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.