CN115812048A - 用于运行电动驱动系统的方法 - Google Patents

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O·格林
C·巴拉林
S·莫斯
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Fuel Cell Center Lianghe Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车(2)的电动驱动系统的方法，机动车具有缓冲电池(2.8)和燃料电池(2.6)以用于提供电动驱动功率。在此，确定路线数据，并且随后，基于该路线数据预测消耗数据。本发明的特征在于，为了优化燃料电池(2.6)的运行，基于预测的消耗数据预测用于该路线的总能量需求，随后，确定为了与在路线的起始时刻储存在缓冲电池(2.8)中的能量一起确定在用于燃料电池(2.6)的恒定的功率轨迹上的总能量需求所需的平均燃料电池功率。随后检查，在利用该功率轨迹驶过该路线时是否违反缓冲电池(2.8)的限值；如果不违反限值，那么利用所确定的功率轨迹进行燃料电池(2.6)的运行；如果违反限值，那么在违反限值的区域中改变燃料电池(2.6)的功率并且随后进行调整，以便在整个路线上再次实现平均燃料电池功率，由此确定新的功率轨迹。随后，利用新的功率轨迹重新进行检查，直至在不违反燃料电池(2.6)的限值的情况下确定功率轨迹，随后根据该功率轨迹进行燃料电池(2.6)的运行。

Description

用于运行电动驱动系统的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分详细定义的类型的用于运行机动车的电动驱动系统的方法。
背景技术
用于具有缓冲电池和至少一个燃料电池的机动车的、尤其是也用于商用车的电动驱动系统由现有技术已知。此外已知的是，燃料电池功率的非常快速和动态的变化不利于燃料电池的有效功率和使用寿命。因此，对于这种电动驱动系统还已知的是，如此优化该电动驱动系统，使得可以补救这些问题。
就此而言，此类的DE 102017213 088 A1描述了一种用于运行机动车的电动驱动系统的方法，该机动车具有至少一个用于燃料电池的燃料箱和至少一个动力电池。在此，为了根据路线信息预测消耗数据并且由此确定用于运行燃料电池的阶段和燃料电池不运行的阶段，读取并处理导航数据。优化的目标例如可以是，优化总有效距离，优化功率，优化燃料站的数量等。
发明内容
现在，本发明的目的在于，进一步改进这种方法。
根据本发明，这通过具有权利要求1的特征部分的特征的方法实现。从与此相关的从属权利要求得到有利的设计方案和改进方案。
与在此类现有技术中的方法类似地，根据本发明的方法规定，确定路线数据，随后，基于该路线数据预测消耗数据，并且根据该数据优化燃料电池的运行。现在，根据本发明规定，为了优化燃料电池的运行，确定、即基于预测的消耗数据确定用于规划的路线的总能量需求。随后，确定为了与在起始时刻储存在缓冲电池中的能量一起提供总能量需求所需的平均燃料电池功率，从而使得车辆能够完成该路线。
平均燃料电池功率或者接下来还有以下概念、即例如可能涉及行驶的区域和阶段在此指的是分别在时间单元或路线单位方面的平均值。这些单位基本上彼此相关，从而在该路径或对于该路径所需的时间上进行观察是不重要的。
为了可以与必要时还储存在缓冲电池中的能量一起完成整个路线所需的平均燃料电池功率被假设为在整个路线上恒定的平均燃料电池功率，并且设置在用于燃料电池所需的功率的相应的恒定的功率轨迹中。随后，根据该轨迹运行燃料电池。
在确定该恒定的第一功率轨迹之后，随后如下进行检查，即，在以该功率轨迹完成该路线时是否违反缓冲电池的限值。这种限值例如可以是缓冲电池的过高的高温、过高的电流、过高的动态负载等。按照根据本发明的方法的特别有利的设计方案，必要时除了上述的参量中的其它的参量作为用于缓冲电池的限值之外，尤其使用缓冲电池的荷电状态作为限值。荷电状态随后也用于示例性地描述该方法，然而不应由此将该方法限制在该荷电状态上。
如果对于具有所确定的、在第一次启动中恒定的、用于燃料电池的功率轨迹的路线的预测不违反缓冲电池的限值，那么该方法在该情况下已经如此结束，从而可以利用该恒定的、相应于平均燃料电池功率的功率轨迹进行运行。相反地，如果出现违反限值，那么在出现违反限值的区域中并且在此也再次在时间的或路线的区域中，将燃料电池的功率改变恒定的数值。因此，例如提高或降低功率。如果限值例如是电池的荷电状态并且荷电状态低于临界的限值，则相应提高燃料电池的功率，以便具有用于为缓冲电池进行再充电的能量，并且由此避免荷电状态下降到临界的限值以下。
现在，由于在该示例性的情况中通过提高功率来提高由燃料电池提供的总功率，直到达到该时刻或路线的地点，因此现在在时间顺序中调整、在刚刚描述的示例中降低燃料电池的功率，以便平均地在整个路线上再次提供平均燃料电池功率。由此，实际上产生用于燃料电池的功率的新的功率轨迹，在上面描述的示例中，该新的功率轨迹表现为，使得该新的功率轨迹首先恒定地在平均燃料电池功率的值上开始，随后在违反荷电状态的示例性的限值的区域中暂时被提高，以便随后恒定地在之前确定的平均燃料电池功率之下继续延伸。
现在，重新以所描述的方式和方法检查该新的功率轨迹，其中，一直重复这些步骤，直到在不违反缓冲电池的限值的情况下确定该功率轨迹，随后将该功率轨迹用于运行燃料电池。因此简单且有效地根据每个路线或时间单元的平均的所需的能量需求或根据对于整个路线所需的总能量需求确定平均燃料电池功率，并且在违反燃料电池的限值的情况下优化平均燃料电池功率。这是简单且有效的。它保护缓冲电池，因为它可以给事先已经通过预测确定的临界状态增加弹性，并且同时通过该轨迹稳定(phlegmatisieren)燃料电池的功率调节，从而尽可能在恒定的功率下运行燃料电池，这一方面有助于燃料电池的效率并且另一方面有助于燃料电池的使用寿命。
按照根据本发明的方法的极其有利的改进方案，在此，调整燃料电池的功率的阶段的长度大于违反限值的区域。在此，该阶段的起点在违反开始之前。这是可行的，因为优化是基于预测的，并且由此不必等到限值的实际上出现的违反。因此，在实际上出现违反之前，它已经可以抵消对限值的违反，以便避免该违反，并且由此尤其保护缓冲电池，并且优化其使用寿命。但在此首先放弃燃料电池的动态负载。即，如果违反限值、例如低于临界的荷电状态，只有该违反或低于被测量之后，才通过使燃料电池非常强地且动态地提高其功率来进行“反抗”，那么需要这种动态负载。然而，这刚好对于燃料电池是不利的。通过将补偿的阶段选择为大于违反的区域，所需的功率突变可以在其数值中减小。对于燃料电池的使用寿命和效率来说，这也是有利的。
根据本发明的方法的另一非常有利的设计方案此外规定，功率轨迹包括至少一个具有在相应的阶段中恒定的功率的阶段。因此，例如对于在第一次检查时确定不违反缓冲电池的限值的情况，功率轨迹可以由唯一的阶段组成，该阶段与整个路线或该路线所需的持续时间一样长。于是，该功率轨迹在平均燃料电池功率水平上是相应恒定的，从而燃料电池以固定的功率连续运行。在多个阶段的情况下，各个阶段的功率可以彼此不同，但在相应的阶段内，功率保持恒定，以便必须要求燃料电池尽可能改变功率，这在燃料电池的使用寿命方面是非常不利的。
该方法的另一非常有利的设计方案此外规定，在多个阶段的情况下，在功率恒定的阶段之间的过渡以斜线和/或曲线的形式被预设。因此，在该构思的特别有利的设计方案中，放弃在燃料电池要求的功率中的突然的变化。相反地，可以预设斜线或者必要时还有曲线，该斜线或曲线尤其遵循燃料电池的功率的允许的变化率，以便由此通过在功率恒定的各个阶段之间的“柔和”的过渡还进一步稳定燃料电池的运行，并且相应以保护的方式运行燃料电池。
根据本发明的方法的极其有利的改进方案此外可以规定，分别从路线的起点进行检查直至第一次违反限值。即，通过从路线的起点开始进行检查直至第一次违反限值，来重复地实施检查。随后，调整燃料电池功率，以便不再违反限值，由此，在重新检查的情况下再次在起点开始并且随后在路线或时间图中近似从左向右进行检查，直至可能重新出现违反限值，该违反对于检查来说是新的“第一次”违反。随后，也再次调整燃料电池的功率，并且必要时一直重复，直至在整个路线上不再违反限值。
在此，根据该构思的一种非常有利的改进方案，该方法可以基于车辆的建模，通过计算在该路线上的驱动和制动力矩进行消耗值的预测。由此，为了按照根据本发明的方法更进一步地改进运行，车辆的这种建模允许相对好地预测消耗值，该建模可以“被输入”相应的参数、例如空载重量、车辆的装载以及其它的车辆专属的保持不变的或者也随着时间变化的边界条件。
在此，原则上，如在开头所述的此类现有技术中的情况那样，路线数据可以来源于车辆的导航设备。但当路线规划非常前瞻性地并且在大的路线区域或时间段上进行并且通常也相对严格地被遵守时，该方法具有特别的优点。为此，路线规划尤其可以使用车辆外部的服务器的路线数据，该服务器例如可以构造成云端中的导航系统的一部分，或者根据刚刚所述的有利的变型方案构造成物流规划的运输管理系统。通过运输管理系统的这种物流规划(例如其主要存在于利用商用车运输货物的领域中)提供非常长远且可靠的路线预测，该路线预测具有停留点、加燃料点、休息时间等。在通常使用的运输管理系统中此外储存有驾驶员、运输的货物、货物的重量以及车辆的其它参数，从而可以极其有效且可靠地进行预测。通过用于预先规划路线的相对长的时间段，此外通过根据本发明的方法在尽可能安全地运行燃料电池方面实现进一步的优化。
如已经提到的那样，作为限值可以使用缓冲电池的荷电状态。在该情况下，根据使用荷电状态作为限值的有利的改进方案，可以相应测量为了观察所需的总能量而需要的缓冲电池的荷电状态的起始值，即从而使用缓冲电池的实际的荷电状态。如果存在由固定的电网为缓冲电池再次充电的可能性，即如果车辆是所谓的插电式车辆，那么可以通过给缓冲电池再次充电，或者也可以通过放电和电流到电网中的回馈，在启动之前调节相应在策略上最优的荷电状态。当例如在商用车的卸货或装货的情况下，在路上发生在电网处的再次充电时，类似情况也是适用的。例如，如果在这种充电停止之后，或者在启动和与此相关的充电停止之后是下坡路，则可能有意义的是，电能从电池回馈到电网中，相反地，如果是上坡，则可以根据情况为缓冲电池充满电。
在此，根据该构思的非常有利的改进方案，可以循环地检查实际的荷电状态，其中，对于该实际的荷电状态离开围绕预测的荷电状态的容限带的情况，为剩余的路线重新确定功率轨迹。这具有的优点是，对于根据纯粹的建模和预测制定的功率轨迹在实际运行期间导致或大或小地显著的偏差的情况，可以实现相应的重新计算或再调整，以便再次在能量消耗和燃料电池和/或缓冲电池的使用寿命方面优化规划。
对于荷电状态的情况，在超过或低于限值时，在模型化的预测中，以如下方式对此做出反应，即，相应对在预测的曲线和相应的限值之间的面积求积分，以便获得能量含量，随后，相应通过在相应的时间段上将燃料电池的功率提高或降低恒定的值，可以根据情况在出现违反限值之前，相应补偿该能量含量。
除了纯粹的行驶路线之外，在本发明的意义中的路线数据也可以包括上坡、下坡和其它的在路线上持续存在的事件。此外，路线数据也可以包含例如可以来自第三方的信息。这例如可以包括天气数据、交通数据、关于当前的建筑工地、堵车、该路线上的交通密度分布的预测的数据等。
附图说明
从以下参考附图详细描述的实施例得到根据本发明的方法的其它的有利的设计方案。在此：
图1示出了系统的示意性的方框图，利用该系统可以执行根据本发明的方法；并且
图2示出了燃料电池的电池荷电状态和功率额定值的不同的图表，这些图表在根据本发明的方法的示例性的应用中产生。
具体实施方式
接下来根据图1中的示意性的方框图描述可行的更详细的流程，该流程此外包括根据本发明的在优选的改进方案中的方法。
在此，第一步骤是在此以1表示的方块中的物流规划，该物流规划在车辆、尤其是商用车队列的队列运行商处进行。通常，在所谓的运输管理系统(TMS)中进行该物流规划1。在此，运输订单与各个车辆2及其驾驶员相关联。此外，进行用于相应的车辆2的时间和路线规划。因此在物流规划1中产生的数据包通常包含路线数据、即各个区段的坐标、具有出发时间、装卸时间、休息时间的时间规划等。此外，在数据包中储存有关于车辆2的说明、例如不同的车辆参数、车辆的配置，车辆的车辆识别码等。此外，数据包包含关于驾驶员以及车辆的货物以及在此尤其是货物重量的数据。
该数据包可以通过以1a表示的通信链路传输给行驶策略模块3，并且在那里被数据接口3.1接收。随后，在行驶预测模块3.3中继续处理该数据包。与来自通过通信链路1a传输的数据包的关于车辆2的说明相适配地，通过另一接口模块3.2经由通信链路2a/2b请求，或借助车辆2的通信模块2.1读取关于车辆2的数据。所述数据例如包括燃料箱2.3的由燃料箱控制模块2.4检测的物理测量值、例如压力、温度和填充量，以及缓冲电池2.8的荷电状态以及例如缓冲电池的热负载，该热负载可以来自于电池管理模块2.7。随后，行驶策略模块3的行驶预测模块3.3借助物流规划数据和车辆数据计算具有规划的车辆的规划的行驶路线上的能量需求以及其它的车辆状态。在此，也相应考虑交通、必要时驾驶员、地形、天气和交通基础设施的影响。这些信息可以通过的附加的模块4，例如以天气信息4.1和/或交通信息4.2的形式作为数据包通过路径4b被请求和/或通过路径4a被调取。
利用行驶预测模块3.3的计算结果，运行策略模块3.4可以确定对燃料电池2.6的最优的功率要求。
为此使用以下所述的流程。现在，基于已经从物流规划1确定的路线数据，利用车辆模型计算在整个路线上所需的驱动和制动力矩，车辆2的车辆数据流入该车辆模型中。随后，将驱动和制动力矩换算成电动驱动机器的功率需求或回收功率。随后，由此可以基于整个路线上的各个路线区段或各个时间单元计算平均功率需求。因此，在整个路线上存在平均恒定的功率需求值。随后，根据在缓冲电池2.6中的能量和在该路线上的该平均功率需求或总能量需求，可计算应由燃料电池2.8提供的平均功率。作为用于缓冲电池2.8的荷电状态的起始值，要么可以使用已经通过电池管理模块2.7检测的真实存在的值，要么如果存在用于将车辆2或其缓冲电池2.8连接到电网的可能性，那么可以通过缓冲电池2.8的充电或能量从缓冲电池2.8到电网的馈电调节出用于缓冲电池2.8的荷电状态(SOC)的最优的起始值。
现在，在假设平均燃料电池功率在整个路线上保持恒定的情况下，基于以上已经描述的建模来检查，在燃料电池2.6的这种功率轨迹的情况下是否超过缓冲电池2.8的荷电状态的限值。在图2a)中，为此在上方说明以千瓦为单位的燃料电池2.6的功率额定值，并且在下方说明百分比形式的缓冲电池2.8的荷电状态。在此，以虚线示出了不可低于的下荷电状态的和不可超过的上荷电状态的两个限值。燃料电池2.6的功率轨迹表示为恒定的、相应于燃料电池2.6所需的平均功率的值。除了荷电状态之外，检查是否违反缓冲电池2.8的限值也可以补充或替代地考虑其它的值、例如温度、电流强度、电流密度等。
现在，如果在燃料电池2.6作为功率轨迹的恒定的平均功率值的情况下未识别到违反缓冲电池2.8的限值，那么策略性的规划已经结束，并且以该平均值、即恒定的功率轨迹运行燃料电池2.6。
如在图2a)的图示中那样，如果出现低于最低荷电状态，那么必须相应做出反应。在此，在图2的图表中，始终从左向右进行检查，并且检查分别再次在路线的起始时刻或起始点开始，直至相应低于或超过限值。在该情况下，出现低于缓冲电池2.8的最低荷电状态，这可在图2a和图2b中相应看到。为了应对这种低于限值的情况，例如通过在曲线和限值之间的面积的积分识别出小于下限值的灰色面积、即能量总和。于是，该值相应于必须附加地通过燃料电池2.6提供的能量总和。在图2b)的图示中，这通过提高燃料电池2.6的功率来实现，具体地使功率提高了如下的能量：该能量事先已经被识别为低于缓冲电池2.8的限值。为了一方面将燃料电池的功率变化保持为尽可能小并且在燃料电池2.6的运行中在恒定的功率中保持尽可能长的时间段，相应提高功率的时间或路线区段相对于低于下限值的时间或路线区段增大，例如加倍，这例如可从图2b)的图示中看出。为了最终在路线上遵循燃料电池2.6的平均总功率以及进而由燃料电池2.6产生的总能量，随后再次关于时间或路线相应降低燃料电池功率的走向，从而又平均实现与在图2a中相同的平均功率。
因此，现在以该方式产生用于燃料电池2.6的运行的新的功率轨迹。随后，该新的功率轨迹也经受重新的检查，这与在图2a)中的图示类似地在图2c)中相应示出。现在，在不违反下限值的情况下，在缓冲电池2.8的荷电状态方面一直进行检查，直至缓冲电池相应超过其电量的上限值。现在，在此类似地以下方式做出反应，即至少在超过上限值的时间段内降低燃料电池2.6提供的功率。这在图2d)的图示中相应示出。于是，在此也再次产生用于燃料电池2.6的新的功率轨迹，新的功率轨迹在在此示出的最后的区段中具有相应适配的功率，以便由此在总和上得到用于在开始已经确定的路线的平均功率和进而来自燃料电池2.6的总能量。现在，在重新检查时，基于在图2d)中示出的功率轨迹不再违反缓冲电池2.8的限值，从而发现最优的运行策略，在其中，缓冲电池2.8的限值在允许的极限之内。
如在图2d)的图示中示出的那样，用于燃料电池2.6的功率轨迹现在由不同阶段的组成，这些阶段具有燃料电池2.6的不同的功率，然而其中，在阶段中的每个内，功率保持恒定。这能够实现非常安全地运行燃料电池2.6。通过可选地使用斜线或必要时也使用其它的曲线代替突然的功率变化(如在此以实线示出)，还可进一步改进运行，该斜线或曲线遵循在不损害使用寿命和有效功率的情况下对于燃料电池2.6可行的最大变化率。在图2d)的图示中，在功率轨迹中以虚线示出斜线。
现在，如果在运行策略模块3.4中已经确定最优的运行策略，其形式为在整个规划的路线上用于燃料电池2.6的功率轨迹以及缓冲电池2.8的不违反限值的荷电状态的相关的走向，那么该数据在计算(其如在此示出的那样优选可以在云端中进行)之后，以利用1b表示的路径向队列运行商或调度者示出，并且同时以2b表示的路径被传输给车辆2。此外替代地，代替在云端中的行驶策略模块3中的计算地，也可以完全在车辆中进行该计算，这不会进一步影响所描述的方法，而是仅以对于本领域技术人员显而易见的方式和方法改变通信路径。
随后，将形式为用于燃料电池2.6的与位置或时间相关的功率额定值、即燃料电池的功率轨迹和缓冲电池2.8的荷电状态的假设的预先计算出的走向的计算出的运行策略通过通信模块2.1传导给车辆2的中央驱动控制模块2.2，随后，该驱动控制模块相应在车辆2中实现该运行策略。
在此，驱动控制模块2.2使用预先计算的用于燃料电池2.6的功率轨迹以用于通过燃料电池2.6的控制模块2.5预设车辆2中的额定值。同时，驱动控制模块2.2检查，在缓冲电池2.8的荷电状态的规划的走向和在行驶期间的实际的走向之间是否存在偏差，实际的走向可以从电池管理模块2.7中调取。如果在缓冲电池2.8的荷电状态的规划和实际的走向之间出现偏差，或者达到热的负载极限、电流极限、电流密度极限等，那么驱动控制模块2.2可以修正对燃料电池2.6的功率要求。直到达到一定的预定义的阈值或关于计算出的规划的荷电状态的容限带，这也可以保持忽略。然而，如果超过这种容限带，那么可能有意义的是，不仅在车辆2中进行进一步的计算，而且又将其反射到相应的行驶策略模块3上，以便为将来的路线的剩余部分再次进行以上所描述的规划流程，并且因此即使在路上出现偏差时也优化该规划，该偏差例如通过不可预见的外部事件引起，外部事件例如是基于事故、由于临时改道带来的未规划的路线偏差引起的突然出现的堵车等。
在识别到与通过车辆2的驾驶员选择的路线有偏差时，也可以进行相应的重新规划，于是，再次以上述的方式和方法进行重新规划，并且可以将重新规划的结果分发给参与的系统1、2。在该结果的范围内，也可以尤其利用其它的信息、例如更新的交通数据、交通流量数据、天气信息等更新路线数据。

Claims (10)

1.一种用于运行机动车(2)的电动驱动系统的方法，机动车包括至少一个缓冲电池(2.8)和至少一个燃料电池(2.6)以用于提供电动驱动功率，其中，确定路线数据，并且随后，基于路线数据预测消耗数据以优化燃料电池(2.6)的运行，
其特征在于，
为了优化燃料电池(2.6)的运行，基于预测的消耗数据预测用于所述路线的总能量需求，随后确定为了与在路线的起始时刻储存在缓冲电池(2.8)中的能量一起提供总能量需求所需的平均燃料电池功率，由此确定为此所需的燃料电池(2.6)功率的恒定的功率轨迹，随后检查，在利用该功率轨迹驶过所述路线时是否违反缓冲电池(2.8)的限值；
如果不违反限值，那么利用所确定的功率轨迹运行燃料电池(2.6)；
如果违反限值，那么在违反限值的区域中使燃料电池(2.6)的功率改变在时间上保持恒定的数值，随后进行适配从而在整个路线上再次实现平均燃料电池功率，由此确定新的功率轨迹，随后
利用新的功率轨迹重新进行检查，直至在不违反缓冲电池(2.6)的限值的情况下确定功率轨迹，随后根据所述功率轨迹进行燃料电池(2.6)的运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对燃料电池(2.6)的功率进行适配的阶段的长度被规定为大于违反限值的区域，其中，所述阶段的起点在违反开始之前。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，功率轨迹包括至少一个阶段，所述阶段具有在各阶段中恒定的功率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在多个阶段的情况下，在功率恒定的阶段之间的过渡被规定为斜线和/或曲线的形式。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述检查分别从路线的起点起，直至第一次违反限值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，基于机动车(2)的建模，通过计算在所述路线上的驱动和制动力矩进行消耗值的预测。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，从车辆外部的服务器，尤其是从物流规划(1)的运输管理系统调取路线数据。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，作为限值，使用缓冲电池(2.8)的荷电状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，作为荷电状态的起始值，使用缓冲电池(2.8)的实际的荷电状态，或者在存在由固定的电网为缓冲电池再次充电的可能的情况下，使用在策略上最优的荷电状态，该荷电状态在启动之前通过在电网上的充电/放电被设定。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，循环地检查实际的荷电状态，其中，对于该实际的荷电状态离开围绕预测的荷电状态的容限带的情况，为剩余的路线重新确定功率轨迹。
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