DE10119726A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines lastabhängigen Stromerzeugungssystems, das wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Leistungsanforderung an den elektrischen Antriebsmotor erfolgt, und wobei zur Berechnung des Stromsollwertes für das Stromerzeugungssystem ein Dynamikparameter des Stromerzeugungssystems und/oder ein das Verhalten des Stromerzeugungssystems charakterisierendes Simulationsmodell herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 195 41 575 C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, in einem Elektrofahrzeug bekannt. Dabei werden ausgehend von der Fahrpedalstellung Sollwerte für die Motorstrangströme des elektrischen Antriebsmotors ermittelt. Der Leistungssollwert für das Stromerzeugungssystem wird aus den Sollwerten für die Motorstrangströme des elektrischen Antriebsmotors generiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das dynamische Verhalten des Gesamtsystems zu verbessern. Das Gesamtsystem weist hierbei wenigstens ein Stromerzeugungssystem und einen elektrischen Antriebsmotor auf.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren ist besonders für den Einsatz bei einem Gesamtsystem geeignet, bei dem die Dynamik des Stromerzeugungssystems langsamer ist als die Dynamik des Antriebsmotors, da das Verfahren die langsame Dynamik des Stromerzeugungssystems ausgleicht. Das dynamische Verhalten eines Systems ist insbesondere durch die Verzögerungen und Zeitkonstanten eben dieses Systems gegeben. Durch die Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Stromerzeugungssystems bei der Bestimmung des Stromsollwertes werden diese Verzögerungen und Zeitkonstanten durch den ermittelten Stromsollwert ausgeglichen. Dies führt zu einem schnellen und somit dynamischen Verhalten des Gesamtsystems mit einer verbesserten Reaktionszeit.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem und
Fig. 2 eine Sprungantwort eines beispielhaften Stromerzeugungssystems.
Nachfolgend ist anhand von Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem beschrieben. Das Stromerzeugungssystem 1 versorgt wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor 2, an den eine Leistungsanforderung LA gestellt wird, mit elektrischer Energie. Der von dem Stromerzeugungssystem 1 erzeugte Strom Iist wird dem elektrischen Antriebsmotor 2 zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise sind das Stromerzeugungssystem 1 und der elektrische Antriebsmotor 2 in einer mobilen Einrichtung, insbesondere einem Fahrzeug, angeordnet, und der elektrische Antriebsmotor 2 dient unter anderem dem Antrieb der mobilen Einrichtung. Beim Betrieb in einer mobilen Einrichtung erfolgt die Leistungsanforderung LA an den elektrischen Antriebsmotor 2 üblicherweise über eine Fahrpedalanforderung.
Zur Berechnung des Stromsollwertes Isoll für das Stromerzeugungssystem 1 wird als Dynamikparameter die mit dem Zeittakt ΔT skalierte Zeitkonstante des Stromerzeugungssystems, TSE-skal, verwendet. Die Skalierung der Zeitkonstante des Stromerzeugungssystems TSE erfolgt bevorzugt durch eine Division der Zeitkonstanten TSE durch den Zeittakt ΔT. Der Zeittakt ΔT gibt die Anzahl der Zeiteinheiten an, nach denen ein Meßwert einer Größe, z. B. der Motordrehzahl n, genommen wird. Durch die Skalierung wird sichergestellt, daß alle verwendeten Größen den gleichen zeitlichen Bezugsrahmen haben.
Zusätzlich oder anstelle der Zeitkonstante können weitere Dynamikparameter des Stromerzeugungssystems 1, z. B. die Totzeit, und/oder ein mathematisches und/oder physikalisches Simulationsmodell des Stromerzeugungssystems für die Berechnung herangezogen werden. Ein mathematisches bzw. physikalisches Simulationsmodell kann z. B. in Form einer Differenzial- oder Differenzengleichung gegeben sein. Wird als Stromerzeugungssystem 2 z. B. ein Brennstoffzellensystem verwendet, bei dem der Wasserstoff aus der Reformierung von Methanol gewonnen wird, so kann als mathematisches Simulationsmodell ein Proportionalglied mit Verzögerung vierter Ordnung, ein sogenanntes PT4-Glied, verwendet werden. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsgröße eines PT4-Gliedes als durchgezogene Kurve dargestellt, wenn die Eingangsgröße eine Sprungfunktion ist.
Ferner wird zur Berechnung des Stromsollwertes Isoll des Stromerzeugungssystems 1 die Dynamik der aktuellen Drehzahl Δn des elektrischen Antriebsmotors 2 verwendet. Die Dynamik der aktuellen Drehzahl Δn des elektrischen Antriebsmotors 2 wird bevorzugt durch Differenzierung der aktuellen Drehzahl n des elektrischen Antriebsmotors 2 ermittelt.
Eine vorausschauende Drehzahldifferenz Δnvor wird aus der skalierten Zeitkonstanten TSE-skal des Stromerzeugungssystems 1 und der differenzierten Drehzahl Δn des elektrischen Antriebsmotors 2 bevorzugt durch Multiplikation ermittelt. Die vorausschauende Drehzahldifferenz Δnvor hängt somit von dem dynamischen Verhalten des Stromerzeugungssystems 1, charakterisiert durch TSE-skal, ab. Weiterhin hängt die vorausschauende Drehzahldifferenz Δnvor, insbesondere beim Einsatz in Elektrofahrzeugen, die Getriebe mit einer festen Übersetzung verwenden, von der Winkelbeschleunigung und daher von der Fahrzeugbeschleunigung ab.
Weiterhin werden zur Berechnung des Stromsollwertes Isoll des Stromerzeugungssystems 1 eine aktuelle Drehzahl n des elektrischen Antriebsmotors 2 und ein Drehmoment M des elektrischen Antriebsmotors 2 herangezogen. Als Drehmoment M kann das aktuelle Drehmoment und/oder das Solldrehmoment des elektrischen Antriebsmotors 2 verwendet werden. Der Stromsollwert Isoll für das Stromerzeugungssystem 1 wird bevorzugt mittels eines Kennfeldes 3 aus dem Drehmoment M des elektrischen Antriebsmotors 2 und aus der Summe der aktuellen Drehzahl n des elektrischen Antriebsmotors 2 und der vorausschauenden Drehzahldifferenz Δnvor ermittelt. Das Drehmoment M und die Summe der aktuellen Drehzahl n und der vorausschauenden Drehzahldifferenz Δnvor bilden die Eingangsgrößen des Kennfeldes 3. Die Ausgangsgröße des Kennfeldes ist der Stromsollwert Isoll. Der ermittelte Stromsollwert Isoll berücksichtigt die Dynamik des Stromerzeugungssystems 1. Insbesondere beim Einsatz in Elektrofahrzeugen, die Getriebe mit einer festen Übersetzung verwenden, berücksichtigt er außerdem die Fahrzeugbeschleunigung.
Bevorzugt ist das Verfahren beziehungsweise der Algorithmus zum Verfahren in einer nicht dargestellten ersten Steuereinheit integriert. Die Motorgrößen aktuelle Drehzahl n und Drehmoment M des elektrischen Antriebsmotors können direkt gemessene Werte sein oder von einer nicht dargestellten zweiten Steuereinheit der ersten Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden.
Das Verfahren wird bevorzugt bei einem Stromerzeugungssystem 1 angewendet, dessen Dynamik langsamer ist als die Dynamik des verwendeten elektrischen Antriebsmotors 2. Dies ist z. B. der Fall, wenn als Stromerzeugungssystem 1 ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Bei einem Sollwertsprung hat ein elektrischer Fahrzeugantriebsmotor 2 typischerweise nach wenigen 10 ms ungefähr 90 Prozent des Sollwertes erreicht. Brennstoffzellensysteme, die direkt mit Wasserstoff versorgt werden, weisen dagegen üblicherweise ein langsameres dynamisches Verhalten auf. Noch langsamer reagieren Brennstoffzellensysteme, bei denen zunächst ein flüssiger Kraftstoff, z. B. Methanol oder Benzin, reformiert wird und anschließend der erzeugte Wasserstoff dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Bei einer hohen Beschleunigung des Gesamtsystems muß das Brennstoffzellensystem sich rasch ändernde Stromwerte bereitstellen. Dies ist aufgrund der begrenzten Dynamik des Brennstoffzellensystems, je nach Brennstoffzellensystem, jedoch nur eingeschränkt möglich. Die Folgen sind eine Stromunterversorgung des elektrischen Antriebsmotors, Spannungseinbrüche und gegebenenfalls eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems.
Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stromsollwert Isoll derart vorgesteuert, daß die Dynamik des Brennstoffzellensystems ausgeglichen wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Beschleunigungswerte des Gesamtsystems, z. B. eines Fahrzeugs, und zu einer exakteren Strombilanz. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher besonders für den Einsatz bei schnell wechselnden Arbeitspunkten, z. B. bei der Beschleunigung eines Fahrzeugs bei einer Bergabfahrt, dem Ansprechen der Anti-Schlupf-Regelung, und der damit verbundenen sich schnell ändernden Leistungsanforderung LA an den elektrischen Antriebsmotor 2 geeignet. Außerdem wird durch die vorausschauende Berechnung des Stromsollwertes 15011 der Verbrauch optimiert. Bei Brennstoffzellensystemen, bei denen der Wasserstoff aus der Reformierung eines flüssigen Kraftstoffs, beispielsweise Methanol oder Benzin, gewonnen wird, kann somit auch die Wasserstoffproduktion optimiert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist seine geringe Komplexität, die eine einfache Realisierung des Verfahrens in einem Steuergerät ermöglicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Stromsollwertes für ein lastabhängiges Stromerzeugungssystem (1), das einen elektrischen Antriebsmotor (2) mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Leistungsanforderung (LA) an den elektrischen Antriebsmotor (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Stromsollwertes (Isoll) für das Stromerzeugungssystem (1) ein Dynamikparameter des Stromerzeugungssystems (1) und/oder ein das Verhalten des Stromerzeugungssystems (1) charakterisierendes Simulationsmodell herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Stromsollwertes (Isoll) des Stromerzeugungssystems (1) zusätzlich die Dynamik der aktuellen Drehzahl (Δn) des elektrischen Antriebsmotors (2) herangezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Stromsollwertes (Isoll) des Stromerzeugungssystems (1) zusätzlich eine aktuelle Drehzahl (n) des elektrischen Antriebsmotors (2) und ein Drehmoment (M) des elektrischen Antriebsmotors (2) herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert (Isoll) für das Stromerzeugungssystem (1) aus dem Drehmoment (M) des elektrischen Antriebsmotors (2) und aus der Summe der aktuellen Drehzahl (n) des elektrischen Antriebsmotors (2) und einer vorausschauenden Drehzahldifferenz (Δnvor) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dynamikparameter die mit einem Zeittakt (ΔT) skalierte Zeitkonstante des Stromerzeugungssystems (1), (TSE-Skal), verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamik der aktuellen Drehzahl (Δn) des elektrischen Antriebsmotors (2) durch die Differenzierung der aktuellen Drehzahl (n) des elektrischen Antriebsmotors (2) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorausschauende Drehzahldifferenz (Δnvor) aus dem Dynamikparameter und/oder dem Simulationsmodell des Stromerzeugungssystems (1) und der Dynamik der aktuellen Drehzahl (Δn) des elektrischen Antriebsmotors (2) generiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorausschauende Drehzahldifferenz (Δnvor) aus dem Dynamikparameter des Stromerzeugungssystems (1) und der Dynamik der aktuellen Drehzahl (Δn) des elektrischen Antriebsmotors (2) mittels Multiplikation generiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehmoment (M) das aktuelle Drehmoment oder das Solldrehmoment des elektrischen Antriebsmotors (2) verwendet wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromerzeugungssystem (1) ein Brennstoffzellensystem verwendet wird.
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