limitierungen werden durch Analyse der Funktion Ti_BP_Pot für den mindestens einen Betriebsparameter BP in Abhängigkeit von einer Zeit t, Leistungs-Trajektorie Ti und/oder Zustandes des Brennstoffzellensystems 100 erkannt, die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters BP in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie Ti abbildet.
Die Anpassung der Funktion Ti_ZG_Pot für die mindestens eine Zielgröße ZG in Abhängigkeit von der Funktion Ti_BP_Pot für den mindestens einen Betriebsparameter BP kann durch eine Funktion Ti*_ZG_Pot für die mindestens eine Zielgröße ZG in Abhängigkeit von einer Zeit t, Leistungs-Trajektorie Ti und/oder Zustandes des Brennstoffzellensystems 100 abgebildet werden, die effektiv mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße ZG in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie Ti abbildet.
Die zu prädizierenden Limitierungen bei den Betriebsparametern BP können auf folgenden veränderlichen Faktoren Fi beruhen, wie z. B.: mindestens ein Umweltparameter, insbesondere Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, usw., mindestens ein Umgebungsparameter, insbesondere Straßenbeschaffenheit, usw., mindestens ein Parameter eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere Masse und/oder Beladung eines Fahrzeugs, mindestens ein Infrastrukturparameter, insbesondere Parameter von mobilen und/oder stationären Netzstationen, Ampeln, Mautstellen, Tunneln, Baustellenbereichen, gesondert ausgewiesener Bereiche, wie z. B. beruhigter Verkehrszonen, Schulbereiche, usw. mindestens ein Verkehrsparameter, insbesondere Verkehrslage, Verkehrsregeln, Verkehrszeichen, usw.,
Beschaffenheit eines drahtlosen Konnektivitätsnetzes, insbesondere über Hauptnetzanbieter, mobile und/oder stationäre Netzstationen, verbundene Verkehrsteilnehmer, bspw. andere Fahrzeuge, usw. ein Ort, eine Zeit, ein Zustand von Brennstoffzellensystem 100, insbesondere im Hinblick auf Alterung, Wassermanagement, Thermomanagement, usw., ein Zustand von einer Komponente eines Verbrauchers, insbesondere eine elektrischer Ladezustand einer Batterie, usw. mindestens ein Verbraucherparameter, insbesondere ein Ladezustand (SOC) einer bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, usw.
Limitierungen können folgende Aspekte umfassen:
Limitierungen einer Wärmeabfuhr an die Umgebung (vgl. Fig. 1), Limitierung eines Drucks und Massenstroms, welche durch ein Kathodensystem zur Versorgung des Stack- Kathodenpfades bereitgestellt werden können (vgl. Fig. 2),
Limitierungen durch Wassermanagement (nicht zu trocken/nicht zu feucht), Aktivität am Kathodenaustritt, Befeuchtungsmöglichkeiten für Stack- Membrane (Kathode, Anode, intern sowie extern),
Limitierungen aus Brennstoff-Tanksystem und/oder aus einem Anodensystem,
Limitierungen durch die Verbraucher, schwerbeladenes Fahrzeug, stark entladenen Batterie o. Ä, sowie weitere Limitierungen, die komponentenspezifisch und topologiespezifisch auftreten können, usw.
Da die Limitierungen untereinander rückkoppeln, kann auf eine vorteilhafte Weise eine iterative Anpassung der Betriebsstrategie vorgesehen sein. Die Anpassung der Betriebsstrategie BS kann zumindest zum Teil lokal durch eine Steuereinheit des Systems 100 und/oder zumindest zum Teil extern durch einen Cloud-Server durchgeführt werden. Hierzu können auch zusätzlich Limitierungen hinsichtlich der Konnektivität berücksichtigt werden.
Zur Beschleunigung der Anpassung der Betriebsstrategie und zur Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit des Verfahrens kann es zusätzlich vorteilhaft sein, Voroptimierungen zu nutzen.
Im Schritt 203 können folgende Prädiktionen durchgeführt werden:
Die Leistung der Energielieferanten bei einem Verbraucher, wie z. B. ein Fahrzeug, ist limitiert, z.B. Leistung von elektrischen Speichern, wie z. B. einer Hochvolt-Batterie. Die Leistung der Energiewandler, wie z. B. ein elektrischer Antriebsmotor, eine Leistungselektronik, ein DC/DC-Wandler, mindestens ein Brennstoffzellensystem, etc., sind auch limitiert. Die potentiell verfügbare elektrische Leistung P ist zeitlich abhängig und hängt zusätzlich von der voraussichtlichen Trajektorie Ti ab.
Die Fig. 1 veranschaulicht eine Prädiktion von Limitierungen bei einer Wärmeabfuhr an die Umgebung. Bei einem Brennstoffzellensystem 100 ist die Abfuhr der Wärme eine wesentliche Limitierung, da die Stack-Temperatur nicht sehr hoch sein darf und auch aus Alterungsgründen im zulässigen Bereich gehalten werden soll. Zusätzlich müssen noch weitere Abwärmeleistungen abgeführt werden (z.B. Zwischenkühlung der Kathodenzuluft, Kühlung der E- Maschinen, etc.) Die Wärmeabfuhr über den/die Fahrzeugkühler ist jedoch stark abhängig von verschiedenen Faktoren Fi, insbesondere einer Umgebungsparameter UT, die zeitlich und örtlich veränderlich sind.
Beispielhafte Faktoren Fi können dabei sein: Fahrzeuggeschwindigkeit, Umgebungstemperatur, - druck,- feuchte, usw. Es können prädiktiv die Trajektorien für die potentielle Wärmeabfuhr berechnet bzw. abgeschätzt werden. Aus der berechneten Soll-Leistungs-Trajektorie (s.o.) kann die notwendige Wärmeabfuhr berechnet werden, die zum jeweiligen Zeitpunkt und an jeweiliger lokaler Stelle abgeführt werden muss. Die Fig.l zeigt die Auswirkung von Limitierungen bei der Wärmeabfuhr auf die elektrische Leistung P. Durch die prädizierte Umgebungstemperatur UT wird ermittelt, dass die Abwärme an einem bestimmten Zeitpunkt bzw. an einem bestimmten Streckenabschnitt aufgrund der angestiegenen Umgebungstemperatur UT nicht abgeführt werden kann. Der Betriebsparameter BP kann dabei der Temperaturunterschied zwischen der Kühlmitteltemperatur (und somit der Stack-Temperatur) und der Umgebungstemperatur UT sein. Die elektrische Leistung P muss deshalb reduziert werden. Die Anpassung der Betriebsstrategie BS kann solche Maßnahmen umfassen, die die gewünschte Leitungs-Trajektorie möglichst sicherstellen. Die Anpassung der Betriebsstrategie BS kann weiterhin solche Maßnahmen umfassen, die ein Derating bzw. ein Erreichen von Betriebsgrenzen vermeiden, vermindern oder verzögern. Beispielsweise kann im Vorfeld die Batterie stärker geladen werden, um ausreichend von der elektrischen Leistung P aus der Batterie zur Verfügung zu stellen. Im Vorfeld kann die Kühlmitteltemperatur etwas abgesenkt werden, um aufgrund der Wärmekapazität einen langsameren Temperaturanstieg zu erhalten bzw. die zulässige maximale Temperatur später zu erreichen.
Die Fig. 2 veranschaulicht eine Prädiktion von Limitierungen bei einer Luftverdichtung. Auch für das Luftverdichtungssystem bzw. das Luftsystem, welches den Kathodenpfad des Stacks 101 versorgt, können entsprechend Limitierungen prädiziert werden. Beispielsweise ist der Umgebungs-Luftdruck UP und der angeforderte Druck im Stack- Kathodenpfad entscheidend für die Verdichterleistung VL. Kann aufgrund Bergfahrt (Luftdruck sinkt) und hohem angeforderten Stack-Kathodendruck (z.B. aufgrund Erwärmung Stack durch hohe Leistung und ggf. warmer Umgebung) der notwendige Kathodendruck nicht mehr erreicht werden.
Die Fig. 2 zeigt die Anwendung des Verfahrens für die prädizierte Limitierung des Betriebsparameters BP: Verdichterleistung VL, und die daraus folgende prädizierte elektrische Leistung P, die abgesenkt werden muss, weil das Luftverdichtungssystem an die Betriebsgrenze stoßen würde. Das Luftverdichtungssystem kann außer der Verdichterleistung VL eine Reihe weiterer Limitierungen umfassen, wie z.B. Verdichterverhältnis, Limitierungen durch Temperaturgrenzen, lieferbarer Luftmassenstrom, Drehzahlen. Beispielhafte Faktoren Fi können dabei sein: Umgebungsdruck UP, Umgebungstemperatur UT, Komponentenlimits, usw.
Weitere Prädiktion von Limitierungen kann bei einem Wassermanagement und/oder Membranfeuchte, durchgeführt werden. Beispielsweise kann hier die Aktivität am Austritt des Kathodenpfades des Stacks als Maß dienen. Beispielhafte Betriebsparameter BP zur Berechnung der Aktivität können sein: o pCath (Druck Kathode Eintritt); o lambdaCath (Luftüberschuß) bzw. mfCath (massflow Kathode Eintritt); o TCool (Temp. Kühlmittel); o dTCool (Temp.differenz Kühlmittel über Stack d.h. Austritt- Eintritt); o fiCath (Feuchtigkeit am Kath odeneintritt) auch zusammenhängend mit Umgebungsfeuchte; o EIS (Impedanzantwort des Systems).
Weitere Limitierungen können ein Anodensystem, umfassend bspw. ein Brenn st off -Tanksystem, ein elektrisches Anschlusssystem usw. betreffen. Die Limitierungen aus dem Brennstoff-Tanksystem (z.B. Füllmenge Kraftstoff, Temperaturniveaus/-gradienten, etc.) und die Limitierungen aus dem Anodenkreis (z.B. Rezirkulationsrate, Dynamik, Druckniveau, max. Purge in Abhängigkeit vom Luftsystem/Verdünnungsbedingungen etc.) können berücksichtigt werden.
Weitere Limitierungen können ein Konnektivitätssystem betreffen. Da für die Prädiktion der Limitierungen vorzugsweise aktuelle Daten z.B. Streckendaten, Umgebungsdaten, etc. verwendet werden, kann die Konnektivität des Systems 100 zu Cloud/Server-Systemen eine weitere wichtige Größe sein, die selbst Limitierungen unterliegen kann. Auch diese Limitierung kann bereits prädiktiv berücksichtigt werden, bspw. Tunneldurchfahrt, keine Netzstationen in der Nähe, usw.). Zudem kann die Anpassung der Betriebsführung zumindest zum Teil auf einem Cloud/Server stattfinden. Auch hierzu kann eine Prädiktion der Konnektivität von Vorteil sein, damit die interne Steuereinheit entsprechend übernehmen kann.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum prädiktiven Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (101), aufweisend:
Bestimmen einer voraussichtlichen Trajektorie (Ti) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100),
Auswählen mindestens einer Zielgröße (ZG) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100),
Bestimmen einer Funktion (Ti_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG), die potentiell mögliche Werte der mindestens einen Zielgröße (ZG) in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie (Ti) abbildet,
Auswählen mindestens eines Betriebsparameters (BP) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100),
Bestimmen einer Funktion (Ti_BP_Pot) für den mindestens einen Betriebsparameter (BP), die potentiell mögliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters (BP) in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Trajektorie (Ti) abbildet,
Anpassen der Funktion (Ti_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG) in Abhängigkeit von der Funktion (Ti_BP_Pot) für den mindestens einen Betriebsparameter (BP),
Bereitstellen einer adaptiven und vorausschauenden Betriebsstrategie (BS) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von der angepassten Funktion (Ti*_ZG_Pot) für die mindestens eine Zielgröße (ZG). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zielgröße (ZG) mindestens eine von den folgenden Größen umfasst: eine elektrische Leistung, einen Verbrauch eines Brennstoffes, einen Kühlbedarf, eine Heizbedarf, usw., wobei insbesondere die oben genannten Größen in einer Kombination berücksichtigt werden, wobei vorzugsweise die oben genannten Größen adaptiv berücksichtigt werden, wobei bevorzugt die oben genannten Größen mit einer Gewichtung berücksichtigt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zielgröße (ZG) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsziel beim Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wird, und/oder dass mindestens ein Betriebsziel beim Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) mindestens ein von den folgenden Zielen umfasst: ein dynamisches Bereitstellen einer elektrischen Leistung, eine Reduzierung eines Verbrauchs eines Brennstoffes, eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Betriebsbereiche und/oder Umgebungsbedingungen des Brennstoffzellensystems (100), eine Sicherstellung von Funktionalitäten für unterschiedliche Alterungszustände mindestens einer Komponente des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (101), eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (101), eine Reduzierung einer Alterung mindestens einer Komponente eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere einer Batterie, bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter (BP) mindestens einen Betriebsparameter (BP) von mindestens einem von den folgenden Subsystemen des Brennstoffzellensystems (100) umfasst: dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101), einem Kathodensystem, insbesondere ein Luftverdichtungssystem, ein Befeuchtungssystem, usw., einem Anodensystem, einem Kühlsystem, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, ein Kühlerlüfter, usw., einem elektrischen Anschlusssystem an einen Verbraucher, einem Wassermanagementsystem, einem Konnektivitätssystem, insbesondere eine Schnittstelle zu einem Netz und/oder zu einer externen Vorrichtung, usw. wobei insbesondere die oben genannten Betriebsparameter in einer Kombination berücksichtigt werden, wobei vorzugsweise die oben genannten Betriebsparameter adaptiv berücksichtigt werden, wobei bevorzugt die oben genannten Betriebsparameter mit einer Gewichtung berücksichtigt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der Funktion (Ti_BP_Pot) für den mindestens einen Betriebsparameter (BP) mindestens einer von den folgenden Parametern (Fi) berücksichtigt wird: mindestens ein Umweltparameter, insbesondere Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, usw., mindestens ein Umgebungsparameter, insbesondere Straßenbeschaffenheit, usw. mindestens ein Parameter eines Verbrauchers des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere Masse und/oder Beladung eines Fahrzeugs, mindestens ein Infrastrukturparameter, insbesondere Parameter von mobilen und/oder stationären Netzstationen, Ampeln, Mautstellen, Tunneln, Baustellenbereichen, gesondert ausgewiesener Bereiche, wie z. B. beruhigter Verkehrszonen, Schulbereiche, usw. mindestens ein Verkehrsparameter, insbesondere Verkehrslage, Verkehrsregeln, Verkehrszeichen, usw.,
Beschaffenheit eines drahtlosen Konnektivitätsnetzes, insbesondere über Hauptnetzanbieter, mobile und/oder stationäre Netzstationen, verbundene Verkehrsteilnehmer, bspw. andere Fahrzeuge, usw. ein Ort, eine Zeit, ein Zustand von Brennstoffzellensystem (100), insbesondere im Hinblick auf Alterung, Wassermanagement, Thermomanagement, usw., ein Zustand von einer Komponente eines Verbrauchers, insbesondere eine elektrischer Ladezustand einer Batterie, usw. mindestens ein Verbraucherparameter, insbesondere ein Ladezustand (SOC) einer bspw. einer Hochvolt-Batterie, vorzugsweise einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, usw. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend eine Steuereinheit nach dem vorhergehenden Anspruch. Verwenden eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 8 für ein mobiles System, insbesondere ein Fahrzeug, um ein prädiktives, adaptives und/oder flexibles Betreiben des Systems bereitzustellen. Verwenden eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 8 für ein stationäres System, um ein prädiktives, adaptives und/oder flexibles Betreiben des Systems bereitzustellen.
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