DE102014013223A1

DE102014013223A1 - Method for controlling a fuel cell system

Info

Publication number: DE102014013223A1
Application number: DE102014013223.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Dülk; Tim Benjamin Gilles; Manas Kumar Mandal; Saeed Sayadi
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung zumindest eines Teils der elektrischen Antriebsleistung eines Fahrzeugs mittels wenigstens eines Steuergeräts, in welchem statische oder dynamische Kennfelder gespeichert sind, und/oder aus Eingangsgrößen berechnet werden, wozu dem Steuergerät Messwerte des Brennstoffzellensystems sowie gespeicherte und/oder über Kommunikationswege bereitgestellte Randbedingungen zur Verfügung gestellt werden, wobei die Randbedingungen Kostenwerte umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät bei der Verarbeitung der Daten, der Kennfelder oder der Berechnung exergoökonomische Analyseansätze verwendet werden.The invention relates to a method for controlling a fuel cell system for providing at least one part of the electrical drive power of a vehicle by means of at least one control device in which static or dynamic maps are stored and / or calculated from input variables, for which measurements of the fuel cell system and stored and / or provided via communication paths boundary conditions are provided, the boundary conditions include cost values. The inventive method is characterized in that are used in the control unit in the processing of the data, the maps or the calculation of exergo-economic analysis approaches.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for controlling a fuel cell system in a vehicle according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen werden typischerweise so geregelt, dass einerseits die Anforderungen des Fahrers hinsichtlich der bereitzustellenden Leistung erfüllt werden, und dass andererseits eine Energieoptimierung bzw. eine Optimierung des Wirkungsgrads erfolgt. Ein Beispiel hierfür ist insbesondere das in der US-Veröffentlichung US 2007/0056185 A1 beschriebene Energiemanagement, welches eine konsequente Optimierung des Wirkungsgrads und damit einen energieeffizienten Betrieb ermöglichen soll.Fuel cell systems in vehicles are typically controlled in such a way that on the one hand the requirements of the driver with regard to the power to be provided are met, and on the other hand that an energy optimization or an optimization of the efficiency takes place. An example of this is in particular that in the US publication US 2007/0056185 A1 described energy management, which should allow a consistent optimization of the efficiency and thus an energy-efficient operation.

Nun ist es so, dass auch andere Ansätze denkbar sind, da neben dem reinen Optimieren des Wirkungsgrades auch andere Faktoren durchaus eine relevante Rolle spielen können. Aus der DE 10 2011 121 393 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle für ein Fahrzeug bekannt, welches eine spezielle Simulation nutzt, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu optimieren. Die Optimierung kann dabei auch hinsichtlich eines möglichst geringen Verbrauchs der Brennstoffzelle erfolgen, was wiederum in etwa dem oben beschriebenen Optimieren hinsichtlich des Wirkungsgrads entspricht. Darüber hinaus ist in der deutschen Offenlegung auch beschrieben, dass die Optimierung hinsichtlich einer geringen Alterung der Brennstoffzelle erfolgen kann. Hier wird also die Lebensdauer der Brennstoffzelle mit berücksichtigt, welche aus energetischen Gründen im Kern unberücksichtigt bleibt, welche jedoch aus Kostengründen durchaus eine Rolle spielt. Hier wird also erstmals abgewogen, ob der Kostenvorteil durch die längere Lebensdauer den damit einhergehenden energetischen Nachteil überwiegt.Now it is possible that other approaches are conceivable, as well as the mere optimization of the efficiency, other factors can certainly play a relevant role. From the DE 10 2011 121 393 A1 For example, a method of operating a fuel cell for a vehicle that utilizes a special simulation to optimize operation of the fuel cell system is known. The optimization can also take place with regard to the lowest possible consumption of the fuel cell, which in turn corresponds approximately to the optimization with regard to the efficiency described above. In addition, it is also described in the German disclosure that the optimization can be carried out in terms of a low aging of the fuel cell. Here, therefore, the life of the fuel cell is taken into account, which is ignored for energy reasons in the core, which, however, for reasons of cost certainly plays a role. Here, for the first time, it is considered whether the cost advantage through the longer service life outweighs the associated energy disadvantage.

Einen sehr ähnlichen Weg geht auch die DE 10 2011 106 815 A1 . Diese Schrift beschreibt die Verwendung von globalen Optimierungszielen, wobei auch hier wieder der Treibstoffverbrauch oder die Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung als zwei beispielhafte vorrangige Ziele angegeben werden. Außerdem wird gemäß dieser Schrift auch eine nicht näher spezifizierte Kostenfunktion bei der Ermittlung der Steuerbefehle berücksichtigt, welche minimiert wird.A very similar way is also the DE 10 2011 106 815 A1 , This document describes the use of global optimization goals, again the fuel consumption or life of the fuel cell assembly are given as two exemplary priority objectives. In addition, according to this document, an unspecified cost function is taken into account in the determination of the control commands, which is minimized.

Bei all diesen Ansätzen ist es nun immer so, dass die bisherige Grundlage der Steuergeräte entsprechend aufwändig ist. Diese wird meist durch eine komplexe Interpolation von Kennfeldern geschaffen, welche mittels multivarianter, nicht linearer Approximationsfunktionen interpoliert werden. Diese Interpolationen müssen dabei individuell zu der jeweiligen Aufgabenstellung entwickelt werden, sodass keine oder nur eine sehr aufwändige Anpassung an eventuelle Veränderungen im Fahrzeug oder dem Brennstoffzellensystem stattfinden kann.In all these approaches, it is always the case that the previous basis of the control devices is correspondingly complex. This is usually created by a complex interpolation of maps, which are interpolated by multivariant, non-linear approximation functions. These interpolations must be developed individually to the respective task, so that no or only a very complex adaptation to any changes in the vehicle or the fuel cell system can take place.

Ferner ist es dabei so, dass, um eine zufriedenstellende Beschreibung zu ermitteln, eine große Anzahl an Koeffizienten bestimmt werden muss. Dies führt zu einem erheblichen Speicheraufwand. Daneben ist es ein Nachteil dieser herkömmlichen Approximation, dass ein sehr großer Rechenaufwand erzeugt wird, und dass, zumindest teilweise, darüber hinaus eine sehr geringe Genauigkeit erzielt wird. Häufig lassen sich gute Ergebnisse nur dann erzielen, wenn ein physikalischer Ansatz zur Beschreibung der Komponenten gewählt wird, welcher diese sehr gut wiedergibt. In den allermeisten Fällen ist ein solcher physikalischer Ansatz jedoch nicht bekannt, sodass in diesen Fällen die Abweichungen häufig sehr groß sind.Further, in order to obtain a satisfactory description, a large number of coefficients must be determined. This leads to a considerable storage effort. In addition, it is a disadvantage of this conventional approximation that a very large computational effort is generated, and that, at least in part, a very low accuracy is achieved. Frequently, good results can only be achieved if a physical approach is used to describe the components, which reproduces them very well. In most cases, however, such a physical approach is not known, so in these cases the deviations are often very large.

Mit Ausnahme der beiden oben beschriebenen Ausnahmen ist es dabei bisher ohnehin üblich, die implementierten dynamischen oder statischen Kennfelder unter Berücksichtigung einer Wirkungsgradoptimierung auszulegen, sodass neben den soeben beschriebenen Nachteilen in den allermeisten Fällen auch zusätzlich das Problem besteht, dass lediglich eine Wirkungsgradoptimierung vorgenommen wird, welche, wie oben ausgeführt, ja nicht immer alleine als wichtigster und zielführendster Ansatz gesehen werden kann.With the exception of the two exceptions described above, it is already customary in any case to design the implemented dynamic or static characteristic maps taking into account an efficiency optimization, so that in addition to the disadvantages just described, in most cases there is also the additional problem that only an efficiency optimization is undertaken As stated above, yes, not always alone can be seen as the most important and most goal-oriented approach.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und eine einfache und effiziente Regelung ermöglicht.The object of the present invention is now to provide a method for controlling a fuel cell system in a vehicle, which avoids these disadvantages and allows a simple and efficient control.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon.

Die Idee bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht im Kern darin, dass exergoökonomische Analyseansätze entweder bei der Kennfelderstellung zur Bereitstellung der Kennfelder für das Steuergerät, oder direkt bei der Regelung des Brennstoffzellensystems in dem Steuergerät verwendet werden. Bei diesen exergoökonomischen Analyseansätzen geht es darum, dass eine exergetische Analyse mit einer ökonomischen Analyse kombiniert wird. Hierdurch hat der Systemdesigner auf der Basis von zusätzlichen Informationen, insbesondere Kostenwerte als Randbedingungen, Daten, welche in einer normalen energetischen Analyse nicht enthalten wären, und ist so in der Lage, eine bessere und zuverlässigere Regelung einfach und kostengünstig zu realisieren.The idea with the method according to the invention consists essentially in the fact that exergo-economic analysis approaches are used either in the mapping to provide the maps for the controller, or directly in the control of the fuel cell system in the controller. These exergo-economic analysis approaches involve combining exergetic analysis with economic analysis. As a result, the system designer, based on additional information, in particular cost values as constraints, has data that would not be included in a normal energetic analysis and is thus able to do better and better to realize more reliable control simply and inexpensively.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei auf einen kostenoptimierten Betrieb geregelt, wozu basierend auf einer exergetischen Analyse Irreversibilitäten (thermodynamische Ineffizienzen) bestimmt werden. Danach werden diese Irreversibilitäten Kostenraten zugeordnet und durch eine Regelung auf minimale Kosten wird dann sehr einfach und effizient die Regelung des Brennstoffzellensystems betrieben.In an advantageous development of the method according to the invention, a cost-optimized operation is regulated, for which purpose irreversibilities (thermodynamic inefficiencies) are determined on the basis of an exergetic analysis. Thereafter, these irreversibilities are associated with cost rates, and control of the fuel cell system is then very simply and efficiently operated by a minimum cost control.

Die Kostenzuordnung kann dabei insbesondere durch die sogenannte Total Revenue Requirement(TRR)-Methode durchgeführt werden. Diese Methode berücksichtigt dabei alle Investmentkosten, beispielsweise Komponentenkosten, Installationskosten, Verrohrungskosten, Kosten für die elektrische Verkabelung, Steuern, Gebühren und dergleichen. Außerdem werden Unterhalt- und Instandhaltungskosten sowie Treibstoffkosten für das Fahrzeug mit berücksichtigt. Diese Kostenwerte fließen in die ökonomische Analyse mit ein, welche mit der exergetischen Analyse entsprechend kombiniert wird. Anschließend erfolgt die Regelung auf einen kostenoptimierten Betrieb. Das Ziel sind also möglichst niedrige Fahrtkosten für das Fahrzeug.The cost allocation can be carried out in particular by the so-called Total Revenue Requirement (TRR) method. This method takes into account all investment costs, such as component costs, installation costs, piping costs, electrical wiring costs, taxes, fees and the like. In addition, maintenance and repair costs as well as fuel costs for the vehicle are taken into account. These cost values are included in the economic analysis, which is combined with the exergetic analysis. Subsequently, the regulation is carried out on a cost-optimized operation. The goal is therefore the lowest possible travel costs for the vehicle.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Kostenwerte über Kommunikationswege in zeitlich kurzen Abständen aktualisiert werden. Diese Kostenwerte können sich entsprechend verändern, insbesondere die Treibstoffkosten oder Unterhalts- und Instandhaltungskosten, je nach Historie des Fahrzeugs. Da in die Kosten auch regional unterschiedliche Kosten einfließen, beispielsweise Treibstoffkosten, Gebühren, Steuern und dergleichen, kann die Aktualisierung der Kostenwerte insbesondere auch ortsabhängig erfolgen, sodass beispielsweise in Abhängigkeit des Landes, in dem das Fahrzeug zugelassen wurde, entsprechende Steuern und Gebühren berücksichtigt werden und/oder je nach Ort, an dem das Fahrzeug sich befindet, die in der Umgebung geltenden Treibstoffkosten berücksichtigt werden, sofern diese als Eingangsdaten zur Verfügung stehen.According to an advantageous development of the method according to the invention, it can now also be provided that the cost values are updated via communication paths in short time intervals. These cost values may change accordingly, in particular fuel costs or maintenance and repair costs, depending on the history of the vehicle. Since the costs also include regionally different costs, such as fuel costs, fees, taxes and the like, the updating of the cost values can also be location-dependent, so that corresponding taxes and fees are taken into account, for example, depending on the country in which the vehicle was registered, and / or, depending on the location of the vehicle, the fuel costs applicable in the area, if these are available as input data.

Im Kern geht es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also um ein Kontrollsystem für das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Dies soll nachfolgend anhand eines Beispiels näher beschrieben werden.The essence of the method according to the invention is therefore a control system for the fuel cell system in a vehicle. This will be described below with reference to an example.

Beispielsweise können zur Regelung des Brennstoffzellensystems verschiedene Fahrmodi des Fahrzeugs berücksichtigt werden, für welche dann adaptiv die Steuergrößen, basierend auf der exergoökonomischen Analyse angepasst werden. Beispielsweise hat die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks verschiedene Auswirkungen auf die finalen Kosten im Fahrbetrieb des Fahrzeugs bei verschiedenen Stromdichten. Das Steuergerät wäre dann in der Lage, für den jeweiligen Stromdichtebereich den optimalen Temperaturwert entsprechend vorzugeben und die Temperaturregelung damit auf diesem Vorgabewert der Temperatur einzustellen. Damit werden die Exergieverluste, d. h. die Ineffizienzen/Irreversibilitäten minimiert, sodass letztlich die Betriebskosten optimiert werden.For example, various driving modes of the vehicle can be taken into account for the regulation of the fuel cell system, for which the control variables are then adaptively adapted on the basis of the exergo-economic analysis. For example, the operating temperature of the fuel cell stack has various effects on the final cost of driving the vehicle at different current densities. The control unit would then be able to specify the optimum temperature value for the respective current density range and thus adjust the temperature control to this preset value of the temperature. Thus, the Exergieverluste, d. H. the inefficiencies / irreversibilities are minimized so that ultimately the operating costs are optimized.

Wie bereits beschrieben, könnten die dafür notwendigen Kennfelder entweder vorausberechnet oder als statische oder dynamische Kennfelder fest in das Steuergerät einprogrammiert werden. Alternativ dazu könnte man die Berechnungsansätze selbst in das Steuergerät implementieren, um damit dynamisch auf neue Anforderungen reagieren zu können. Sollten sich beispielsweise Kostenfaktoren ändern, so könnten aktuelle für die exergoökonomische Analyse notwendige Daten kontinuierlich im Rahmen einer Fahrzeugkonnektivität über die hierdurch aufgebauten Kommunikationswege beispielsweise von dezentralen Kommunikationseinheiten, welche durch den Fahrzeughersteller oder entsprechende Dienstleister bereitgestellt werden, aktualisiert werden. Die aktualisierten Werte bzw. Randbedingungen könnten dann in den Berechnungen und Optimierungen berücksichtigt werden, sodass beispielsweise eine Optimierung auf exakt die ökonomischen Randbedingungen hin erfolgen kann, in denen das Fahrzeug aktuell unterwegs ist.As already described, the maps required for this purpose could either be calculated in advance or be permanently programmed into the control unit as static or dynamic maps. Alternatively, one could implement the calculation approaches themselves in the control unit in order to be able to react dynamically to new requirements. If, for example, cost factors change, current data necessary for the exergoeconomic analysis may be continuously updated as part of a vehicle connectivity via the communication paths established thereby, for example by decentralized communication units provided by the vehicle manufacturer or corresponding service providers. The updated values or boundary conditions could then be taken into account in the calculations and optimizations, so that, for example, an optimization can be carried out to exactly the economic boundary conditions in which the vehicle is currently traveling.

Außerdem ist es für eine möglichst exakte exergetische Bewertung notwendig, die Umgebungsparameter wie beispielsweise die Umgebungstemperatur zu kennen. Durch die zum Teil auch schon bei den heutigen Fahrzeugen vorhandenen Sensoren könnten derartige Werte bzw. Randbedingungen mit sehr geringem Aufwand als Eingangsgrößen für die exergoökonomische Analyse bereitgestellt und an das Steuergerät übermittelt werden. Alles in allem wird somit sehr einfach und effizient ein optimierter, insbesondere kostenoptimierter, Betrieb des Brennstoffzellensystems in dem Fahrzeug möglich, welcher durch die exergoökonomische Analyse mit einem sehr einfachen und effizienten Verfahrensablauf realisiert werden kann, da alle letztlich relevanten Größen entsprechend berücksichtigt werden, wobei auf aufwändige Berechnungen, Interpolationen und dergleichen, wie sie im Stand der Technik üblich sind, weitgehend verzichtet werden kann.In addition, it is necessary for a very exact exergetic evaluation to know the environmental parameters such as the ambient temperature. Due to the sensors, some of which are already present in today's vehicles, such values or boundary conditions could be provided with very little effort as input variables for the exergo-economic analysis and transmitted to the control unit. All in all, an optimized, in particular cost-optimized, operation of the fuel cell system in the vehicle is thus possible in a very simple and efficient manner, which can be realized by the exergo-economic analysis with a very simple and efficient procedure, since all ultimately relevant variables are taken into account accordingly Complex calculations, interpolations and the like, as are common in the art, can be largely dispensed with.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2007/0056185 A1 [0002]
DE 102011121393 A1 [0003]
DE 102011106815 A1 [0004]

Claims

Method for controlling a fuel cell system for providing at least part of the electrical drive power of a vehicle by means of at least one control unit, in which static or dynamic maps are stored, and / or calculated from input variables, including the control unit measured values of the fuel cell system and stored and / or via communication paths provided boundary conditions, wherein the boundary conditions comprise cost values, characterized in that are used in the control unit in the processing of the data, the maps or calculation exergo-economic analysis approaches.

A method according to claim 1, characterized in that is regulated on a cost-optimized operation, for which irreversibilities are determined based on an exergy analysis, after which these irreversibilities cost rates are assigned.

A method according to claim 2, characterized in that the cost allocation takes into account all investment costs, maintenance and repair costs and fuel costs.

A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least the cost values are updated via communication paths in short time intervals.

A method according to claim 4, characterized in that the updating of the cost values depending on the location where the vehicle is located takes place.