DE102019003571A1 - Method for regulating a fuel cell for an increased range of a vehicle and vehicle with a fuel cell and a control unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Brennstoffzelle (REX) für eine erhöhte Reichweite eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie (HVB). Eine Differenz (e) des aktuellen Ladezustands (SoC) wird mit einem vorgegebenen Ladezustand (SoC) als Eingangssignal (e) für einen Pl-Kontroller (10) verwendet. Ein Leistungswert (P) wird für die Brennstoffzelle (REX) mittels des Pl-Kontrollers (10) zum Reduzieren der Differenz (e) ermittelt. Dabei wird ein thermischer Parameter (TS) berücksichtigt. Es wird geprüft, ob während einer vorgegebenen ersten Zeitspanne (sp1) jeder Bedarfswert (LB) für eine Klimaeinheit (CCU) des Fahrzeugs innerhalb eines vorgegebenen ersten Intervalls liegt, welches den ermittelten Leistungswert (P) beinhaltet. Falls die Prüfung bejaht wird, wird der jeweilige Bedarfswert (LB) für die Klimaeinheit (CCU) als der jeweilige thermische Parameter (TS) für das Ermitteln eines weiteren Leistungswerts (P) einen weiteren Zeitschritt (t) definiert. Dabei wird das Definieren ununterbrochen für die Dauer einer zweiten Zeitspanne (sp2) ausgeführt, um die Brennstoffzelle (REX) zu regeln.The invention relates to a method for regulating a fuel cell (REX) for an increased range of a vehicle with a high-voltage battery (HVB). A difference (e) in the current state of charge (SoC) with a predetermined state of charge (SoC) is used as the input signal (e) for a PI controller (10). A power value (P) is determined for the fuel cell (REX) by means of the PI controller (10) to reduce the difference (e). A thermal parameter (TS) is taken into account. It is checked whether, during a predefined first time period (sp1), each demand value (LB) for an air conditioning unit (CCU) of the vehicle lies within a predefined first interval, which contains the determined performance value (P). If the test is answered in the affirmative, the respective demand value (LB) for the air conditioning unit (CCU) is defined as the respective thermal parameter (TS) for the determination of a further power value (P) a further time step (t). The definition is carried out continuously for the duration of a second period (sp2) in order to regulate the fuel cell (REX).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Brennstoffzelle für eine erhöhte Reichweite eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, welches eine Hochvoltbatterie, eine Brennstoffzelle und eine Steuereinheit aufweist.The invention relates to a method for regulating a fuel cell for an increased range of a vehicle with a high-voltage battery. Furthermore, the invention relates to a vehicle which has a high-voltage battery, a fuel cell and a control unit.
Die Brennstoffzellentechnologie in der Transportindustrie erzeugt elektrische Energie zum Antreiben von Fahrzeugen oder Großraumfahrzeugen. Diese Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie weist einen Wirkungsgrad von etwa 40 - 50% auf. Brennstoffzellen können mit Wasserstoff betrieben werden. Die Bildung von Wasser durch die Verbindung des Wasserstoffs mit Sauerstoffmolekülen setzt nicht nur elektrische Energie, sondern auch thermische Energie (Wärme) frei. Dies kann vom Fahrzeug zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums oder zum Auftauen einer Hochvoltbatterie genutzt werden, was zu einer geringeren Nutzung eines Bremswiderstands für Heizzwecke und damit zu einer Reduzierung des Energie- und damit des Wasserstoffverbrauchs führt.Fuel cell technology in the transportation industry generates electrical energy to power vehicles or large vehicles. This conversion of chemical energy into electrical energy has an efficiency of around 40 - 50%. Fuel cells can run on hydrogen. The formation of water through the combination of hydrogen with oxygen molecules releases not only electrical energy, but also thermal energy (heat). This can be used by the vehicle to heat a vehicle interior or to defrost a high-voltage battery, which leads to less use of a braking resistor for heating purposes and thus to a reduction in energy and thus hydrogen consumption.
Die Druckschrift
Die vom Brennstoffzellensystem erzeugte Abwärme wird vom Wärmeversorgungssystem als Wärmequelle genutzt.The waste heat generated by the fuel cell system is used as a heat source by the heat supply system.
Die Druckschrift
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein besseres Verfahren zum Regeln einer Brennstoffzelle anzubieten, welches zumindest einen Ladezustand einer Hochvoltbatterie und einen Bedarf an thermischer Leistung berücksichtigt.It is an object of the invention to offer a better method for regulating a fuel cell, which takes into account at least a state of charge of a high-voltage battery and a need for thermal power.
Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen dieser Anmeldung sinnvoll gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und alternative Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.This object is sensibly achieved in accordance with the independent claims of this application. Advantageous further developments and alternative embodiments result from the subclaims, the description and the figures.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Regeln einer Brennstoffzelle für eine erhöhte Reichweite eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie vor. Dazu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
- In einem ersten Schritt a) wird ein Pl-Kontroller zum Regeln eines Ladezustands der Hochvoltbatterie aktiviert. Dabei wird eine Differenz des aktuellen Ladezustands mit einem vorgegebenen Ladezustand als Eingangssignal für den Pl-Kontroller verwendet. Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie oder Fahrzeugbatterie.
- In a first step a), a PI controller for regulating a state of charge of the high-voltage battery is activated. A difference in the current state of charge with a predetermined state of charge is used as the input signal for the PI controller. The high-voltage battery is in particular a traction battery or vehicle battery.
In einem weiteren Schritt b) wird ein Leistungswert für die Brennstoffzelle für einen Zeitschritt mittels des PI-Kontrollers zum Reduzieren der Differenz ermittelt. Dabei wird ein thermischer Parameter berücksichtigt. Bei einem Initiieren des Verfahrens kann dieser thermische Parameter mithilfe eines Startwerts berücksichtigt werden. Dieser Startwert kann vorgegeben und konstant sein.In a further step b), a power value for the fuel cell is determined for a time step by means of the PI controller to reduce the difference. A thermal parameter is taken into account. When the method is initiated, this thermal parameter can be taken into account using a starting value. This start value can be specified and constant.
In einem weiteren Schritt c) wird geprüft, ob während einer vorgegebenen ersten Zeitspanne jeder Bedarfswert für eine Klimaeinheit des Fahrzeugs innerhalb eines vorgegebenen ersten Intervalls liegt. Dabei beinhaltet das vorgegebene erste Intervall den ermittelten Leistungswert.In a further step c) it is checked whether, during a predefined first time period, each demand value for an air conditioning unit of the vehicle lies within a predefined first interval. The specified first interval contains the determined power value.
Falls Schritt c) bejaht wird, wird der jeweilige Bedarfswert für die Klimaeinheit als der jeweilige thermische Parameter für das Ermitteln eines weiteren Leistungswerts für einen weiteren Zeitschritt definiert. Dabei wird das Definieren ununterbrochen für die Dauer einer zweiten Zeitspanne ausgeführt, um die Brennstoffzelle zu regeln. Der vorgegebene Ladezustand kann anhand einer Funktion ermittelt werden, welche eine Wegstrecke einem Ladezustand zuordnet. Somit kann der Ladezustand eine Funktion des Ladezustands in Abhängigkeit von dem Weg
Bisherige Steuerungs- oder Regelungsverfahren berücksichtigen eine Steuerung nur basierend auf dem Ladezustand des Akkus oder sie berücksichtigen nur eine maximale Leistung, Lebensdauer oder einen maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Andere Steuerungsverfahren berücksichtigen ausschließlich einen Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle. Das vorgeschlagene Verfahren berücksichtigt neben dem Ladzustand zusätzlich einen Energiebedarf für die Klimaeinheit des Fahrzeugs. Damit kann ein wichtiger Einflussfaktor für das Regeln der Brennstoffzelle berücksichtigt werden. Der Begriff „regeln“ kann auch „regulieren“ bedeuten.Previous control or regulation methods only take control into account based on the state of charge of the battery, or they only take into account maximum performance, service life or maximum efficiency of the fuel cell. Other control methods only consider hydrogen consumption by the fuel cell. In addition to the state of charge, the proposed method also takes into account an energy requirement for the air conditioning unit of the vehicle. An important influencing factor for regulating the fuel cell can thus be taken into account. The term "regulate" can also mean "regulate".
Die Erfindung sieht ebenfalls ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einer Steuereinheit vor, welche zusammen derart ausgestaltet sind, ein Verfahren nach einem der beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten auszuführen. Das Fahrzeug kann neben der Brennstoffzelle und der Steuereinheit zusätzlich eine Hochvoltbatterie aufweisen. Das Fahrzeug kann insbesondere als Großraumfahrzeug ausgebildet sein. Das Großraumfahrzeug kann als Bus oder ein Transportfahrzeug größer als übliche Autos ausgebildet sein. Sämtliche Verfahrensmerkmale, welche in der Anmeldung beschrieben sind, können als entsprechende Vorrichtungsmerkmale betrachtet werden. Insofern gelten die beschriebenen Vorteile und Beispiele für die Verfahrensschritte sinngemäß und analog die Vorrichtungsmerkmale sowie umgekehrt.The invention also provides a vehicle with a fuel cell and a control unit, which together are configured to carry out a method according to one of the described implementation options. In addition to the fuel cell and the control unit, the vehicle can also have a high-voltage battery. The vehicle can in particular be designed as a large-capacity vehicle. The open-top vehicle can be designed as a bus or a transport vehicle larger than conventional cars. All the process features that are described in the application can be regarded as corresponding device features. In this respect, the advantages and examples described for the method steps apply analogously and analogously to the device features and vice versa.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung stellen dabei bevorzugte Beispiele dar, welche jedoch die Erfindung nicht einschränken.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In the figures, the described embodiments of the invention represent preferred examples, which, however, do not restrict the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of Leaving invention.
Dabei zeigt:
-
1 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein mögliches Verfahren zum Regeln der Brennstoffzelle; -
2 eine Darstellung für eine Funktion des Ladezustands in Abhängigkeit von einem zurückgelegten Weg des Fahrzeugs; -
3 eine schematische Darstellung betreffend verschiedene Bedingungen für das Verfahren; -
4 eine Übersicht möglicher Komponenten, welche eine Energiemanagementeinheit beeinflussen.
-
1 a schematic flow diagram for a possible method for regulating the fuel cell; -
2 a representation of a function of the state of charge depending on a distance traveled by the vehicle; -
3 a schematic representation of various conditions for the method; -
4 an overview of possible components that influence an energy management unit.
Zum Einleiten oder Initiieren des Verfahrens kann dieser thermische Parameter
Dieser Leistungswert
Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass für die Dauer einer ersten Zeitspanne
Liegt der Bedarfswert
Der untere Bereich von
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem ununterbrochenen Definieren des jeweiligen Bedarfswertes
Vorteilhaft sieht das Verfahren vor, dass nur dann der weitere Leistungswert
Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren eine weitere Bedingung vorsehen. In diesem Fall wird nur dann der weitere Leistungswert
In
Zum Zeitpunkt oder der Wegstrecke „REX“ hat das Fahrzeug in etwa 80 % einer geplanten Wegstrecke zurückgelegt. Ab dem Zeitpunkt „ECU“ wird bevorzugt die Steuereinheit
Ab dem Punkt „REX“ auf der s-Achse wird der thermische Parameter
Die Steuereinheit
Im Zusammenhang mit dem ermittelten Leistungswert
Die Erfindung zeigt insbesondere, dass der Zeitschritt identifiziert werden kann, in dem sich der Bedarfswert
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- PI-Regler, Pl-KontrollerPI controller, PI controller
- CCUCCU
- Klimaeinheitair conditioning unit
- titi
- Zeitschritttime step
- ti+1ti + 1
- weiterer Zeitschrittanother time step
- SoCSoC
- LadezustandSOC
- SoCl+1 SoC l + 1
- vorgegebener Ladezustandspecified state of charge
- SoCl+2 SoC l + 2
- aktueller Ladezustandcurrent state of charge
- Pi+1 P i + 1
- Leistungswertpower value
- Pl+2 P l + 2
- weiterer Leistungswertfurther performance value
- ss
- Weg, WegabschnittPath, path section
- REXREX
- Brennstoffzellefuel cell
- ee
- Differenz, EingangssignalDifference, input signal
- Kp K p
- konstanter Termconstant term
- K,K
- Integraltermintegral term
- TSTS
- thermischer Parameterthermal parameter
- ENMENM
- EnergiemanagementeinheitEnergy management unit
- LBLB
- Bedarfswertdemand value
- sp1sp1
- erste Zeitspannefirst period
- sp2sp2
- zweite Zeitspannesecond period
- sp3sp3
- dritte Zeitspannethird period
- AWAW
- Anti-Windup-EinheitAnti-windup unit
- FC-maxFC-max
- maximaler Leistungswertmaximum power value
- FC-minFC-min
- minimaler Leistungswertminimal performance value
- ECUECU
- Steuereinheitcontrol unit
- EDCUEDCU
- elektrische Fahrzeugkontrolleinheitelectric vehicle control unit
- AWRAWR
- AntriebswechselrichterDrive inverter
- BRCBRC
- Bremswiderstandbraking resistor
- APIAPI
- ReserveenergiequelleBackup power source
- HVBHVB
- HochvoltbatterieHigh-voltage battery
- BMSBMS
- Batterie-ManagementsystemBattery Management System
- FCGFCG
- Schnittstelle der BrennstoffzelleInterface of the fuel cell
- f(s)f (s)
- Funktion des LadezustandsFunction of the state of charge
- SWSW
- Schalterswitch
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2015/0053491 A1 [0003]US 2015/0053491 A1 [0003]
- WO 2013/084038 A1 [0005]WO 2013/084038 A1 [0005]
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DE (1) | DE102019003571A1 (en) |
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2019
- 2019-05-22 DE DE102019003571.2A patent/DE102019003571A1/en active Pending
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Legal Events
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |