DE102018004717A1 - Verfahren zum Energiemanagement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit wenigstens einer Traktionsbatterie (2) und einem Brennstoffzellensystem (3) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, wobei das Brennstoffzellensystem (3) anhand des Ladezustands der Traktionsbatterie (2) gestartet wird, mit dem Ziel, die Restlademenge in der Traktionsbatterie und die Restmenge an Brennstoff in einem Speicher (9) für das Brennstoffzellensystem (3) gleichzeitig aufzubrauchen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (3) eingeschaltet wird, sobald ein Gradient des Ladezustands der Traktionsbatterie (2) größer als ein Vorgabewert wird, wonach die Aufteilung der von der Traktionsbatterie (2) und dem Brennstoffzellensystem (3) bezogenen Leistung anhand der Restenergiemengen in der Traktionsbatterie (2) und dem Speicher (9) für das Brennstoffzellensystem (3) geregelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit wenigstens einer Traktionsbatterie und einem Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Aus der DE 11 2015 006 342 T5 ist eine Energiesteuervorrichtung für ein Fahrzeug bekannt. Das Fahrzeug umfasst eine Batterie und eine Brennstoffzelle, über welche Antriebsenergie zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei ist es so, dass die Brennstoffzelle in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batterie gestartet wird und dann ergänzend zur Batterie elektrische Leistung zur Verfügung stellt. Die Aufteilung der Leistung zwischen der Brennstoffzelle und der Batterie erfolgt dabei idealerweise so, dass beide ihren Energievorrat in etwa gleichzeitig aufbrauchen, also der Ladezustand der Batterie einen unteren Grenzwert erreicht, wenn auch der Brennstoff der Brennstoffzelle weitgehend aufgebraucht ist. Dies stellt die maximale Reichweite des Fahrzeugs sicher. Gemäß der Schrift wird dabei darauf geachtet, dass die Brennstoffzelle überwiegend im Bereich ihres optimalen Wirkungsgrades betrieben wird, während dynamische Lastspitzen, die bei einem Fahrzeug nie gänzlich zu vermeiden sind, über die Batterie abgefedert werden.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieses Verfahren zum Energiemanagement gegenüber dem Stand der Technik noch weiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen,
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem eingeschaltet wird, sobald ein Gradient des Ladezustands der Traktionsbatterie größer als ein Vorgabewert wird. Der Ladezustand wird also nicht wie im Stand der Technik als absoluter Wert betrachtet, sondern es wird ein Gradient desselben ausgewertet. Damit ist nicht mehr der absolute Ladezustand und damit letztlich die Restlademenge der Traktionsbatterie entscheidend, sondern die dynamische Änderung des Ladezustandes. Wird also aktuell besonders viel elektrische Leistung aus der Traktionsbatterie benötigt und damit der Gradient größer als ein Vorgabewert, wird das Brennstoffzellensystem eingeschaltet und die Brennstoffzelle liefert ergänzend elektrische Leistung.
  • Dabei ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen, dass die Brennstoffzelle, wenn sie einmal eingeschaltet ist, auch eingeschaltet bleibt, bis ihr Brennstoffvorrat gänzlich aufgebraucht ist, um so die Zahl der Startvorgänge entsprechend zu verringern. Dies schont einerseits die Brennstoffzelle hinsichtlich der zu erwartenden Gesamtlebensdauer und ermöglicht andererseits eine effiziente Verbesserung der Reichweite des Fahrzeugs.
  • Erfindungsgemäß wird in dem Fahrzeug nun die Aufteilung der von der Traktionsbatterie und von dem Brennstoffzellensystem bezogenen Leistung anhand der Restenergiemengen in der Traktionsbatterie und dem Speicher für den Brennstoff geregelt. Anders als bei dem Verfahren im eingangs genannten Stand der Technik erfolgt die Regelung also nicht nach dem absoluten Ladezustand und der absoluten Füllmenge des Speichers für den Brennstoff, vorzugsweise eines Druckgasspeichers für Wasserstoff, sondern es wird die in der Traktionsbatterie und in dem Speicher verfügbare Menge an Restenergie bewertet. Dafür wird dynamisch der entsprechende Wirkungsgrad der Traktionsbatterie und des Brennstoffzellensystems einschließlich seiner Peripheriegeräte wie Luftversorgung etc. berücksichtigt, um so eine möglichst effiziente Nutzung der Energie zu realisieren.
  • Ziel dieser Regelung ist es dann wieder, vergleichbar wie im eingangs genannten Stand der Technik, die Restenergie in beiden Systemen möglichst gleichzeitig aufzubrauchen, um so die Reichweite zu vergrößern. Durch die Berücksichtigung der Energie anstelle der Restfüllmenge bzw. des Restladezustands wird die Regelung dabei jedoch besser, sodass das Ziel der maximalen Reichweite hier noch effizienter erreicht wird.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die Regelung als Pl-Regelung ausgebildet ist. Eine solche PI-Regelung, also eine Regelung mit Proportionalanteil und Integralanteil, hat gegenüber der reinen P-Regelung im Stand der Technik den Vorteil, dass zukunftsorientierte Werte bei der Regelung besser berücksichtigt werden, sodass insgesamt eine Regelung mit weniger Ausschlägen und Störgrößen entsteht und dadurch die Reichweite nochmals gesteigert werden kann.
  • Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es vor, dass in die Berechnung des Restenergieinhalts der Traktionsbatterie und/oder des Speichers für den Brennstoff dynamische Kenngrößen der Traktionsbatterie und/oder des Brennstoffzellensystems einfließen. Solche dynamischen Kenngrößen, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee insbesondere Wirkungsgrade, aktuelle Leistungswerte und/oder Temperaturen sein können, erlauben eine sehr effiziente Abschätzung der aus dem Brennstoffzellensystem bzw. der Traktionsbatterie lieferbaren Energie, basierend auf der Restmenge an Brennstoff und dem Ladezustand. Da sich diese Werte je nach Wirkungsgrad und insbesondere in Abhängigkeit der Temperaturen entsprechend verändern, weil sich die Innenwiderstände der Traktionsbatterie und insbesondere der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems sowie der Leistungsbedarf seiner parasitären Nebenaggregate verändert, ermöglicht eine solche Berücksichtigung dynamischer Kenngrößen eine sehr exakte Abschätzung der zur Verfügung stehenden Restenergie und ermöglicht damit, insbesondere wenn die Abschätzung für beide Systeme entsprechend angewendet wird, ein möglichst exaktes gleichzeitiges Aufbrauchen der zur Verfügung stehenden Restenergie beider Systeme.
  • Der Regelung kann dabei eine weitere Regelung nachgeschaltet sein, welche Extremzustände bei dem Brennstoffzellensystem und/oder der Traktionsbatterie verhindert. Die Regelung der Aufteilung der Leistung kann also über eine weitere Regelung hinsichtlich von Extremwerten abgesichert werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Traktionsbatterie beispielsweise nicht in die Tiefentladung geht und in der Brennstoffzelle gewisse Grenzwerte bei der Leistung eingehalten werden, um so eine langfristige Schädigung der Brennstoffzelle zu verhindern. Diese Regelung ist der eigentlichen Regelung der Leistungsaufteilung nachgeschaltet und dient primär zum Schutz der Traktionsbatterie bzw. des Brennstoffzellensystems, ohne dass diese Schutzmechanismen in die Hauptregelung eingepflegt werden müssten, was entsprechend aufwändig ist und diese abhängig von den tatsächlichen physikalischen Parametern der eingesetzten Aggregate macht. Durch die Auslagerung dieser Regelung zur Vermeidung von Extremzuständen wird es dahingegen möglich, die Regelung zur Leistungsaufteilung weitgehend zu standardisieren und mit verschiedenen Aggregaten einzusetzen.
  • Das Brennstoffzellensystem selbst kann dabei in beliebiger Art und Weise ausgebildet und in dem elektrischen Fahrzeug eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch zusammen mit einem Brennstoffzellensystem angewandt, welches als Range Extender ausgebildet ist, und somit lediglich als Zusatzaggregat in einem primär über die Traktionsbatterie angetriebenen elektrischen Fahrzeug funktioniert, um dessen Reichweite zu erhöhen, wie es bei Range Extendern für den Fachmann prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Skizze eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 2 eine Darstellung der Restenergiemengen eines Brennstoffzellensystems (BZS) und einer Traktionsbatterie (TB) zur Verdeutlichung des Ziels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 3 eine angedeutete Regelung zur Regelung der Leistungsaufteilung in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der Darstellung der 1 ist ein elektrischer Antriebsstrang 1 für ein nicht dargestelltes Fahrzeug prinzipmäßig angedeutet. Er umfasst als Leistungsquellen eine Traktionsbatterie 2 sowie ein mit strichpunktierter Linie umrandetes Brennstoffzellensystem 3; außerdem eine Regelung 4 zur Aufteilung der elektrischen Leistung für einen angedeuteten elektrischen Antriebsmotor 5. Das Brennstoffzellensystem 3 selbst ist in der Darstellung sehr stark vereinfacht angedeutet.
  • Es umfasst eine Brennstoffzelle 6 mit einem Kathodenbereich 7 und einem Anodenbereich 8. Dem Anodenbereich 8 wird Wasserstoff über eine hier nicht dargestellte Druckregel- und Dosiereinheit aus einem Speicher 9 für Brennstoff zugeführt. Dieser Speicher 9 kann insbesondere ein Druckgasspeicher sein, in dem Wasserstoff bei einem hohen Druck, beispielsweise einem Nenndruck von 70 MPa, gespeichert ist. Dem Kathodenbereich 7 wird über eine Luftfördereinrichtung 10 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Abluft und Abgas gelangen in dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Brennstoffzellensystem 3 vermischt in die Umgebung. Dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme 3 ist dabei klar, dass das Brennstoffzellensystem 3 auch anders aufgebaut sein kann und/oder andere Komponenten umfassen kann, beispielsweise eine Anodenrezirkulation, einen Gasbefeuchter, einen Ladeluftkühler, ein Kühlsystem und vergleichbares.
  • Die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems 3 gelangt über die angedeutete Leistungsverbindung 13 zu dem Regler 4, die der Traktionsbatterie 2 über die Leistungsverbindung 12. Die Leistung wird dann entsprechend der Verbindung 11 an den elektrischen Antriebsmotor 5 weitergegeben. Die Regelung 4 tauscht ferner über die Leitungen 14, 15 Daten mit der Traktionsbatterie 2 und dem Brennstoffzellensystem 3 aus und steuert bzw. regelt dort entsprechende Funktionalitäten.
  • Zur Optimierung der Reichweite des mit dem elektrischen Antriebssystem 1 ausgerüsteten Fahrzeugs, beispielsweise eines Omnibusses, geht es nun im Wesentlichen darum, als Brennstoffzellensystem 3, welches hier insbesondere als Range Extender ausgebildet sein soll, sinnvoll einzusetzen. Dabei ist es so, dass mit jedem Start des Brennstoffzellensystems 3 dieses eine gewisse Einbuße an Lebensdauer erfährt, und dass der Start relativ energieaufwändig ist. Über die Regelung 4 wird daher der Start der Fahrt zuerst ausschließlich aus der Traktionsbatterie 2 bewerkstelligt, das Brennstoffzellensystem 3 bleibt derweil ausgeschaltet. Erst wenn eine gewisse Leistungsmenge aus der Traktionsbatterie 2 benötigt wird, wird das Brennstoffzellensystem 3 eingeschaltet, um ebenfalls Leistung zu liefern. Als Maß für dieses Einschalten des Brennstoffzellensystems 3 dient dabei ein Gradient des Ladezustandes der Traktionsbatterie 2. Sobald die Traktionsbatterie 2 entsprechend stark belastet wird, der Gradient des Ladezustands also größer als ein Vorgabewert wird, da in relativ kurzer Zeit relativ viel elektrische Leistung aus der Traktionsbatterie 2 entnommen wird, schaltet sich das Brennstoffzellensystem 3 ein. Im Idealfall wird das Brennstoffzellensystem 3 dann so lange betrieben, bis in dem Speicher 9 kein Brennstoff mehr vorhanden ist, die Brennstoffmenge also gänzlich aufgebraucht worden ist. Ab dem Start des Brennstoffzellensystems 3 ist es dabei das Ziel, die Restenergiemenge in der Traktionsbatterie 2 einerseits und in dem Brennstoffzellensystem 3 bzw. seinem Speicher 9 andererseits möglichst gleichzeitig auf Null bzw. einen vorgegebenen Minimalwert aufgebraucht zu haben. Dieser Minimalwert dient dabei dazu, dass die Traktionsbatterie 2 nicht tiefentladen wird. Beim Einsatz eines Druckgasspeichers für Wasserstoff als Speicher 9 lässt sich dieser auch nicht beliebig stark entleeren, sodass auch hier ein Minimalwert mit verbleibendem Wasserstoff bei minimalen Druck, welcher dem Gegendruck in der Brennstoffzelle 6 entspricht, aufrechterhalten bleibt.
  • In der Darstellung der 2 ist in zwei zeitlich analogen Diagrammen über der Zeit t in Minuten [min] einerseits die Restenergie ETB der Traktionsbatterie 2 in [kWH] aufgetragen, darunter in derselben Einheit die Restenergie EBZS des Brennstoffzellensystems 3. Da dieses als Range Extender ausgebildet ist, ist deren Absolutwert geringer als der Absolutwert an Restenergie in der Traktionsbatterie 2. Dabei ist das Ergebnis dieser Regelung anhand der Restenergiemengen aufgetragen. Zum Zeitpunkt tBetrieb erreichen beide Aggregate, also sowohl die Traktionsbatterie 2 als auch das Brennstoffzellensystem 3 den Restenergieinhalt von Null bzw. ihren unteren Grenzwert, wie oben bereits beschrieben. Der Zeitpunkt tBetrieb entspricht dabei dem maximal möglichen Betriebszeitpunkt und damit der maximalen möglichen Reichweite bei den vorgegebenen Energieinhalten.
  • Die Regelung zur Aufteilung der Leistung für den elektrischen Antriebsmotor 5 in der Regelung 4 aus der Traktionsbatterie 2 einerseits und dem Brennstoffzellensystem 3 andererseits erfolgt nun über eine Proportional-Integral-Regelung in der in 3 angedeuteten Art. Dabei wird dem Regelungsalgorithmus, wie er in der 3 prinzipmäßig angedeutet ist, der Restenergieinhalt ETB der Traktionsbatterie 2 zugeführt. Dieser ergibt sich aus dem Ladezustand sowie aktuellen dynamischen Kenngrößen wie beispielsweise Wirkungsgrad, Temperatur, Spannung, Strom etc. Der Regelung wird außerdem der Restenergieinhalt EBZS des Brennstoffzellensystems 3 zugeführt. Die Summe lässt sich dann entsprechend über einen Pl-Regler regeln. Dabei wird einerseits die minimale Leistung des Brennstoffzellensystems 3 berücksichtigt, welche beispielsweise in der Größenordnung von 10 kW liegen kann, um einen überhaupt sinnvollen Betrieb der Brennstoffzelle 6 zu gewährleisten. Der Betrieb der Brennstoffzelle 6 erfolgt in diesem Fall im sogenannten Punkt des maximalen Wirkungsgrads, welcher englisch auch als Most Efficiency Point (MEP) bezeichnet wird. Alternativ wird die maximale Leistung der Brennstoffzelle vorgegeben, welche beispielsweise bei 30 kW liegen kann. Dieser Punkt wird als Most Power Point (MPP) bezeichnet. Zwischen diesen beiden Extremwerten der elektrischen Leistung Pmin BZS und Pmax BZS erfolgt also die Regelung. Auch hier werden dynamische Parameter, eine Alterung der Brennstoffzelle 6 oder dergleichen mit einbezogen, um dementsprechend die tatsächliche Energiemenge und einen möglichst schonenden Betrieb der Brennstoffzelle 6 zu gewährleisten. Über einen Softstarter 16 wird dann bei den entsprechenden Bedingungen die Leistungsanforderung von der Brennstoffzelle 6 entsprechend aktiviert und als Regelungsgröße die bereits angesprochene Restenergie EBZS an die Regelung zurückgemeldet. Mit dieser Art der Regelung ist es möglich, sehr feinfühlig und durch den Integralanteil bis zu einem gewissen Grad in die Zukunft schauend die Leistungsaufteilung so zu regeln, dass eine maximale Reichweite mit dem elektrischen Antriebssystem 1 zu erzielen ist. Die Regelung ist dabei relativ feinfühlig und erlaubt damit einen schonenden Betrieb der Brennstoffzelle 6 zwischen ihren Leistungsgrenzen ebenso wie der Traktionsbatterie 2, ohne diese mit unnötig großen Lade- und Entladeströmen zu belasten.
  • Das Verfahren lässt sich prinzipiell bei jeder Art von hybridisiertem elektrischem Antriebssystem 1 mit einem Brennstoffzellensystem 3 und einer Traktionsbatterie 2 entsprechend ausgestalten. Besonders geeignet ist es jedoch für die Nutzung der Brennstoffzelle 6 als sogenannter Range Entender. In diesem Fall würde der Energieinhalt der Traktionsbatterie entsprechend höher sein als der des Brennstoffzellensystems 3, beispielsweise bei 150 bis 300 kWh, während der des Brennstoffzellensystems 3 lediglich 50 bis 150 kWh und damit in etwa 1/3 bis zur Hälfte betragen würde. Diese Beispielwerte sind passend zu der oben genannten Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 6 mit einer maximalen Nennleistung von 30 kWh.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112015006342 T5 [0002]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit wenigstens einer Traktionsbatterie (2) und einem Brennstoffzellensystem (3) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, wobei das Brennstoffzellensystem (3) anhand des Ladezustands der Traktionsbatterie (2) gestartet wird, mit dem Ziel, die Restlademenge in der Traktionsbatterie und die Restmenge an Brennstoff in einem Speicher (9) für das Brennstoffzellensystem (3) gleichzeitig aufzubrauchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (3) eingeschaltet wird, sobald ein Gradient des Ladezustands der Traktionsbatterie (2) größer als ein Vorgabewert wird, wonach die Aufteilung der von der Traktionsbatterie (2) und dem Brennstoffzellensystem (3) bezogenen Leistung anhand der Restenergiemengen in der Traktionsbatterie (2) und dem Speicher (9) für das Brennstoffzellensystem (3) geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als Pl-Regelung ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (3) nach dem Einschalten so lange betrieben wird, bis die Restmenge an Brennstoff in dem Speicher (9) aufgebraucht ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Berechnung des Restenergieinhalts der Traktionsbatterie (2) und/oder des Speichers (9) für das Brennstoffzellensystem (3) dynamische Kenngrößen einfließen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamischen Kenngrößen zumindest Wirkungsgrade, Temperaturen und/oder aktuelle elektrische Leistungen, umfassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Regelung der Leistungsaufteilung wenigstens eine weitere Regelung vorhanden ist, welche Extremzustände bei dem Brennstoffzellensystem (3) und/oder der Traktionsbatterie (2) unterbindet.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unter Druck stehender Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (3) als Range Extender ausgebildet ist.
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