DE102013100403B4 - Analytisches Verfahren für ein brennstoffverbrauchsoptimiertes Hybridkonzept für Brennstoffzellensysteme - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Optimieren einer Leistungsausgangsverteilung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer Batterie in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst:
- Identifizieren einer gewünschten Leistungsanfrage;
- Definieren einer virtuellen Batteriewasserstoffleistung für die Batterie, die auf einer Beziehung zwischen einer Batterieleistungsanfrage von der Batterie und einer Effizienz der Batterie beruht;
- Definieren einer virtuellen Stapelwasserstoffleistung für den Brennstoffzellenstapel, die auf einer Beziehung zwischen einer Stapelleistungsanfrage von dem Brennstoffzellenstapel und einer Effizienz des Brennstoffzellenstapels beruht;
- Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung;
- Umwandeln der virtuellen Stapelwasserstoffleistung in eine Stapel-Polynomgleichung;
- Addieren der Batterie-Polynomgleichung und der Stapel-Polynomgleichung, um eine kombinierte Leistungspolynomgleichung zu erhalten;
- Lösen der kombinierten Leistungspolynomgleichung, um ein Minimum für die Stapelleistungsanfrage zu ermitteln, durch Setzen einer Ableitung der virtuellen Stapelwasserstoffleistung auf Null; und
- Subtrahieren der Stapelleistungsanfrage von der gewünschten Leistungsanfrage, um die Batterieleistungsanfrage zu erhalten, wobei das Verfahren des Weiteren umfasst:
- Addieren eines Kompressorbeschleunigungsleistungssignals zum Regeln eines Kathodenkompressors zu der gewünschten Leistungsanfrage, falls eine Stapelleistung bei einem laufenden Zeitschritt größer ist als eine Stapelleistung zu einem vorhergehenden Zeitschritt.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Optimieren der Leistungsverteilung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer Hochvoltbatterie und insbesondere auf ein System und ein Verfahren, das die Leistungsverteilung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer Hochvoltbatterie auf einem Brennstoffzellenfahrzeug optimiert, um Wasserstoffbrennstoff zu sparen, wobei das Verfahren das Modellieren der Leistungsverteilung unter Verwendung von Polynomgleichungen und das Minimieren einer Lösung dieser Gleichungen beinhaltet.
• Diskussion des Standes der Technik
• Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
• Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
• Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
• Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
• Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine zusätzliche Energiequelle zu dem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise eine DC-Hochvoltbatterie oder einen Superkondensator aufweisen. Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler wird manchmal verwendet, um die Batteriespannung mit der Spannung des Brennstoffzellenstapels abzugleichen. Die Energiequelle liefert zusätzliche Leistung für die verschiedenen Hilfslasten des Fahrzeugs, für den Systemstart und während hoher Leistungsanforderungen, bei denen der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung zur Verfügung zu stellen. Der Brennstoffzellenstapel stellt Leistung an einen elektrischen Traktionsmotor über einen DC-Hochvoltbus für den Fahrzeugbetrieb bereit. Die Batterie stellt zusätzliche Leistung zu den Zeiten zur Verfügung, wenn zusätzliche Leistung über das Maß, das der Stapel zur Verfügung stellen kann, benötigt wird, beispielsweise während einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel 70 kW Leistung zur Verfügung stellen, die Fahrzeugbeschleunigung jedoch kann 100 kW Leistung erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird verwendet, um die Batterie oder den Superkondensator zu den Zeiten wiederaufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, die Systemleistungsnachfrage zu befriedigen. Die von dem Traktionsmotor während dem Rekuperationsbremsen verfügbare Leistung wird darüber hinaus zum Wiederaufladen der Batterie oder des Superkondensators verwendet.
• Es ist notwendig, Regelungsalgorithmen zur Verfügung zu stellen, um zu bestimmen, wieviel Leistung von dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt werden wird und wieviel Leistung von der Batterie in Reaktion auf eine Leistungsforderung des Fahrzeugführers und bei allen Fahrzeugbetriebsbedingungen zur Verfügung gestellt werden wird. Die Batterie muss innerhalb eines bekannten Ladezustandsbereichs betrieben werden, wobei die Regelungsalgorithmen typischerweise einen Ladezustandssollwert zur Verfügung stellen, auf den das Batterieladen und -entladen basierend auf diesem Sollwert geregelt wird. Es ist wünschenswert, die Leistungsverteilung, die von dem Brennstoffzellenstapel und der Batterie zur Verfügung gestellt wird, zu optimieren, so dass die Menge an Wasserstoff, die verwendet wird, um das Fahrzeug zu betreiben, minimiert wird. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, das Brennstoffzellensystem auf die effizienteste Weise zu betreiben, die es erlaubt, das Fahrzeug die weiteste Distanz unter Verwendung der geringsten Menge an Wasserstoff zu fahren. Die Druckschrift US 2004/0065489 A1 beschreibt ein Regelungsverfahren für ein elektrisches Hybridenergiesystem mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie. Die Druckschrift DE 601 32 951 T2 beschreibt ein Detektierverfahren zum Detektieren eines internen Zustands einer wiederaufladbaren Batterie. Die Druckschrift DE 10 2008 006 738 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln einer Polarisationskurve, welche eine Spannungs-Strom-Abhängigkeit eines Brennstoffzellensystems beschreibt. Die Druckschrift US 7,704,634 B2 beschreibt ein Verfahren zum Konfigurieren eines Batteriesystems zur Prävention eines Effizienzverlustes. Die Druckschrift US 2011/0172865 A1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung der Effizienz eines Fahrzeugantriebsstranges mit einem Motor und mit einer elektrischen Maschine. Bekannte Regelungsalgorithmen zum Regeln der Leistungsverteilung zogen diese Optimierung in Betracht, waren jedoch meist an der Batterielebensdauer und der Batteriezuverlässigkeit interessiert.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Optimieren der Leistungsverteilung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer Hochvoltbatterie in einem Brennstoffzellenfahrzeug offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Definieren einer virtuellen Batteriewasserstoffleistung für die Batterie, die auf einer Beziehung zwischen einer Batterieleistungsanfrage von der Batterie und einer Effizienz der Batterie basiert, und das Definieren einer virtuellen Speicherwasserstoffleistung für den Brennstoffzellenstapel, welche auf einer Beziehung zwischen einer Stapelleistungsanfrage von dem Brennstoffzellenstapel und einer Effizienz des Brennstoffzellenstapels basiert. Die virtuelle Batteriewasserstoffleistung und die virtuelle Stapelwasserstoffleistung werden in Polynomgleichungen umgewandelt und miteinander addiert, um eine kombinierte Leistungspolynomgleichung bereitzustellen. Die kombinierte Leistungspolynomgleichung wird durch Nullsetzen einer Ableitung der virtuellen Stapelwasserstoffleistung gelöst, um ein Minimum für die Brennstoffzellenleistungsnachfrage zu bestimmen. Die Stapelleistungsanfrage wird dann von einer gewünschten Fahrerleistungsanfrage subtrahiert, um die Batterieleistungsanfrage zu erhalten. Das Verfahren umfasst ferner das Addieren eines Kompressorbeschleunigungsleistungssignals zum Regeln eines Kathodenkompressors zu der gewünschten Leistungsanfrage, falls eine Stapelleistung bei einem laufenden Zeitschritt größer ist als eine Stapelleistung zu einem vorhergehenden Zeitschritt.
• Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
• Figurenliste
• 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Hochvoltbatterie;
• 2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Leistungsanfrage des Fahrers, einer Brennstoffzellenstapelleistung und einer kombinierten Batterie- und Brennstoffzellenstapelleistung zeigt;
• 3 ist ein Graph, bei dem die Brennstoffzellensystemleistungsanfrage auf der horizontalen Achse und die minimale Leistung des Brennstoffzellensystems auf der vertikalen Achse aufgetragen ist; und
• 4 ist ein Blockdiagramm eines Leistungsregelungssystems zum Bereitstellen von Leistungsverteilungssignalen für eine Batterie und einen Brennstoffzellenstapel, welches einen Leistungsoptimierer und einen Batterieladezustandsregler beinhaltet.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
• Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Leistungsverteilung, die von einem Brennstoffzellenstapel und einer Batterie in einem Brennstoffzellenfahrzeug bereitgestellt wird, gerichtet ist, um den Wasserstoffverbrauch zu minimieren, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen. Beispielsweise findet die vorliegende Erfindung, wie oben erwähnt, eine besondere Anwendung bei einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug. Wie von Fachleuten allerdings erkannt werden kann, können das System und das Verfahren der Erfindung andere Anwendungen haben.
• 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 und einer Hochvoltbatterie 14. Die Batterie 14 kann jedes geeignete wiederaufladbare Batteriesystem sein, das verschiedene wünschenswerte Lade- und Entladecharakteristiken für Brennstoffzellensystemanwendungen zur Verfügung stellt, wobei ohne Einschränkungen Lithiumionen-Batterien, Nickelmetallhydrid-Batterien, Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien, Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien etc. umfasst sind. Obwohl die Batterie 14 in dieser nicht einschränkenden Ausführungsform als zusätzliche Energiequelle verwendet wird, können andere DC-Hochvoltspeichervorrichtungen anstelle der Batterie 14, beispielsweise ein Superkondensator, verwendet werden.
• Der Brennstoffzellenstapel 12 und die Batterie 14 können unterschiedliche Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von ihrer Ausgestaltung und dem Laststrom aufweisen. Ein DC/DC-Aufwärtswandler 18 liefert einen Spannungsabgleich zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14 und stellt eine Stromregelung zur Verfügung, die selektiv bestimmt, wieviel Leistung von dem Stapel 12 zur Verfügung gestellt wird, um die verschiedenen Lasten und einen elektrischen Traktionsmotor 28 für die wechselnden Brennstoffzellensystembedingungen und Fahrerleistungsanfragen zu treiben.
• In dieser Ausgestaltung ist der Brennstoffzellenstapel 12 elektrisch mit dem DC/DC-Aufwärtswandler 18 über einen Stapelbus 16 gekoppelt und der DC/DC-Aufwärtswandler 18 ist mit der Hochvoltbatterie 14 über einen Hochvoltbus 20 gekoppelt. Die verschiedenen Hochvoltkomponenten des Systems 10 sind elektrisch mit dem Hochvoltbus 20 zwischen dem Aufwärtswandler 18 und der Batterie 14 gekoppelt. Insbesondere sind ein Luftkompressor 22 zum Bereitstellen eines Luftflusses an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 und verschiedene Systemlasten 24 mit dem Hochvoltbus 20 am Knoten 26 elektrisch gekoppelt. Des Weiteren sind der elektrische Traktionsmotor 28 zusammen mit der Hochvoltbatterie 14 mit dem Hochvoltbus 20 am Knoten 30 elektrisch gekoppelt. Ein Systemkontroller 32 steuert den DC/DC-Aufwärtswandler 18, um den Spannungsabgleich zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14 bereitzustellen und optimiert die Leistungsverteilung zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14, um den Wasserstoffverbrauch konsistent mit der hier geführten Diskussion zu minimieren.
• Wie unten im Detail diskutiert werden wird, schlägt die vorliegende Erfindung ein Regelungsschema für einen Leistungsoptimierer vor, der bestimmt, wieviel Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 zur Verfügung gestellt werden muss und wieviel Leistung von der Hochvoltbatterie 14 für eine bestimmte Fahrerleistungsanfrage zur Verfügung gestellt werden muss, so dass die Menge an Wasserstoff, die verbraucht wird, minimiert wird. Der Leistungsoptimierer arbeitet mit Effizienztabellen für den Brennstoffzellenstapel 12 und die Hochvoltbatterie 14. Bei einer gegebenen Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req berechnet der Optimierer die optimale Leistungsverteilung zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14. Für eine analytische Evaluierung werden die Effizienztabellen in Polynomgleichungen transformiert, wie diskutiert werden wird. Die Berechnungen definieren die Leistung, die von dem Stapel 12 als eine virtuelle Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS zur Verfügung gestellt wird, und die Leistung, die von der Batterie 14 als eine virtuelle Batteriewasserstoffleistung P_H2,Bat zur Verfügung gestellt wird. Wie diskutiert werden wird, werden die Polynomgleichungen gelöst, um eine Stapelleistungsanfrage P_FCS,req zu bestimmen, und danach wird diese Leistung von der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req zusammen mit anderen und diskutierten Faktoren subtrahiert, um eine Batterieleistungsanfrage P_Bat,req zu bekommen.
• Gleichung (1) zeigt einen Betrieb für eine Batterieentladung: $$\begin{array}{c}{P}_{H_2}=P_{H_2,Bat}+P_{H_2,FCS}\\ =\frac{P_{Bat,req}}{{\eta }_{Bat}\left(P_{Bat}\right)}+\frac{P_{FCS,req}}{{\eta }_{FCS}\left(P_{FCS}\right)}\\ =\frac{\left(P_{Driver,req}-P_{FCS,req}\right)}{{\eta }_{Bat}\left(P_{Bat}\right)}+\frac{P_{FCS,req}}{{\eta }_{FCS}\left(P_{FCS}\right)}\end{array}$$

  

  wobei P_H2 die kombinierte Wasserstoffleistung, die verwendet wird, ist, P_H2,Bat die virtuelle Wasserstoffleistung für die Batterie 14 ist, P_H2,FCS die virtuelle Wasserstoffleistung für den Stapel 12 ist, P_Bat,req die von der Batterie 14 angeforderte Leistung ist, P_FCS,req die von dem Brennstoffzellenstapel 12 angeforderte Leistung ist, P_Driver,req die von dem Fahrzeugführer angeforderte Leistung ist, η_Bat die Batterieeffizienz ist und η_FCS die Brennstoffzellenstapeleffizienz ist. Die Batterie 14 kann entweder geladen oder entladen werden und für die Fälle, bei denen die Batterie 14 geladen wird, wird die Batterieleistungsanfrage P_Bat,req mit der Batterieeffizienz η_Bat multipliziert und für die Fälle, bei denen die Batterie 14 entladen wird, wird die Batterieleistungsanfrage P_Bat,req durch die Batterieeffizienz η_Bat dividiert.
• Beispiele für die Leistungsverteilung zwischen dem Stapel 12 von der Batterie 14 basierend auf der Gleichung (1) werden unten in der Tabelle I gezeigt. In der Tabelle I zeigt die zweite Zeile eine 50 kW Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req, wobei 40 kW Leistung P_FCS,req von dem Stapel 12 und 10 kW Leistung P_Bat,req von der Batterie 14 geliefert wird. In der vierten und der fünften Spalte werden diese Leistungen durch die Effizienz η dividiert und miteinander addiert, um die kombinierte Wasserstoffleistung P_H2 in der sechsten Spalte zu erhalten. Die dritte und vierte Zeile liefert verschiedene Leistungsverteilungen zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Batterie 14 für die gleiche Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req von 50 kW, wobei die vierte Zeile zeigt, dass der Stapel 12 10 kW Leistung liefert, um die Batterie 14 zu laden. In diesem spezifischen Beispiel liefert die zweite Zeile die beste Leistungsverteilung zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14 für ein Minimum an kombinierter Leistung P_H2. Tabelle I

  PDriver,req	PFCS,req	PBat,req	PH 2,FCS	PH 2,Bat	PH 2
  50[kW]	40[kW]	10[kW] Entladung	40/0,5 [kW] =80[kW]	10 / 0,9[kW] =11,1 [kW]	91,1 [kW]
  50 [kW]	50 [kW]	0 [kW]	50/0,5 [kW] = 100 [kW]	0 [kW]	100 [kW]
  50 [kW]	60 [kW]	-10 [kW] Ladung	60/0,5 [kW] = 120 [kW]	-10*0,9 [kW] = -9 [kW]	111 [kW]

• 2 ist ein Graph, der zeigt, wie die Verteilung der kombinierten Leistung P_H2 zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14 mithilfe der Gleichung (1) auf ein Minimum optimiert werden kann. In diesem Graphen ist die Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req auf der Achse 40 aufgetragen und die virtuelle Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS ist auf der Achse 42 aufgetragen, wobei jede Zahl mal 10⁴ genommen ist, und die kombinierte Leistung P_H2 ist auf der Achse 44 aufgetragen, wobei jede Zahl mal 10⁵ genommen ist. Die Oberfläche 46 definiert alle Leistungsverteilungsbeziehungen zwischen der virtuellen Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS und der virtuellen Batteriewasserstoffleistung P_H2,Bat für den gesamten Systemleistungsbereich. Der Graph zeigt zwei Beispiele für das Bestimmen der minimalen Leistung für zwei verschiedene Fahrerleistungsanfragen P_Driver,req. Insbesondere stellt die Linie 48 eine Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req von 32 kW dar und die Linie 50 stellt alle Kombinationen aus der virtuellen Stapelleistung P_H2,FCS und der virtuellen Batterieleistung P_H2,Bat dar, die für diese Anfrage zur Verfügung gestellt werden können. Die Linie 50 steigt ausgehend von dem Punkt 52 an und demzufolge ist der Punkt 52 der niedrigste Punkt oder der Minimalpunkt auf der Linie 50, der an der Kante der Oberfläche 46 liegt, und 0 kW Stapelleistung P_H2,FCS darstellt. Demzufolge würde die optimierte Leistung für eine 32 kW Fahrleistungsanfrage P_Driver,req vollständig von der Batterie 14 zur Verfügung gestellt werden.
• Die Linie 54 stellt eine Fahrerleistungsanfrage P_{Dri ver,req} von 80 kW dar und die Linie 56 stellt alle Kombinationen der virtuellen Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS und der virtuellen Batteriewasserstoffleistung P_H2,Bat für diese Leistungsanfrage dar. Die Linie 58 ist nicht linear und das Minimum für die kombinierte Leistung P_H2 liegt am Punkt 58, welcher eine Stapelleistung P_H2,FCS von 40 kW und eine Batterieleistung P_H2,Bat von ebenfalls 40 kW darstellt. Dieser Graph zeigt, dass für die von der Gleichung (1) zur Verfügung gestellte Optimierung alle Fahrerleistungsanfragen P_Driver,req von 32 kW oder weniger vollständig von der Batterie 14 zur Verfügung gestellt werden sollten und alle Fahrerleistungsanfragen P_Driver,req von mehr als 32 kW wären eine bestimmte Kombination von Stapelleistung P_H2,FCS und Batterieleistung P_H2,Bat.
• Alle Kombinationen der Leistungsausgänge von dem Stapel 12 und der Batterie 14 können für jede Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req bestimmt werden und aus der obigen Beziehung kann die optimale kombinierte Leistung P_H2 bestimmt werden und diese Leistungsanfragen können diesem Minimum zugeordnet werden. Das zur Verfügungstellen all dieser Werte und Kombinationen von Leistungen für jede Fahrerleistungsanfrage P_{Dri ver,req} erfordert jedoch mehr Speicher, als auf dem Fahrzeug verfügbar ist. Demzufolge muss eine Reduktion im Rechenaufwand und im Speicheraufwand bereitgestellt werden. Die unten geführte Diskussion liefert einen Weg, bei dem das Minimum für den Wert für die kombinierte Leistung P_H2 mit reduziertem Speicher bestimmt werden kann.
• Gemäß der Erfindung wird die Gleichung (1) in eine Polynomgleichung umgewandelt, die gelöst werden kann, um Minima für die kombinierte Wasserstoffleistung P_H2 zu jedem Zeitpunkt für jede Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req zur Verfügung zu stellen. Wie diskutiert werden wird, wird die Polynomgleichung gelöst, um das Minimum für die Brennstoffzellenstapelleistungsanfrage P_FCS,req für eine bestimmte Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req zu bestimmen und danach wird die Differenz aus der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req und dem Minimum für die Stapelleistungsanfrage P_FCS,req die Batterieleistungsanfrage P_Bat,req sein. Um das Minimum für die Stapelleistungsanfrage P_FCS,req zu ermitteln, wird die Batterieleistungsanfrage P_Bat,req in der Polynomgleichung durch die Differenz aus der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req und der Stapelleistungsanfrage P_FCS,req ersetzt.
• Die Gleichung (2) unten zeigt diese Polynomgleichung, wobei der Teil der Gleichung (2) mit den Koeffizienten A, B und C für die virtuelle Batterieleistung P_H2,Bat steht und ein Polynom zweiten Grades ist und der Teil der Gleichung (2) mit den Koeffizienten D, E, F und G für die die virtuelle Stapelleistung P_H2,FCS steht und ein Polynom dritten Grades ist. Es wird angemerkt, dass für den Teil der Gleichung (2), der die virtuelle Batterieleistung P_H2,Bat definiert, die Koeffizienten A, B und C einen Wert vorgeben, wenn die Batterie 14 geladen wird, und einen anderen Wert vorgeben, wenn die die Batterie 14 entladen wird. $$\begin{array}{c}{P}_{H_2}=A\ast {\left(P_{Driver,req}-P_{FCS,req}\right)}^2+B\ast \left(P_{Driver,req}-P_{FCS,req}\right)+C\\ +D\ast P_{FCS,req}^3+E\ast P_{FCS,req}^2+F\ast P_{FCS,req}+G\end{array}$$

  

  wobei $$P_{Bat,req}=P_{Driver,req}-P_{FCS,req}$$

  
• Das Minimum der virtuellen Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS kann durch Ableiten der virtuellen Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS und durch Nullsetzen dieser Ableitung erhalten werden wie folgt: $$\begin{array}{ll}{\dot{P}}_{H_2,FCS}=\hfill & 3\ast D\ast P_{FCS,req}^2+\left(2\ast A+2\ast E\right)\ast P_{FCS,req}\hfill \\ \hfill & +\left(F-B-2\ast A\ast P_{Driver,req}\right)=0\hfill \end{array}$$

  
• Da die Gleichung (4) einen quadratischen Term beinhaltet, ist sie eine quadratische Gleichung, die zwei Lösungen aufweist. Diese zwei Lösungen werden in den Gleichungen (5) und (6) unten gezeigt. Es wird angemerkt, dass es zwei Lösungen sowohl für den Ladefall als auch für den Entladefall gibt, da die Koeffizienten A, B und C verschieden abhängig davon sind, ob die Batterie 14 geladen oder entladen wird. $$\begin{array}{c}{P}_{FCS1}=-1/3\ast (E+A-(E^2+2\ast E\ast A+A^2+6\ast D\ast A\ast \\ {P_{Driver,req}-3\ast D\ast F+3\ast D\ast B)}^{1/2})/D\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{c}{P}_{FCS2}=-1/3\ast (E+A+(E^2+2\ast E\ast A+A^2+6\ast D\ast A\ast \\ {P_{Driver,req}-3\ast D\ast F+3\ast D\ast B)}^{1/2})/D\end{array}$$

  
• Die Beziehung zwischen der Fahrerleistungsanfrage P_{Dri ver,req} und dem Minimum der Stapelleistung P_H2,FCS wird durch die Gleichung (4) und den Lösungen für die Gleichungen (5) und (6) bestimmt. Das Ergebnis dieser Abbildung kann zeigen, ob die erhaltenen Werte für einen Brennstoffzellenstapelleistungsausgang in einem Brennstoffzellensystem sinnvoll sind. Basierend auf dieser Bestimmung wurde gefunden, dass in den meisten Fällen nur eine von diesen vier Lösungen außerhalb des Systemleistungsbereichs liegt und deswegen nicht verwertbar ist. Die Lösung für die Gleichung (4), die ordnungsgemäß ist, ist graphisch in der 3 veranschaulicht, wobei die Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req auf der horizontalen Achse und das Minimum der Stapelleistung P_H2,FCS auf der vertikalen Achse abgetragen ist. Die Linie 62 stellt eine verwertbare Lösung für die quadratische Gleichung (4), nämlich die Gleichung (6) dar und die Linie 62 kreuzt die 0-Stapelleistungslinie bei ungefähr 32 kW auf der Linie 64, was denselben Wert darstellt, wie oben im Hinblick auf die 2 diskutiert wurde. Demzufolge existiert für Fahrerleistungsanfragen P_Driver,req, die größer als 32 kW sind, eine Kombination von Batterieleistung und Stapelleistung, welche durch Identifizieren des Minimums der Stapelleistung für eine spezifische Leistungsanfrage P_Driver,req und dem darauffolgenden Bereitstellen der Differenz zu der Batterieleistung optimiert werden kann. Wenn der Fahrer beispielsweise 60 kW anfordert, was mit der Linie 60 gezeigt ist, würde beispielsweise das Minimum an Wasserstoff, das von dem Stapel 12 verwendet wird, ungefähr 21 kW bereitstellen, was mit der Linie 68 gezeigt wird, und die Batterie 14 würde die Differenz von ungefähr 39 kW bereitstellen.
• Die Koeffizienten A, B und C für die virtuelle Batterieleistung P_H2,BAT werden durch Abbilden der Beziehung zwischen der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req und der virtuellen Batterieleistung P_H2,BAT bestimmt, die diese Leistungsanfrage P_Driver,req befriedigt, wobei die Berechnung die Effizienz η_BAT der Batterie 14 berücksichtigt. Analog dazu werden die Koeffizienten D, E, F und G für die virtuelle Stapelwasserstoffleistung P_H2,FCS durch Abbilden der Beziehung zwischen der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req und der virtuellen Stapelleistung P_H2,FCS bestimmt, die die Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req befriedigt, wobei die Berechnung die Effizienz η_FCS des Brennstoffzellenstapels 12 berücksichtigt. Da die Batterie- und Stapeleffizienzen η sich mit der Zeit ändern, da die Batterie 14 und der Stapel 12 altern und degradieren und da diese Effizienz darüber hinaus noch von der Temperatur abhängig ist, wird die Berechnung für diese Lösungen für die Polynomgleichung (4), um das Minimum der kombinierten Leistung P_H2 zu bestimmen, in Echtzeit während des Betriebs des Fahrzeugs durchgeführt und zu jedem vorbestimmten Zeitschritt. Da die Lösung und die Berechnungen für die Gleichung (4) minimal ist, ist der erforderliche Speicher allerdings ebenso minimal, um diese Berechnung auszuführen.
• Wie oben diskutiert, versucht der Leistungsoptimierer im Allgemeinen die Batterie 14 zu entladen, um die Leistungsoptimierung bereitzustellen. Der Batterieladezustand (SOC) muss allerdings innerhalb eines zulässigen Ladezustandsbereichs bleiben, welcher ein Minimum für den Batterieladezustand aufweist. Typischerweise wird der Ladezustand einer Batterie für ein Brennstoffzellensystem auf einen gewissen Batterieladezustandssollwert geregelt. Beispielsweise muss eine gewisse Batterieladung für den Fall, dass der Fahrer eine hohe Leistungsanfrage bereitstellt, die nicht von dem Stapel 12 alleine befriedigt werden kann, aufrechterhalten werden. Um diese Anfrage zu berücksichtigen, schlägt die vorliegende Erfindung einen Ladezustandsregler vor, der in Verbindung mit dem Leistungsoptimierer verwendet wird, welcher verhindert, dass der Batterieladezustand zu weit unter einen Batterieladezustandssollwert abfällt. Insbesondere wird der Ausgang des Ladezustandsreglers zu der Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req addiert, so dass eine höhere Leistung angefragt wird, wenn ein Batterieladen benötigt wird, und die im Überschuss angeforderte Leistung wird dazu verwendet, die Batterie zu laden, um den Batterieladezustand zu erhöhen.
• Der Kompressor 22, der den Kathoden Luft zur Verfügung stellt, arbeitet mit der Stapelleistung. Demzufolge kann es wünschenswert sein, die Leistung, die vom Kompressorbetrieb angefordert wird auf die Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req aufzuaddieren, um diese Last zu befriedigen. Wenn die Differenz zwischen der Brennstoffzellenstapelleistung P_FCS im Zeitschritt n und die Stapelleistung P_FCS in dem Zeitschritt n-1 größer Null ist, dann wird die Ableitung dieser Differenz mit einem Wichtungswert K multipliziert, um die Leistung P_cmpr,acc zu definieren, die notwendig ist, um den Kompressor 22 zu beschleunigen. Wenn die Differenz zwischen der Stapelleistung P_FCS im Zeitschritt n und im Zeitschritt n-1 kleiner Null ist, dann wird die Kompressor-Beschleunigungsleistung P_cmpr,acc auf Null gesetzt. Dies wird mit den Gleichungen (7) und (8) unten gezeigt: $$\begin{array}{ccc}{P}_{cmpr,acc}=\frac{P_{FCS,n}-P_{FCS,n-1}}{dt}\ast K& \text{für}& \left(P_{FCS,n}-P_{FCS,n-1}\right)>0\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{cc}{P}_{cmpr,acc}=0& \text{für }\left(P_{FCS,n}-P_{FCS,n-1}\right)\end{array}\le 0$$

  
• 4 ist ein Blockdiagramm für ein Leistungsregelsystem 70 mit einem Ladezustandsregler 72, der in Verbindung mit einem Leistungsoptimierer 74 verwendet wird, welches in der oben diskutierten Art und Weise arbeitet. Die Fahrerleistungsanfrage P_Driver,req auf der Leitung 76 und die Kompressorleistung P_cmpr,acc auf der Leitung 80 werden einem Addierer 78 zur Verfügung gestellt, um ein modifiziertes Leistungsanfragesignal am Ausgang des Addierers 78 zu erhalten, um die Leistungsaufnahme des Kompressors zu berücksichtigen. Der gewünschte Batterieladezustandssollwert wird auf der Leitung 82 zur Verfügung gestellt und der tatsächliche Batterieladezustand wird auf der Leitung 86 an einen Subtrahierer 84 geliefert und die Differenz zwischen dem Ladezustandssollwert und dem tatsächlichen Ladezustand wird einem Ladezustandsregler 72 zur Verfügung gestellt, der ein Leistungsanfragesignal erzeugt, das zu dem modifizierten Leistungsanfragesignal aus dem Addierer 78 in einem Addierer 88 addiert wird. Der Ladezustandsregler 72 wandelt die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladezustand und dem Ladezustandssollwert in ein Leistungssignal um. Demzufolge wird der Ladezustandsregler 72 Leistung auf das modifizierte Leistungsanfragesignal in dem Addierer 88 addieren, um die Batterie 14 zu laden, falls der tatsächliche Batterieladezustand kleiner als der Batterieladezustandssollwert ist, und falls der tatsächliche Batterieladezustand größer als der Batterieladezustandssollwert ist, wird der Ladezustandsregler 72 ein negatives Leistungssignal an den Addierer 88 liefern, um das modifizierte Leistungsanfragesignal zu reduzieren, so dass mehr Batterieleistung verwendet wird, als normalerweise für den Leistungsoptimierer verwendet werden würde, um die Batterie 14 auf den Batterieladezustandssollwert zu entladen. Demzufolge liefert der Batterieladezustandsregler einen Kompromiss für die Optimierung. Der Optimierer 74 erzeugt die Stapelleistungsanfrage P_FCS,req, wie oben diskutiert, auf der Leitung 92, welche von dem modifizierten Leistungsanfragesignal in einem Subtrahierer 90 subtrahiert wird, um die Batterieleistungsanfrage P_Bat,req auf der Leitung 94 zur Verfügung zu stellen.
• Wenn der Ausgang des Leistungsoptimierers 74, d.h. wenn die Stapelleistungsanfrage P_FCS,req, niedriger als ein definierter Leistungsgrenzwert für eine vorbestimmte Zeitdauer ist, kann der Stapel 12 abgeschaltet werden, um Brennstoff zu sparen.
• Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
• Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (9)

1. Ein Verfahren zum Optimieren einer Leistungsausgangsverteilung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer Batterie in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst: - Identifizieren einer gewünschten Leistungsanfrage; - Definieren einer virtuellen Batteriewasserstoffleistung für die Batterie, die auf einer Beziehung zwischen einer Batterieleistungsanfrage von der Batterie und einer Effizienz der Batterie beruht; - Definieren einer virtuellen Stapelwasserstoffleistung für den Brennstoffzellenstapel, die auf einer Beziehung zwischen einer Stapelleistungsanfrage von dem Brennstoffzellenstapel und einer Effizienz des Brennstoffzellenstapels beruht; - Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung; - Umwandeln der virtuellen Stapelwasserstoffleistung in eine Stapel-Polynomgleichung; - Addieren der Batterie-Polynomgleichung und der Stapel-Polynomgleichung, um eine kombinierte Leistungspolynomgleichung zu erhalten; - Lösen der kombinierten Leistungspolynomgleichung, um ein Minimum für die Stapelleistungsanfrage zu ermitteln, durch Setzen einer Ableitung der virtuellen Stapelwasserstoffleistung auf Null; und - Subtrahieren der Stapelleistungsanfrage von der gewünschten Leistungsanfrage, um die Batterieleistungsanfrage zu erhalten, wobei das Verfahren des Weiteren umfasst: - Addieren eines Kompressorbeschleunigungsleistungssignals zum Regeln eines Kathodenkompressors zu der gewünschten Leistungsanfrage, falls eine Stapelleistung bei einem laufenden Zeitschritt größer ist als eine Stapelleistung zu einem vorhergehenden Zeitschritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung das Bestimmen der Batterie-Polynomgleichung als eine Polynomgleichung zweiten Grades mit drei Koeffizienten beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Batterie-Polynomgleichung das Definieren der drei Koeffizienten basierend auf einer Beziehung zwischen der gewünschten Leistungsanfrage und der virtuellen Batteriewasserstoffleistung beinhaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln der virtuellen Stapelwasserstoffleistung in eine Stapel-Polynomgleichung das Bestimmen der Stapel-Polynomgleichung als eine Polynomgleichung dritten Grades mit vier Koeffizienten beinhaltet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen der Stapel-Polynomgleichung das Definieren der vier Koeffizienten basierend auf einer Beziehung zwischen der gewünschten Leistungsanfrage und der virtuellen Stapelwasserstoffleistung beinhaltet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung das Ersetzen der Batterieleistungsanfrage durch eine Differenz zwischen der gewünschten Leistungsanfrage und der Stapelleistungsanfrage beinhaltet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung das Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine Batterie-Polynomgleichung beinhaltet, falls die Batterie geladen wird, und das Umwandeln der virtuellen Batteriewasserstoffleistung in eine andere Batterie-Polynomgleichung beinhaltet, falls die Batterie entladen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: - Identifizieren eines gewünschten Batterieladezustandssollwerts, - Erzeugen einer Ladezustandsregeldifferenz zwischen dem gewünschten Batterieladezustandssollwert und einem tatsächlichen Batterieladezustand, - Umwandeln der Ladezustandsregeldifferenz in ein Ladezustandsleistungssignal, - Addieren des Ladezustandsleistungssignals zu der gewünschten Leistungsanfrage, um die gewünschte Leistungsanfrage zu erhöhen, falls der tatsächliche Ladezustand kleiner als der Ladezustandssollwert ist, und - Erniedrigen der gewünschten Leistungsanfrage, falls der tatsächliche Ladezustand größer als der Ladezustandssollwert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug ist.

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