DE102018216232A1 - Online optimization procedure for setting the mode of operation of a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems (1) mit Bezug auf wenigstens zwei Zielgrößen, aufweisend die Schritte: Ermitteln von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (1), Ermitteln von jeweils einem Gütefaktor (G1 - G4) zu jeweils wenigstens einem ermittelten Betriebsparameter, wobei je ein Gütefaktor eine Zielgröße abbildet, Berechnen einer Gütefunktion (J) anhand der ermittelten Gütefaktoren (G1 - G4), Ermitteln von Ansteuergrößen mittels der berechneten Gütefunktion (J), und Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems (1) anhand der ermittelten Ansteuergrößen. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm (6), ein Speichermittel, ein Steuergerät (7) sowie ein Brennstoffzellensystem (1) zum Ausführen des erfindungsgemäßen Online-Optimieru ngsverfah rens.The invention relates to an online optimization method for setting the operating mode of a fuel cell system (1) with reference to at least two target variables, comprising the steps: determining operating parameters of the fuel cell system (1), determining in each case one quality factor (G1 - G4) for at least one determined operating parameters, each with a quality factor representing a target variable, calculating a quality function (J) based on the determined quality factors (G1 - G4), determining control variables using the calculated quality function (J), and setting the operating mode of the fuel cell system (1) based on the determined Control variables. The invention further relates to a computer program (6), a storage means, a control unit (7) and a fuel cell system (1) for executing the online optimization process according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems, insbesondere in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, ein Speichermittel und ein Steuergerät zum Durchführen eines gattungsgemäßen Online-Optimierungsverfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs, mit einem solchen Steuergerät.The present invention relates to an online optimization method for setting the operating mode of a fuel cell system, in particular in the form of a fuel cell vehicle. The invention further relates to a computer program, a storage means and a control device for performing a generic online optimization method. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system, in particular in the form of a fuel cell vehicle, with such a control unit.

Stand der TechnikState of the art

Bei Brennstoffzellenfahrzeugen ist wie bei den meisten mobilen Energiesystemen stets ein energie-optimaler Betriebszustand anzustreben. So ist beispielsweise der Verbrauch von Wasserstoff zu optimieren. Allerdings können im Brennstoffzellenfahrzeug bzw. in einem anderen Brennstoffzellensystem auch Alterungs- bzw. Degradationsvorgänge auftreten, die es zu berücksichtigen gilt. Eine einseitige Optimierung des Verbrauchs zu Lasten der Alterung von Komponenten ist hierbei zu vermeiden.In the case of fuel cell vehicles, as with most mobile energy systems, an energy-optimal operating state should always be sought. For example, the consumption of hydrogen has to be optimized. However, aging or degradation processes can also occur in the fuel cell vehicle or in another fuel cell system, which must be taken into account. One-sided optimization of consumption at the expense of component aging must be avoided.

Aktuelle Brennstoffzellenfahrzeuge sind meist als Hybridfahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem sowie einem elektrischen Energiespeicher wie einer Traktionsbatterie bzw. Hochvoltbatterie oder mit Superkondensatoren, die zusammen oder getrennt voneinander Energie für einen Elektromotor zum Antreiben des Hybrid- bzw. Brennstoffzellenfahrzeugs bereitstellen können, ausgestaltet. Auch diese Energiespeicher sind zum Herstellen einer möglichst energie-optimalen Betriebsweise hinsichtlich Alterungs- bzw. Degradationsvorgängen zu berücksichtigen.Current fuel cell vehicles are mostly designed as hybrid vehicles with a fuel cell system and an electrical energy store such as a traction battery or high-voltage battery or with supercapacitors, which together or separately can provide energy for an electric motor for driving the hybrid or fuel cell vehicle. These energy stores must also be taken into account in order to produce an operation that is as energy-optimal as possible with regard to aging or degradation processes.

Bei bekannten Hybridfahrzeugen ist eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsstrategien möglich. Diese Betriebsstrategien können zu verschiedenen Verbräuchen und verschiedenen Lastprofilen bzw. Belastungen der Komponenten und dadurch zu unterschiedlichen Alterungszuständen führen.A large number of different operating strategies are possible in known hybrid vehicles. These operating strategies can lead to different consumption levels and different load profiles or loads on the components and thus to different aging conditions.

Aus der DE 10 2007 014 617 A1 geht hierzu beispielsweise ein Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen in einem Hybridfahrzeug und ein Verfahren zur Regelung eines solchen Brennstoffzellensystems hervor. Gemäß der DE 10 2007 014 617 A1 werden unterschiedliche Betriebsparameter des Hybridfahrzeugs berücksichtigt, um das Brennstoffzellensystem für den Fahrbetrieb optimal auslasten zu können und gleichzeitig ein altersbedingtes Nachlassen der Leistungsfähigkeit zu berücksichtigen. Dazu werden beispielsweise ein Luftvolumenstrom oder ein Brennstoffmassenstrom als Betriebsgrößen erfasst. Darüber hinaus findet eine Berechnung einer fiktiven Stromstärke statt, welche mit einer gemessenen Stromstärke verglichen wird.From the DE 10 2007 014 617 A1 This shows, for example, a fuel cell system for mobile applications in a hybrid vehicle and a method for controlling such a fuel cell system. According to the DE 10 2007 014 617 A1 Different operating parameters of the hybrid vehicle are taken into account in order to optimally utilize the fuel cell system for driving and at the same time take into account an age-related deterioration in performance. For this purpose, for example, an air volume flow or a fuel mass flow are recorded as operating variables. In addition, a fictitious current is calculated, which is compared with a measured current.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein verbessertes Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 12, ein Speichermittel gemäß Anspruch 13, ein Steuergerät gemäß Anspruch 14 und ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Figuren. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Online-Optimierungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm, dem erfindungsgemäßen Speichermittel, dem erfindungsgemäßen Steuergerät, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Within the scope of the present invention, an improved online optimization method for setting the operating mode of a fuel cell system according to claim 1, a computer program according to claim 12, a storage medium according to claim 13, a control device according to claim 14 and a fuel cell system according to claim 15 are proposed. Further advantageous embodiments of the invention result from the description, the subclaims and the figures. Features and details that are described in connection with the online optimization method apply here, of course, also in connection with the computer program according to the invention, the storage medium according to the invention, the control device according to the invention, the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the individual aspects of the invention are always disclosed is or can be mutually referenced.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems mit Bezug auf wenigstens zwei Zielgrößen zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

  • - Ermitteln von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems,
  • - Ermitteln von jeweils einem Gütefaktor zu jeweils wenigstens einem ermittelten Betriebsparameter, wobei je ein Gütefaktor eine Zielgröße abbildet,
  • - Berechnen einer Gütefunktion anhand der ermittelten Gütefaktoren,
  • - Ermitteln von Ansteuergrößen mittels der berechneten Gütefunktion, und
  • - Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Ansteuergrößen.
According to a first aspect of the present invention, an online optimization method for setting the mode of operation of a fuel cell system with respect to at least two target variables is provided. The process has the following steps:
  • Determining operating parameters of the fuel cell system,
  • Determining a quality factor in each case for at least one determined operating parameter, a quality factor representing a target variable,
  • Calculating a quality function based on the determined quality factors,
  • - Determination of control variables using the calculated quality function, and
  • - Setting the operating mode of the fuel cell system based on the determined control variables.

Unter Verwendung der Gütefaktoren im Rahmen der Online-Optimierung lässt sich ein gewünschter Trade-off zwischen verschiedenen Zielgrößen zum Erzielen einer möglichst effizienten, effektiven und trotzdem möglichst systemschonenden Betriebsweise des Brennstoffzellensystems erreichen. Die verschiedenen Ziele bzw. die entsprechenden Zielgrößen können nicht alle gleichzeitig bzw. unabhängig voneinander optimiert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich allerdings ein vorteilhafter Kompromiss mit Bezug auf unterschiedliche Zeitpunkte und/oder abhängig von Betriebszuständen und/oder einem Alterungsverhalten des Brennstoffzellensystems ermitteln. Die im Brennstoffzellensystem angewandte Betriebsweise bzw. entsprechende Betriebsstrategien können anhand der vorgeschlagenen Online-Optimierung demnach individuell für verschiedene Umgebungs- und/oder Systemkomponentenzustände angepasst werden.
Ermittelt wird insbesondere ein variabler, sich verändernder und/oder einstellbarer Gütefaktor. Unter dem Gütefaktor kann auch ein Gütekriterium verstanden werden. Der Gütefaktor kann durch Berechnung bzw. Modellierung, anhand von Sensorwerten und/oder anhand von Kennfeldern ermittelt werden.
Using the quality factors in the context of online optimization, a desired trade-off between different target values can be achieved in order to achieve the most efficient, effective and yet system-friendly mode of operation of the fuel cell system. The various goals or the corresponding target values cannot all be optimized simultaneously or independently of one another. With the aid of the method according to the invention, however, an advantageous compromise can be determined with reference to different times and / or depending on operating states and / or an aging behavior of the fuel cell system. The operating mode or corresponding operating strategies used in the fuel cell system can accordingly be individually adapted for different environmental and / or system component states on the basis of the proposed online optimization.
In particular, a variable, changing and / or adjustable quality factor is determined. The quality factor can also be understood as a quality criterion. The quality factor can be determined by calculation or modeling, using sensor values and / or using characteristic maps.

Im Rahmen der Berechnung der Gütefunktion kann eine Minimierung der Gütefunktion über einen vorbestimmten oder definierbaren Zeitraum und/oder über eine vorbestimmte oder definierbare Fahrstrecke durchgeführt werden. Die Ansteuergrößen können entsprechend anhand der minimierten Gütefunktion ermittelt werden. D.h., im Rahmen der Berechnung der Gütefunktion können kontinuierlich verschiedene Optimierungsvorgänge durchgeführt werden. Insbesondere können Trajektorien verwendet werden, welche das Minimum der Gütefunktion ergeben bzw. mittels welcher das Minimum der Gütefunktion ermittelt werden kann. Mit Hilfe dieser Trajektorien kann die zum jeweiligen Zeitpunkt optimale bzw. gewünschte Betriebsweise bzw. eine entsprechende Betriebsstrategie dargestellt und anschließend umgesetzt werden, zumindest so lange, bis eine Aktualisierung stattfindet. Bei der Minimierung bzw. einer entsprechenden Optimierung kann es sich demnach um Trajektorien handeln, d.h., Verläufe von Betriebsparametern, Umgebungsparametern, Zielgrößen und/oder Ansteuergrößen.Within the scope of the calculation of the quality function, the quality function can be minimized over a predetermined or definable time period and / or over a predetermined or definable route. The control variables can be determined accordingly using the minimized quality function. This means that various optimization processes can be carried out continuously as part of the calculation of the quality function. In particular, trajectories can be used which result in the minimum of the quality function or by means of which the minimum of the quality function can be determined. With the help of these trajectories, the optimal or desired mode of operation or a corresponding operating strategy can be displayed and then implemented, at least until an update takes place. The minimization or a corresponding optimization can accordingly be trajectories, i.e., courses of operating parameters, environmental parameters, target values and / or control values.

Die Zielgrößen werden im Rahmen des Optimierungsverfahrens über einen definierten Zeitraum berücksichtigt, welcher je nach Prädiktionsmöglichkeiten kurzzeitig, mittelfristig, langfristig und/oder eine Kombination daraus sein kann. D.h., es werden die Trajektorien der Betriebsparameter und der Gütefaktoren berücksichtigt und, welche bei der Berechnung der Gütefunktion bzw. bei der Optimierung variabel sind. Limitierungen bzw. Betriebsgrenzen von einzelnen Subsystemen des Brennstoffzellensystems wie der Brennstoffzellenstapel, verschiedene Batterien, der Elektromotor und/oder Superkondensatoren werden zeit- und/oder zustandsabhängig berücksichtigt. Hierbei ist zu beachten, dass es sich bei der Berechnung der Gütefunktion nicht um eine Berechnung an einem Zeitschritt handelt. D.h., im Rahmen der Berechnung bzw. der darin enthaltenen Minimierung bzw. Optimierung werden möglichst die Trajektorien von allen orts-, zeit- und zustandsabhängigen Parametern berücksichtigt.The target values are taken into account as part of the optimization process over a defined period, which can be short-term, medium-term, long-term and / or a combination of these, depending on the prediction options. This means that the trajectories of the operating parameters and the quality factors are taken into account and which are variable in the calculation of the quality function or in the optimization. Limitations or operating limits of individual subsystems of the fuel cell system such as the fuel cell stack, various batteries, the electric motor and / or supercapacitors are taken into account depending on time and / or condition. It should be noted here that the calculation of the quality function is not a calculation on a time step. In other words, as part of the calculation or the minimization or optimization contained therein, the trajectories of all location, time and condition-dependent parameters are taken into account where possible.

Das Brennstoffzellensystem ist vorliegend insbesondere in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgestaltet. Das Brennstoffzellenfahrzeug kann eine Brennstoffzelle, eine Hochvoltbatterie als zusätzlichen Energiespeicher, eine Starterbatterie, einen Superkondensator und/oder einen Elektromotor zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs aufweisen. Gleichwohl kann das vorliegende Brennstoffzellensystem auch in Form eines stationären Brennstoffzellensystems ausgestaltet sein. Nachfolgend wird das Brennstoffzellensystem zwar überwiegend mit Bezug auf ein mobiles Brennstoffzellensystem beschrieben, der Kern des vorliegenden Erfindungskonzepts ist jedoch auch auf das stationäre Brennstoffzellensystem übertragbar. Unter dem Brennstoffzellensystem kann grundsätzlich ein beliebiges System mit wenigstens einer Brennstoffzelle bzw. mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel verstanden werden, also beispielsweise ein Powernet bzw. ein Energiemanagementsystem (EMS) mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Batterie, beispielsweise in Form einer Hochvoltbatterie und/oder einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, als hybrides Energiesystem bzw. hybrides Energieversorgungssystem. Demnach können erfindungsgemäß die Brennstoffzelle, Leistungs- und/oder Energieströme des Brennstoffzellensystems, wenigstens eine Hochvoltbatterie, wenigstens eine Starterbatterie, wenigstens ein DC/DC-Wandler und/oder wenigstens ein Elektromotor des Brennstoffzellensystems anhand der Gütefunktion eingestellt bzw. adaptiert werdenIn the present case, the fuel cell system is designed in particular in the form of a fuel cell vehicle. The fuel cell vehicle can have a fuel cell, a high-voltage battery as an additional energy store, a starter battery, a supercapacitor and / or an electric motor for driving the fuel cell vehicle. Nevertheless, the present fuel cell system can also be designed in the form of a stationary fuel cell system. Although the fuel cell system is mainly described below with reference to a mobile fuel cell system, the essence of the present inventive concept can also be applied to the stationary fuel cell system. The fuel cell system can in principle be understood to mean any system with at least one fuel cell or with at least one fuel cell stack, for example a Powernet or an energy management system (EMS) with a fuel cell stack and a battery, for example in the form of a high-voltage battery and / or a starter battery for a motor vehicle, as a hybrid energy system or hybrid energy supply system. According to the invention, the fuel cell, power and / or energy flows of the fuel cell system, at least one high-voltage battery, at least one starter battery, at least one DC / DC converter and / or at least one electric motor of the fuel cell system can be set or adapted on the basis of the quality function

Anhand der vorgeschlagenen Vorgehensweise lässt sich beispielsweise ein möglichst geringer Brennstoffverbrauch bei einer möglichst geringen Alterung bzw. bei einer hohen Schonung der Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems wie Batterie bzw. Hochvoltbatterie, Brennstoffzellenstapel, und/oder Verdichtungssystem zum Verdichten von Luft für den Brennstoffzellenstapel, erreichen.Using the proposed procedure, for example, the lowest possible fuel consumption with the least possible aging or with a high degree of protection of the system components of the fuel cell system, such as the battery or high-voltage battery, fuel cell stack, and / or compression system for compressing air for the fuel cell stack, can be achieved.

Ist das Brennstoffzellensystem in Form des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgestaltet, kann die Online-Optimierung modellbasiert mit Modellen zum Brennstoffzellenfahrzeug, zur Umgebung und/oder der zu fahrenden Strecke, zum Antriebssystem und zum Energieversorgungssystem des Brennstoffzellenfahrzeugs implementiert werden. Dabei können die Modelle und die Betriebsstrategie anhand der Gütefaktoren sowie der Gütefunktion stets dynamisch bzw. adaptiv auf den aktuellen Zustand des Brennstoffzellenfahrzeugs angepasst werden. Dies kann beispielsweise bezüglich einer Fahrzeugmasse, wenn über eine Funktion eine Zuladung detektiert wird, der Umgebung, aktueller Luftdrücke, und/oder Temperaturen durch Messung über Sensoren des Fahrzeugs realisiert werden. Ferner können die Betriebsgrenzen von verschiedenen Systemkomponenten flexibel adaptiert werden. So können elektrische Betriebsgrenzen wie eine maximale und/oder minimale Leistungen, Ströme und/oder Spannungen für eine Hochvoltbatterie und/oder den Brennstoffzellenstack in Abhängigkeit vom jeweiligen Alterungszustand adaptiert werden.If the fuel cell system is designed in the form of the fuel cell vehicle, the online optimization can be model-based with models of the fuel cell vehicle, the environment and / or the route to be traveled, the drive system and the energy supply system of the fuel cell vehicle be implemented. The models and the operating strategy can always be dynamically or adaptively adapted to the current state of the fuel cell vehicle using the quality factors and the quality function. This can be achieved, for example, with regard to a vehicle mass, if a load is detected via a function, the surroundings, current air pressures, and / or temperatures by measurement via sensors of the vehicle. Furthermore, the operating limits of various system components can be flexibly adapted. Electrical operating limits such as a maximum and / or minimum power, currents and / or voltages for a high-voltage battery and / or the fuel cell stack can be adapted depending on the respective state of aging.

Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug in Form eines Hybridfahrzeugs kann für eine elektrische Leistungsbilanz in der Modellierung und Optimierung berücksichtigt werden, dass die elektrische Leistung aus den Energiespeichern bzw. -wandlern die Summe aus der Energie des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie, optional auch noch der Energie der Starterbatterie, ist. Dies lässt sich wie folgt darstellen: P F C S , S t a c k + P H V B a t = P E M D r i v e + P P N T , l o s s + P A u x ,12 V + P A u x , H V

Figure DE102018216232A1_0001
Für die Gütefunktion J bzw. eine entsprechende Optimierungsfunktion kann für einen Zeitraum t0 bis t1 Folgendes umgesetzt werden: min { J = t 0 t 1 [ G 1 G n ] d t }
Figure DE102018216232A1_0002
In the case of a fuel cell vehicle in the form of a hybrid vehicle, it can be taken into account in the modeling and optimization for an electrical power balance that the electrical power from the energy stores or converters is the sum of the energy of the fuel cell stack and the high-voltage battery, optionally also the energy of the starter battery, is. This can be represented as follows: P F C. S , S t a c k + P H V B a t = P E M D r i v e + P P N T , l O s s + P A u x , 12th V + P A u x , H V
Figure DE102018216232A1_0001
The following can be implemented for the quality function J or a corresponding optimization function for a period t0 to t1: min { J = t 0 t 1 [ G 1 - G n ] d t }
Figure DE102018216232A1_0002

Wobei das Minimum von J eine Paretofront ergibt, welche beispielsweise eine Teilgüte bzw. einen entsprechenden Gütefaktor G1 für einen Brennstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems und wenigstens einen weiteren Gütefaktor Gn für beispielsweise einen Alterungszustand einer Hochvoltbatterie des Brennstoffzellensystem in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs und/oder einen Alterungszustand eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems aufweist. Hierbei kann festgelegt werden, dass je besser der Alterungszustand ist, desto höher die entsprechenden Gütefaktoren dafür sind.The minimum of J results in a pareto front, which for example shows a partial quality or a corresponding quality factor G1 for fuel consumption of the fuel cell system and at least one further quality factor Gn for example for an aging state of a high-voltage battery of the fuel cell system in the form of a fuel cell vehicle and / or an aging state of a fuel cell stack Has fuel cell system. Here it can be determined that the better the aging condition, the higher the corresponding quality factors.

Die Online-Optimierung kann beispielsweise mittels Pontryagin Minimum Prinzip unter Einführung einer Hamilton-Funktion gelöst werden bzw. die Gütefunktion kann entsprechend berechnet werden, wobei auch andere geeignete Optimierungsansätze und/oder Rechenarten, abhängig von Rechenkapazitäten des Brennstoffzellensystems einschließlich Cloud- und/oder Serverkomponenten, genutzt werden können.The online optimization can be solved, for example, using the Pontryagin minimum principle with the introduction of a Hamilton function, or the quality function can be calculated accordingly, other suitable optimization approaches and / or types of calculation depending on the computing capacity of the fuel cell system including cloud and / or server components, can be used.

Der Gütefaktor für den Brennstoff-, insbesondere den Wasserstoffverbrauch, kann G 1 = m ˙ H 2

Figure DE102018216232A1_0003
entsprechen, wobei unter G1 ein Massenstrom von Wasserstoff bzw. einem anderen Brennstoff in Gewicht pro Zeit entsprechen kann. Gleichwohl ist diesbezüglich auch eine andere Normierung möglich.The quality factor for fuel, especially hydrogen consumption, can G 1 = m ˙ H 2nd
Figure DE102018216232A1_0003
correspond, whereby under G1 a mass flow of hydrogen or another fuel can correspond in weight per time. Nevertheless, another standardization is possible in this regard.

Der Alterungszustand der Hochvoltbatterie bzw. ein entsprechender Gütefaktor G2 kann wie folgt ermittelt werden: G 2 = C a c t C n o m i n a l

Figure DE102018216232A1_0004
wobei im Zähler der die aktuell noch verfügbare maximale Ladekapazität Cact der Hochvoltbatterie und im Nenner die nominale bzw. ursprünglich maximale Ladekapazität Cnominal der Hochvoltbatterie stehen. Unter Cact kann ein Betriebsparameter bzw. ein Zustand oder ein aktueller Grenzwert des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Der Gütefaktor G2 kann auch als SOC (State of Charge oder Health) der Hochvoltbatterie bezeichnet werden. Alternativ kann der Gütefaktor G2 beispielsweise auch auf eine Leistungsreduktion bezogen sein. Dies würde sich wie folgt darstellen: G 2 = P B a t , a c t P B a t , n o m i n a l
Figure DE102018216232A1_0005
Der Alterungszustand des Brennstoffzellenstapels bzw. ein entsprechender Gütefaktor G3 kann wie folgt ermittelt werden: G 3 = P S t a c k , a c t P S t a c k , n o m i n a l
Figure DE102018216232A1_0006
Wobei im Zähler der aktuelle maximale Leistungszustand PStack,act und im Nenner der nominale bzw. maximale Leistungszustand PStack,nominal des Brennstoffzellenstapels stehen. Alternativ zur maximalen Leistung kann der Alterungszustand auch bei einer definierten Teillast ermittelt werden. PStack,act kann als Betriebsparameter bzw. ein Zustand oder ein aktueller Grenzwert des Brennstoffzellensystems verstanden werden.The aging status of the high-voltage battery or a corresponding quality factor G2 can be determined as follows: G 2nd = C. a c t C. n O m i n a l
Figure DE102018216232A1_0004
whereby the numerator contains the currently still available maximum charging capacity Cact of the high-voltage battery and the denominator shows the nominal or originally maximum charging capacity Cnominal of the high-voltage battery. Cact can be understood to mean an operating parameter or a state or a current limit value of the fuel cell system. The quality factor G2 can also be referred to as the SOC (State of Charge or Health) of the high-voltage battery. Alternatively, the quality factor G2 can also relate to a power reduction, for example. This would look like this: G 2nd = P B a t , a c t P B a t , n O m i n a l
Figure DE102018216232A1_0005
The aging condition of the fuel cell stack or a corresponding quality factor G3 can be determined as follows: G 3rd = P S t a c k , a c t P S t a c k , n O m i n a l
Figure DE102018216232A1_0006
The current maximum performance state PStack, act is in the numerator and the nominal or maximum performance state PStack, nominal of the fuel cell stack is in the denominator. As an alternative to the maximum output, the aging condition can also be determined at a defined partial load. PStack, act can be understood as an operating parameter or a state or a current limit value of the fuel cell system.

Die Gütefunktion J sähe im vorgenannten Fall wie folgt aus: min { J = t 0 t 1 [ G 1 G 2 G 3 ] d t }

Figure DE102018216232A1_0007
Die erfindungsgemäße Optimierung kann sich abhängig davon, welche Informationen zur Verfügung stehen bzw. wie hoch der Automatisierungsgrad und/oder der Vernetzungsgrad des Brennstoffzellensystems ist, auf verschiedene Zeithorizonte beziehen. So kann die Online-Optimierung über einen kurzfristen Zeitraum, einen mittelfristigen Zeitraum und/oder einen langfristigen Zeitraum durchgeführt und entsprechend adaptiv eingestellt werden. Die Online-Optimierung kann lokal über ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems und/oder Server/Cloud-basiert durchgeführt werden. Die Optimierung kann periodisch, je nach Aufwand, Rechenkapazität, und/oder Rechenzeit, wiederholt, beispielsweise in einem 100ms oder 1000ms Raster oder in einem dynamischen Rechenraster durchgeführt werden. Diese Wiederholungsrate hat sich bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung für bestimmte Anwendungsfälle als überraschend vorteilhaft herausgestellt. Ein Ansteuervektor kann für alle Aktoren entsprechend aktualisiert werden. Entsprechend ist die Optimierung mittels der Trajektorien über einen Kurzzeit-, Mittelfrist, und/oder Langzeithorizont möglich bzw. kann über einen vordefinierbaren Zeithorizont durchgeführt werden.The quality function J would look as follows in the aforementioned case: min { J = t 0 t 1 [ G 1 - G 2nd - G 3rd ] d t }
Figure DE102018216232A1_0007
The optimization according to the invention can relate to different time horizons depending on what information is available or how high the degree of automation and / or the degree of networking of the fuel cell system is. In this way, online optimization can be carried out over a short-term period, a medium-term period and / or a long-term period and adjusted accordingly. The online optimization can be carried out locally via a control unit of the fuel cell system and / or server / cloud-based. The optimization can be carried out periodically, depending on the effort, computing capacity and / or computing time, repeatedly, for example in a 100 ms or 1000 ms grid or in a dynamic computing grid. This repetition rate has been found to be surprisingly advantageous for certain applications in extensive tests within the scope of the present invention. A control vector can be updated accordingly for all actuators. Accordingly, the optimization by means of the trajectories is possible over a short-term, medium-term, and / or long-term horizon or can be carried out over a predefinable time horizon.

Das vorgeschlagene Verfahren kann in der Betriebsstrategie von Brennstoffzellensystemen und/oder in mobilen Applikationen mit hybriden Energieversorgungssystemen implementiert sein bzw. ausgeführt werden. Das Verfahren kann insbesondere bei vernetzten Brennstoffzellenfahrzeugen angewandt werden. Dabei kann es bei unterschiedlichen Automatisierungsgraden eingesetzt werden, d.h., im Rahmen von teilautomatisierten Systemen bis hin zu vollautomatisierten Systemen, beispielsweise in Form von autonom fahrenden Brennstoffzellenfahrzeugen. The proposed method can be implemented or carried out in the operating strategy of fuel cell systems and / or in mobile applications with hybrid energy supply systems. The method can be used in particular in networked fuel cell vehicles. It can be used with different degrees of automation, i.e. in the context of partially automated systems to fully automated systems, for example in the form of autonomous fuel cell vehicles.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Zielgröße einen Alterungszustand eines Verdichtersystems zum Verdichten von Luft für einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems umfasst. Dies hat sich bei umfangreichen Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend als besonders hilfreich für die gewünschte Einstellung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems herausgestellt. Das Verdichtersystem des vorliegenden Brennstoffzellensystems weist vorzugsweise einen Radialverdichter auf.According to a further embodiment of the present invention, it is possible for a target variable to include an aging state of a compressor system for compressing air for a fuel cell stack of the fuel cell system. In extensive studies within the scope of the present invention, this has surprisingly proven to be particularly helpful for the desired setting of the mode of operation of the fuel cell system. The compressor system of the present fuel cell system preferably has a radial compressor.

Erfindungsgemäß kann es bei einem Verfahren von Vorteil sein, wenn wenigstens eine weitere Zielgröße einen Alterungszustand einer Hochvoltbatterie, einen Alterungszustand einer Starterbatterie, einen Alterungszustand eines Brennstoffzellenstapels, einen Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems und/oder einen Alterungszustand eines Superkondensators umfasst.According to the invention, it can be advantageous in a method if at least one further target variable comprises an aging condition of a high-voltage battery, an aging condition of a starter battery, an aging condition of a fuel cell stack, a hydrogen consumption of the fuel cell system and / or an aging condition of a supercapacitor.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung jeder Gütefaktor zur Bewertung der jeweiligen Zielgröße jeweils mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Gewichtungsfaktoren abhängig vom Zustand des Brennstoffzellensystems erstellt werden. Damit ist es möglich, unterschiedliche Wichtigkeiten verschiedener Gütefaktoren entsprechend zu berücksichtigen. Dies kann auch adaptiv während der Ausführung des vorliegenden Optimierungsverfahrens vorgenommen werden. Die Gewichtungsfaktoren können auch abhängig von den Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems definiert sein, also beispielsweise abhängig von einem Startvorgang, einem Stoppvorgang, einem Leerlaufbetrieb, einem Leistungsbetrieb und/oder einem Kaltstart. Wird ein Gütekriterium nicht benötigt, so kann der Gewichtungsfaktor einfach auf null gesetzt werden. Die Gütefunktion kann einschließlich der Gewichtungsfaktoren wie folgt dargestellt werden, wobei G1 beispielsweise für den Wasserstoffverbrauch und Gn für weitere Gütefaktoren wie den Alterungszustand der Batterie, den Alterungszustand des Brennstoffzellenstack und/oder den Alterungszustand des Luftverdichtersystems steht. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 n = 2 N f n G n ] d t }

Figure DE102018216232A1_0008
Weiterhin ist es möglich, dass die Gewichtungsfaktoren bei einem erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von den ermittelten Gütefaktoren erstellt werden. Dadurch kann unterschiedlichen Gütefaktoren in unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems adaptiv und besonders einfach Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann ein Gewichtungsfaktor erhöht werden, sobald erkannt wird, dass eine Batterie stark gealtert ist, wodurch die Batterie geschont werden kann.It can be a further advantage if, in a method according to the present invention, each quality factor for evaluating the respective target variable is multiplied by a weighting factor. It is also possible that the weighting factors are created depending on the state of the fuel cell system. This makes it possible to take different importance of different quality factors into account accordingly. This can also be done adaptively while the present optimization method is being carried out. The weighting factors can also be defined as a function of the operating states of the fuel cell system, that is to say, for example, as a function of a starting process, a stopping process, an idling operation, a power operation and / or a cold start. If a quality criterion is not required, the weighting factor can simply be set to zero. The quality function including the weighting factors can be represented as follows, G1 for example for the hydrogen consumption and Gn stands for further quality factors such as the aging condition of the battery, the aging condition of the fuel cell stack and / or the aging condition of the air compressor system. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 - n = 2nd N f n G n ] d t }
Figure DE102018216232A1_0008
Furthermore, it is possible for the weighting factors to be created in a method according to the invention depending on the quality factors determined. As a result, different quality factors can be taken into account adaptively and particularly simply in different operating states of the fuel cell system. For example, a weighting factor can be increased as soon as it is recognized that a battery has aged significantly, which can save the battery.

Darüber hinaus ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass ein Gütefaktor für den Alterungszustand eines Verdichtersystems anhand eines Verhältnisses einer Anzahl von bisher aufgetretenen Start-Stopp-Vorgängen des Verdichtersystems im Brennstoffzellenfahrzeug zu einer vordefinierten Anzahl an Start/Stopp-Vorgängen des Verdichtersystems im Brennstoffzellenfahrzeug ermittelt wird. Wie vorstehend erwähnt, konnten dadurch bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden. Da bei gattungsgemäßen Verdichtersystemen, insbesondere Radialverdichtern, sehr hohe Drehzahlen erforderlich sind, werden die zugehörigen Lager häufig als luftgeschmierte Lager bzw. Gaslager ausgeführt. Diese sind jedoch hinsichtlich Start-Stopp-Vorgängen aufgrund der dabei auftretenden erhöhten Reibung alterungs-sensitiv. Für solche Anordnungen kann die Anzahl der auftretenden Start-Stopp-Vorgänge N als Kriterium herangezogen werden. G 4 = 1 N a c t N m a x D e s i g n

Figure DE102018216232A1_0009
wobei NmaxDesign die für die Auslegung relevante Anzahl von zulässigen Start-Stopp-Vorgängen und Nact die bisherige bzw. aktuelle Anzahl von Start-Stopp-Vorgängen ist. Nact kann als Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Alternativ könnte auch die Zeit und/oder eine vordefinierte Anzahl von Rotationen, beispielsweise eine Drehzahl unterhalb einer Abhebedrehzahl, herangezogen werden. Die vorstehend eingeführte Funktion könnte in diesem Fall wie folgt aussehen, wobei die Gewichtungsfaktoren optional sind. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 f 1 G 4 ] d t }
Figure DE102018216232A1_0010
Alternativ kann auch die Anzahl NnomToUse berücksichtigt werden, die bis zum aktuellen Stand, auf Betriebsstunden oder Fahrstrecke bezogen, gemäß Design des Verdichtersystems akzeptabel wäre. Dies kann sich wie folgt darstellen bzw. berechnen lassen. G 4 = { 1 f u ¨ r N a c t < N n o m T o U s e 1 N a c t N n o m T o U s e N m a x D e s i g n N n o m T o U s e f u ¨ r N a c t N n o m T o U s e
Figure DE102018216232A1_0011
Ist das Brennstoffzellensystem bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgestaltet, ist es möglich, dass anhand der berechneten Gütefunktion ein Drehmoment eines Elektromotors des Brennstoffzellenfahrzeugs zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs, eine verfügbare Gesamtleistung des Brennstoffzellenfahrzeugs und/oder eine Leistungsverzweigung zu verschiedenen Energielieferanten des Brennstoffzellensystems wie Hochvoltbatterie, Superkondensator, und/oder Starterbatterie eingestellt werden. D.h., die Stellvariablen für eine Optimierung bzw. entsprechende Einstellung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems kann das Drehmoment des Elektromotors bzw. eines entsprechenden Elektroantriebs und/oder die verfügbare und/oder benötigte Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems und/oder die Aufteilung der Leistung auf die Energielieferanten sein. Anhand der Leistungsverzweigung kann festgelegt werden, wie viel Leistung bzw. Energie von welchem Energielieferanten angefordert werden soll. Ist die Stellvariable das Drehmoment des Elektromotors, kann für eine Optimierung bzw. verbesserte Einstellung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems die Aufteilung eines Bremsmomentes zwischen Elektromotor und Reibbremse, d.h., eine flexible Rekuperation, berücksichtigt werden. Wird die Rekuperation nicht flexibel mit Freiheitsgrad angewandt, kann die Stellvariable für die Optimierung die benötigte Gesamtleistung aus dem Brennstoffzellensystem bzw. dem entsprechenden Energiesystem des Brennstoffzellensystems sein. Eine Ansteuer-Vorgabe bzw. entsprechende Ansteuergrößen für die Leistungsverzweigung zwischen verschiedenen Energielieferanten wird bzw. werden bevorzugt mittels DC/DC-Wandler umgesetzt. D.h., der DC/DC-Wandler wird entsprechend einer Optimierungsvorgabe angesteuert, sodass die gewünschten Leistungen bzw. Energiemengen aus den jeweiligen Systemen geliefert werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Start-Stopp-Verhalten des Verdichtersystems dem optimierten Kompromiss bzw. Trade-off entsprechend eingestellt werden.In addition, in a method according to the present invention, it is possible for a quality factor for the aging state of a compressor system to be based on a ratio of a number of start / stop processes of the compressor system in the fuel cell vehicle to a predefined number of start / stop processes of the compressor system is determined in the fuel cell vehicle. As mentioned above, particularly advantageous results could be achieved in experiments within the scope of the present invention. Since very high speeds are required in generic compressor systems, in particular radial compressors, the associated bearings are often designed as air-lubricated bearings or gas bearings. However, these are age-sensitive with regard to start-stop processes due to the increased friction that occurs. The number of start-stop operations N occurring can be used as a criterion for such arrangements. G 4th = 1 - N a c t N m a x D e s i G n
Figure DE102018216232A1_0009
where NmaxDesign is the number of permitted start-stop processes relevant for the design and Nact is the previous or current number of start-stop processes. Nact can be understood as an operating parameter of the fuel cell system. Alternatively, the time and / or a predefined number of rotations, for example a speed below a lift-off speed, could also be used. In this case, the function introduced above could look as follows, with the weighting factors being optional. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 - f 1 G 4th ] d t }
Figure DE102018216232A1_0010
Alternatively, the number of NnomToUse can be taken into account that would be acceptable up to the current status, based on operating hours or driving distance, according to the design of the compressor system. This can be represented or calculated as follows. G 4th = { 1 f u ¨ r N a c t < N n O m T O U s e 1 - N a c t - N n O m T O U s e N m a x D e s i G n - N n O m T O U s e f u ¨ r N a c t N n O m T O U s e
Figure DE102018216232A1_0011
If the fuel cell system is configured in the form of a fuel cell vehicle in a further embodiment variant of the present invention, it is possible that, based on the calculated quality function, a torque of an electric motor of the fuel cell vehicle for driving the fuel cell vehicle, an available total power of the fuel cell vehicle and / or a power split to various energy suppliers Fuel cell systems such as high-voltage battery, supercapacitor, and / or starter battery can be set. That is, the control variables for an optimization or corresponding setting of the operating mode of the fuel cell system can be the torque of the electric motor or a corresponding electric drive and / or the available and / or required total power of the fuel cell system and / or the distribution of the power to the energy suppliers. The power split can be used to determine how much power or energy should be requested from which energy supplier. If the control variable is the torque of the electric motor, optimization or improved setting of the mode of operation of the fuel cell system, the division of a braking torque between the electric motor and friction brake, that is, flexible recuperation, are taken into account. If the recuperation is not used flexibly with a degree of freedom, the control variable for the optimization can be the total power required from the fuel cell system or the corresponding energy system of the fuel cell system. A control specification or corresponding control variables for the power split between different energy suppliers is or are preferably implemented by means of a DC / DC converter. This means that the DC / DC converter is controlled in accordance with an optimization specification, so that the desired outputs or amounts of energy are supplied from the respective systems. Additionally or alternatively, the start-stop behavior of the compressor system can be set according to the optimized compromise or trade-off.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder eine andere Recheneinheit diesen bzw. diese veranlassen, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen, bereitgestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Computerprogramm die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ oder C# implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie das Steuergerät derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogramm kann sowohl mittels einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware in Form eines Computerprogrammprodukts, oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.According to a further aspect of the present invention, a computer program is provided, comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer or another computing unit, cause the latter to carry out the method described above. The computer program according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the device according to the invention. The computer program can be implemented as computer-readable instruction code in any suitable programming language such as, for example, JAVA, C ++ or C #. The computer program can be stored on a computer-readable storage medium such as a data disc, a removable drive, volatile or non-volatile memory, or a built-in memory / processor. The instruction code can program a computer or other programmable device such as the controller to perform the desired functions. Furthermore, the computer program can be provided in a network, such as the Internet, from which it can be downloaded by a user if required. The computer program can be implemented both by means of software and by means of one or more special electronic circuits, i.e. in hardware in the form of a computer program product, or in any hybrid form, i.e. by means of software components and hardware components.

Außerdem werden ein Speichermittel, beispielsweise in Form einer Festplatte oder eines anderen mobilen Datenspeichers, mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, das zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert ist, sowie ein Steuergerät mit einem darauf installierten Computerprogramm, das zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist, bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellenfahrzeug, mit einem solchen Steuergerät zum Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren zur Verfügung gestellt. Damit bringen das erfindungsgemäße Speichermittel, das erfindungsgemäße Steuergerät sowie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ebenso die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.In addition, a storage means, for example in the form of a hard disk or another mobile data storage device, with a computer program stored thereon, which is configured to carry out a method as described above, and a control device with a computer program installed thereon, to carry out a method as described above configured and configured, provided. In addition, a fuel cell system, in particular a fuel cell vehicle, is provided with such a control device for setting the operating mode of the fuel cell system or the fuel cell vehicle according to a method as described above. The storage means according to the invention, the control device according to the invention and the fuel cell system according to the invention thus also bring with them the advantages described above.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.Further measures improving the invention result from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawing, including structural details and spatial arrangements, can be essential to the invention both individually and in the various combinations.

Es zeigen:

  • 1 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Online-Optimierungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • 3 ein Blockschaltbild zum Erläutern der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Show it:
  • 1 1 shows a flowchart for explaining an online optimization method according to an embodiment of the present invention.
  • 2nd a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, and
  • 3rd a block diagram for explaining the operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

1 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Online-Optimierungsverfahrens zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems 1 in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs bzw. eines hybriden Energiesystems mit Bezug auf verschiedene Zielgrößen. Gemäß einem ersten Schritt S1 werden zunächst Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt. Genauer gesagt werden Betriebsparameter zu einem Brennstoff- bzw. Wasserstoffverbrauch, einem Brennstoffzellenstapel 2, einer Hochvoltbatterie 3 und einem Verdichter des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt. In einem anschließenden Schritt S2 wird anhand verschiedener Berechnungen, Modelle und/oder Sensorwerte jeweils ein Gütefaktor zu jeweils einem ermittelten Betriebsparameter ermittelt, wobei je ein Gütefaktor eine Zielgröße abbildet. Danach wird in einem dritten Schritt S3 eine Gütefunktion J anhand der ermittelten Gütefaktoren berechnet. Wie vorstehend erwähnt, wird hierbei insbesondere die Optimierung in Form der Minimierung durchgeführt. D.h., die Trajektorien werden ermittelt, sodass die Gütefunktion J einen Minimalwert liefert. Die Gütefunktion J wird für einen Betriebsabschnitt, beispielsweise eine gesamte Fahrstrecke oder eine Teilstrecke, berechnet und optimiert. In einem vierten Schritt S4 werden mittels der berechneten Gütefunktion Ansteuergrößen ermittelt. Daraufhin wird in einem fünften Schritt S5 die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 anhand der ermittelten Ansteuergrößen eingestellt. Genauer gesagt wird die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 anhand dem Ergebnis der optimierten Gütefunktion über ein Drehmoment eines Elektromotors 5 bzw. des Antriebsmotors des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch die Leistungsverzweigung über DC/DC-Wandler und/oder ein Start-Stopp-Verhalten des Verdichtersystems des Brennstoffzellensystems eingestellt. Die Ansteuerungstrajektorie bzw. ein Vektor für die Ansteuerung der verschiedenen Aktoren, die bzw. der zum kleinsten Wert der Gütefunktion J führt, entspricht der gesuchten optimalen Ansteuerung und wird im Schritt S5 umgesetzt. 1 shows a flowchart for explaining an online optimization method for setting the operation of a fuel cell system 1 in the form of a fuel cell vehicle or a hybrid energy system with reference to different targets. According to a first step S1 are first operational parameters of the fuel cell system 1 determined. More specifically, operating parameters for a fuel or hydrogen consumption, a fuel cell stack 2nd , a high-voltage battery 3rd and a compressor of the fuel cell system 1 determined. In a subsequent step S2 a quality factor for each of the determined operating parameters is determined on the basis of various calculations, models and / or sensor values, a quality factor representing a target variable. After that, in a third step S3 a quality function J is calculated based on the determined quality factors. As mentioned above, in particular, optimization is carried out in the form of minimization. That is, the trajectories are determined so that the quality function J delivers a minimum value. The quality function J is calculated and optimized for an operating section, for example an entire route or a partial route. In a fourth step S4 control variables are determined using the calculated quality function. This is followed in a fifth step S5 the mode of operation of the fuel cell system 1 based on the determined control variables. More specifically, the operation of the fuel cell system 1 based on the result of the optimized quality function via a torque of an electric motor 5 or the drive motor of the fuel cell vehicle, set by the power split via DC / DC converter and / or a start-stop behavior of the compressor system of the fuel cell system. The control trajectory or a vector for the control of the various actuators, which leads to the smallest value of the quality function J, corresponds to the optimal control sought and is used in the step S5 implemented.

Die Optimierung bzw. das Verfahren wird laufend erneut durchgeführt, so dass geänderte Randbedingungen bzw. Störgrößen bzw. geändertem Fahrerwunsch oder geänderte Streckenführung laufend berücksichtigt werden.The optimization or the method is carried out again continuously, so that changed boundary conditions or disturbance variables or changed driver's request or changed route are continuously taken into account.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann anhand des Pontryagin Minimum Prinzips unter Einführung einer Hamilton-Funktion folgende Gleichung aufgestellt und anschließend gelöst werden. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 f 2 G 2 f 3 G 3 f 4 G 4 ] d t }

Figure DE102018216232A1_0012
wobei bezüglich der einzelnen Faktoren zur Vermeidung redundanter Beschreibungsteile auf die vorstehende Erläuterung Bezug genommen werden soll. Wie aus der vorstehenden Formel und mit Bezug auf die vorstehende Ausführung zu G4 zu entnehmen, wird unter anderem der Betriebsparameter Nact zum Alterungszustand des Verdichtersystems zum Verdichten von Luft für den Brennstoffzellenstapel 2 des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt. Genauer gesagt wird der Gütefaktor G4 anhand eines Verhältnisses einer Anzahl von bisher aufgetretenen Start-Stopp-Vorgängen des Verdichtersystems im Brennstoffzellenfahrzeug zu einer vordefinierten Anzahl an Start/Stopp-Vorgängen des Verdichtersystems im Brennstoffzellenfahrzeug ermittelt. Außerdem wird jeder Gütefaktor zur Bewertung des jeweiligen Betriebsparameters bzw. des daraus resultierenden Gütefaktors jeweils mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert. Die Gewichtungsfaktoren werden hierbei abhängig von den ermittelten Gütefaktoren und von den Zuständen des Brennstoffzellensystems erstellt. Wenn Betriebsparameter zum Verdichtungssystem bzw. des Verdichtungssystems eine hohe Wichtigkeit haben wird der zugehörige Gewichtungsfaktor entsprechend hoch eingestellt. Wenn Betriebsparameter zur bzw. der Hochvoltbatterie eine geringe Wichtigkeit aufweisen, wird der zugehörige Gewichtungsfaktor entsprechend niedrig eingestellt oder auf null gesetzt. Die Gütefaktoren G1 bis G3 werden wie vorstehend im Detail beschrieben berechnet.According to a preferred embodiment, the following equation can be established on the basis of the Pontryagin minimum principle with the introduction of a Hamilton function and then solved. min { J = t 0 t 1 [ f 1 G 1 - f 2nd G 2nd - f 3rd G 3rd - f 4th G 4th ] d t }
Figure DE102018216232A1_0012
with regard to the individual factors to avoid redundant parts of the description, reference should be made to the above explanation. As can be seen from the above formula and with reference to the above version of G4, the operating parameter Nact, among other things, becomes the aging state of the compressor system for compressing air for the fuel cell stack 2nd of the fuel cell system 1 determined. More precisely, the quality factor G4 is determined on the basis of a ratio of a number of start-stop processes of the compressor system in the fuel cell vehicle to a predefined number of start / stop processes of the compressor system in the fuel cell vehicle. In addition, each quality factor is multiplied by a weighting factor in order to evaluate the respective operating parameter or the resulting quality factor. The weighting factors are created depending on the determined quality factors and on the states of the fuel cell system. If operating parameters for the compression system or the compression system are of great importance, the associated weighting factor is set accordingly high. If operating parameters for the high-voltage battery are of minor importance, the associated weighting factor is set correspondingly low or set to zero. The quality factors G1 to G3 are calculated as described in detail above.

2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem Steuergerät 7 zum Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1. Hierfür ist im Brennstoffzellensystem 1 ein Computerprogramm 6 installiert, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms 6 durch das Steuergerät dieses veranlassen, das in Rede stehende Verfahren auszuführen. 2nd shows a fuel cell system 1 in the form of a fuel cell vehicle with a control unit 7 for setting the mode of operation of the fuel cell system 1 . For this is in the fuel cell system 1 a computer program 6 installed, which includes commands required to run the computer program 6 cause the control unit to carry out the procedure in question.

Wie in 2 dargestellt, weist das Brennstoffzellenfahrzeug ferner einen Brennstoffzellenstapel 2, eine Hochvoltbatterie 3, einen Brennstofftank 4 und einen Elektromotor 5 auf.As in 2nd shown, the fuel cell vehicle further comprises a fuel cell stack 2nd , a high-voltage battery 3rd , a fuel tank 4th and an electric motor 5 on.

In 3 ist ein Blockschaltbild zum Erläutern der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 in Form des Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt. Zentrale Rolle spielt dabei das Steuergerät 7 des Brennstoffzellenfahrzeugs, obwohl die Funktionalität auch durch eine Cloud- und/oder Serverlösung realisiert werden könnte. Das Steuergerät 7 erhält durch eine Sensorik des Brennstoffzellenfahrzeugs und/oder aus einem dezentralen, vernetzen System wie einer Cloud und/oder einem dezentralen Server Informationen aus der Umgebung 11 des Brennstoffzellenfahrzeugs, einem Fahrer 12 des Brennstoffzellenfahrzeugs bzw. dessen Aktionen im Brennstoffzellenfahrzeug, und anderen Fahrzeugkomponenten 13. Darüber hinaus erhält das Steuergerät 7 Informationen von Diagnosekomponenten 8 des Brennstoffzellenfahrzeugs. Weitere Informationen kann das Steuergerät 7 von einem Energiesystem 9 erhalten, in welchem der Brennstoffzellenstapel 2, die Hochvoltbatterie 3, der Brennstofftank 4 und das Verdichtersystem implementiert sind. Anhand dieser Informationen und mit Hilfe des Computerprogramms 6 kann das Steuergerät 7 nun die Betriebsweise des Brennstoffzellenfahrzeugs über den Antriebsstrang 10 des Brennstoffzellenfahrzeugs wie gewünscht einstellen.In 3rd FIG. 12 is a block diagram for explaining the operation of the fuel cell system 1 shown in the form of the fuel cell vehicle. The control unit plays a central role in this 7 of the fuel cell vehicle, although the functionality could also be implemented by a cloud and / or server solution. The control unit 7 receives information from the environment through a sensor system of the fuel cell vehicle and / or from a decentralized, networked system such as a cloud and / or a decentralized server 11 of the fuel cell vehicle, a driver 12th the fuel cell vehicle or its actions in the fuel cell vehicle, and other vehicle components 13 . In addition, the control unit receives 7 Information from diagnostic components 8th of the fuel cell vehicle. The control unit can provide further information 7 from an energy system 9 get in which of the fuel cell stack 2nd who have favourited High Voltage Battery 3rd , the fuel tank 4th and the compressor system are implemented. Based on this information and with the help of the computer program 6 can the control unit 7 now the mode of operation of the fuel cell vehicle via the drive train 10th the fuel cell vehicle as desired.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. In addition to the illustrated embodiments, the invention permits further design principles. That is, the invention should not be considered limited to the exemplary embodiments described for the figures.

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Claims (15)

Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems (1) mit Bezug auf wenigstens zwei Zielgrößen, aufweisend die Schritte: - Ermitteln von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (1), - Ermitteln von jeweils einem Gütefaktor (G1 - G4) zu jeweils wenigstens einem ermittelten Betriebsparameter, wobei je ein Gütefaktor (G1 - G4) eine Zielgröße abbildet, - Berechnen einer Gütefunktion (J) anhand der ermittelten Gütefaktoren (G1 - G4), - Ermitteln von Ansteuergrößen mittels der berechneten Gütefunktion (J), und - Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems (1) anhand der ermittelten Ansteuergrößen.Online optimization method for setting the operating mode of a fuel cell system (1) with reference to at least two target values, comprising the steps: - Determining operating parameters of the fuel cell system (1), - Determining a quality factor (G1 - G4) for at least one determined operating parameter, with a quality factor (G1 - G4) each representing a target variable, - calculating a quality function (J) based on the determined quality factors (G1 - G4), - Determination of control variables using the calculated quality function (J), and - Setting the mode of operation of the fuel cell system (1) based on the determined control variables. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zielgröße einen Alterungszustand eines Verdichtersystems zum Verdichten von Luft für einen Brennstoffzellenstapel (2) des Brennstoffzellensystems (1) umfasst.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a target variable comprises an aging state of a compressor system for compressing air for a fuel cell stack (2) of the fuel cell system (1). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gütefaktor (G4) für den Alterungszustand eines Verdichtersystems anhand eines Verhältnisses einer Anzahl von bisher aufgetretenen Start-Stopp-Vorgänge im Brennstoffzellenfahrzeug zu einer vordefinierten Anzahl an Start/Stopp-Vorgängen im Brennstoffzellenfahrzeug ermittelt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that a quality factor (G4) for the aging state of a compressor system is determined on the basis of a ratio of a number of start-stop processes that have occurred in the fuel cell vehicle to a predefined number of start / stop processes in the fuel cell vehicle. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Zielgröße einen Alterungszustand einer Hochvoltbatterie, einen Alterungszustand einer Starterbatterie, einen Alterungszustand eines Brennstoffzellenstapels und/oder einen Alterungszustand eines Superkondensators umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further target variable comprises an aging state of a high-voltage battery, an aging state of a starter battery, an aging state of a fuel cell stack and / or an aging state of a supercapacitor. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine noch weitere Zielgröße einen Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a still further target variable comprises a hydrogen consumption of the fuel cell system. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gütefaktor (G1 - G4) zur Bewertung der jeweiligen Zielgröße jeweils mit einem Gewichtungsfaktor (f1 - f4) multipliziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each quality factor (G1 - G4) for evaluating the respective target variable is multiplied by a weighting factor (f1 - f4). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (f1 - f4) abhängig von den ermittelten Gütefaktoren erstellt werden.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the weighting factors (f1 - f4) are created depending on the determined quality factors. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (f1 - f4) abhängig vom Zustand des Brennstoffzellensystems erstellt werden.Procedure according to one of the Claims 6 and 7 , characterized in that the weighting factors (f1 - f4) are created depending on the state of the fuel cell system. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgestaltet ist und anhand der berechneten Gütefunktion (J) ein Drehmoment eines Elektromotors (5) des Brennstoffzellenfahrzeugs zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs, eine verfügbare Gesamtleistung des Brennstoffzellenfahrzeugs, ein Start/Stopp-Verhalten eines Luftverdichtersystems und/oder eine Leistungsverzweigung zu verschiedenen Energielieferanten des Brennstoffzellensystems (1) eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (1) is designed in the form of a fuel cell vehicle and, based on the calculated quality function (J), a torque of an electric motor (5) of the fuel cell vehicle for driving the fuel cell vehicle, an available total power of the fuel cell vehicle, a start / stop behavior of an air compressor system and / or a power split to different energy suppliers of the fuel cell system (1) are set. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Gütefunktion (J) zur Ermittlung eines Minimums der Gütefunktion (J) Trajektorien berechnet werden, wobei die Berechnung der Trajektorien über einen vordefinierbaren Zeithorizont und/oder über eine vordefinierbare Fahrstrecke berechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when calculating the quality function (J) to determine a minimum of the quality function (J), trajectories are calculated, the calculation of the trajectories being calculated over a predefinable time horizon and / or over a predefinable route . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Gütefunktion (J) periodisch, insbesondere mit einem Zeitabstand in einem Bereich zwischen 100ms und 1000ms, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation of the quality function (J) is carried out periodically, in particular with a time interval in a range between 100 ms and 1000 ms. Computerprogramm (6), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms (6) durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.Computer program (6), comprising commands which cause the computer program (6) to be executed by a computer, the method according to one of the Claims 1 to 11 to execute. Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm (6), das zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 konfiguriert und ausgestaltet ist.Storage means with a computer program (6) stored thereon which is used to carry out a method according to one of the Claims 1 to 11 configured and configured. Steuergerät (7) mit einem darauf installierten Computerprogramm (6) nach Anspruch 12, das zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 konfiguriert und ausgestaltet ist. Control unit (7) with a computer program (6) installed thereon Claim 12 which is used to carry out a method according to one of the Claims 1 to 11 configured and configured. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Steuergerät (7) nach Anspruch 12 zum Einstellen der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Fuel cell system (1) with a control unit (7) Claim 12 for setting the operating mode of the fuel cell system (1) according to a method according to one of the Claims 1 to 11 .
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