DE102019214731A1 - Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems (100), welches einen Energiewandler (10) und eine Energiespeichereinheit (20) aufweist, wobei eine von dem Energiesystem (100) geforderte Leistung aus
a) dem Energiewandler (10) oder
b) dem Energiewandler (10) und der Energiespeichereinheit (20) oder
c) der Energiespeichereinheit (20)
bereitgestellt wird,
und wobei
d) die Energiespeichereinheit (20) aufgeladen wird,wenn der Energiewandler (10) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei beim Betreiben des Energiesystems (100) ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (10) optimiert wird, und wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (10) mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) berücksichtigt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch, ein entsprechendes Energiesystem nach dem unabhängigen Systemanspruch sowie bevorzugte Verwendungen des Energiesystems nach dem unabhängigen Verwendungsanspruch.
• Stand der Technik
• Bei hybriden Energiesystemen, die die Leistungsversorgung aus zwei unterschiedlichen Leistungsquellen, wie z. B. einem Energiewandler und einer Energiespeichereinheit, realisieren können, ist für einen möglichst effizienten Betrieb eine Betriebsstrategie erforderlich, welche die Leistungsaufteilung zwischen den beiden Quellen umsetzt. Dieser Vorgang ist auch unter dem Begriff Energiemanagement bekannt. Ein solches hybrides Energiesystem kann bspw. innerhalb eines Brennstoffzellenhybridfahrzeugs ein Brennstoffzellensystem als einen Energiewandler und eine Batterie als eine Energiespeichereinheit aufweisen. Hierbei bestehen folgende Möglichkeiten den Leistungsbedarf des Energiesystems, bspw. zum Antreiben eines Brennstoffzellenhybridfahrzeugs, zu decken:
1. a) aus dem Brennstoffzellensystem oder
2. b) aus dem Brennstoffzellensystem und der Batterie oder
3. c) aus der Batterie. Zudem kann nach einer weiteren Möglichkeit
4. d) die Batterie aufgeladen werden,
wenn das Brennstoffzellensystem mehr als die geforderte Leistung bereitstellt.
• Durch die Leistungsaufteilung innerhalb des Energiesystems ergibt sich im Betrieb des Energiesystems ein Freiheitsgrad und der Betriebspunkt des Energiewandlers kann in einen Bereich mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad verschoben werden.
• Eine Möglichkeit, die Leistungsaufteilung innerhalb des Energiesystems zu realisieren, stellt das ECMS-Regelverfahren (Equivalent Consumption Minimization Strategy) dar. Dabei wird die zugehörige Hamilton-Funktion lokal in Abhängigkeit einer Steuergröße, z. B. einer einstellbaren Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, minimiert. Die Hamilton-Funktion verbindet den Kraftstoffmassenstrom des Energiewandlers, bspw. den Wasserstoffmassenstrom des Brennstoffzellensystems, oder die Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, und die mit einem Regelparameter gewichtete Stromentnahme oder Leistung der Energiespeichereinheit, bspw. der Batterie. Der Gewichtungsfaktor für die Batterieleistung heißt dabei Lagrange-Multiplikator.
• In einem Steuergerät wird die Hamilton-Funktion lokal minimiert, um eine optimale Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, oder um einen optimalen Kraftstoffverbrauch des Energiewandlers, bspw. einen optimalen Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems, zu erhalten. Somit kann der Wirkungsgrad im Betrieb des Energiesystems optimiert werden.
• Die Robustheit dieser Betriebsstrategie ist jedoch stark von dem Gewichtungsfaktor für die Batterieleistung abhängig. Eine geeignete Wahl des Parameters ist somit essenziell für eine gute Performance des Energiesystems. Ist der Gewichtungsfaktor falsch gewählt, führt dies entweder zu einer zu hohen Entladung der Batterie oder zu einer zu hohen Ladung der Batterie. Bei manchen Verfahren wird der Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit des Batterieladezustands adaptiert, d. h. so nachgeführt, dass der Batterieladezustand in einem bestimmten zulässigen Bereich liegt. Die Adaption des Gewichtungsfaktors bringt häufig einen hohen Aufwand mit sich. Außerdem berücksichtigt diese Betriebsstrategie nicht die Alterung der Komponenten des Energiesystems, insbesondere die Alterung des Energiewandlers.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches sowie gemäß einem dritten Aspekt bevorzugte Verwendungen des Energiesystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verwendungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
• Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems, insbesondere eines hybriden Energiesystems, vor, welches einen Energiewandler und eine Energiespeichereinheit aufweist, wobei eine von dem Energiesystem geforderte (elektrische oder mechanische) Leistung aus
1. a) dem Energiewandler oder
2. b) dem Energiewandler und der Energiespeichereinheit (Boosten) oder
3. c) der Energiespeichereinheit bereitgestellt wird, und wobei
4. d) die Energiespeichereinheit aufgeladen wird (Lastpunktanhebung),

wenn der Energiewandler mehr als die geforderte Leistung bereitstellt.
• Erfindungsgemäß wird beim Betreiben des Energiesystems ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers optimiert, wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems berücksichtigt wird.
• Das erfindungsgemäße Energiesystem kann unterschiedliche Leistungsquellen aufweisen. Als Energiewandler sind dabei bspw. ein Brennstoffzellensystem (chemische Energie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt) oder ein Verbrennungsmotor (chemische Energie wird dabei in mechanische Energie umgewandelt) denkbar. Im Falle eines Brennstoffzellensystems als Energiewandler wird die geforderte Leistung als elektrische Leistung bereitgestellt. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Energiewandler wird die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung bereitgestellt.
• Als Energiespeichereinheit ist bspw. eine Batterie (bspw. eine Traktionsbatterie) denkbar, die in Form einer modular aufgebauten, insbesondere wiederaufladbaren, Batterie ausgeführt sein kann. Im Falle eines Brennstoffzellensystems als Energiewandler wird die geforderte Leistung auch von der Energiespeichereinheit als elektrische Leistung bereitgestellt. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Energiewandler wird eine elektrische Leistung von der Energiespeichereinheit an eine Elektromaschine, bspw. in Form eines Riemenstartergenerators, bereitgestellt, um die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung bereitzustellen. Dabei ist es denkbar, dass die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung dem Verbrennungsmotor oder direkt an einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges bereitgestellt wird.
• Das erfindungsgemäße Energiesystem kann vorzugsweise in mobilen Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, wie z. B. einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, oder in stationären Anwendungen, bspw. in einer Generatoranlage, eingesetzt werden.
• Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Leistung des Energiewandlers mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems, insbesondere des gesamten Energiesystems, berücksichtigt wird. Die mindestens eine physikalische Größe des gesamten Energiesystems umfasst vorteilhafterweise Informationen, wie (statische) Eigenschaften und (dynamische) Betriebsparameter, über alle Leistungsquellen des Energiesystems, d. h. Informationen über die Energiespeichereinheit und über den Energiewandler. Die (statischen) Eigenschaften des Energiesystems können technische Daten des Energiesystems, insbesondere der Energiespeichereinheit und des Energiewandlers, wie z. B. aktuelle Leistungsgrenzen des Energiewandlers und der Energiespeichereinheit und/oder aktuelle Speicherkapazität der Energiespeichereinheit usw., umfassen. Die (dynamischen) Betriebsparameter des Energiesystems können das Systemverhalten, wie z. B. den Kraftstoffverbrauch des Energiewandlers und die Stromentnahme aus der Energiespeichereinheit, abbilden.
• Die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems, umfassend (statische) Eigenschaften und (dynamische) Betriebsparameter, kann in Abhängigkeit von den Begebenheiten innerhalb des Systems, bspw. Feuchtigkeit, Druck, Temperatur usw., und/oder mit der Zeit, bspw. aufgrund von Alterung, variieren. Die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems kann im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise prädiktiv vorausgesagt werden.
• Im Rahmen der Erfindung können die Regelparameter, insbesondere der Gewichtungsfaktor für die Batterieleistung, im Rahmen des ECMS-Verfahrens adaptiert werden. Die Adaption erfolgt dabei auf Basis von, insbesondere aktuellen, physikalischen Größen (Eigenschaften und Betriebsparameter) des Energiesystems, vorzugsweise des gesamten Energiesystems.
• Mithilfe der Erfindung kann einerseits der Optimierungsaufwand im Rahmen des ECMS-Verfahrens reduziert und andererseits die Robustheit im Betrieb des Energiesystems verbessert werden. Der Optimierungsaufwand kann durch eine gute Anpassung der Regelparameter, sogar in erster Näherung, reduziert werden. Eine Verbesserung der Robustheit kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem auf sich ändernde Systemgrößen (bedingt durch Alterung, Degradation, Systemzustand) mit einer unverzüglichen, feinfühligen Adaption der Regelparameter, insbesondere des Gewichtungsfaktors für die Batterieleistung, reagiert wird. Zusätzlich wird auch die Robustheit gegenüber unterschiedlichen Fahrzyklen verbessert.
• Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folglich:
• - Robuster Betrieb auch bei veränderlichen Systemgrößen (z. B. aufgrund von Alterung, Degradation, Systemzustand),
• - Kausaler Zusammenhang der Regelparameter und der Systemgrößen,
• - Kein oder reduzierter Optimierungsaufwand für die ECMS-Regelparameter,
• - Minimierung des Kraftstoffverbrauchs des Energiewandlers, Maximierung der Leistung des Energiewandlers sowie Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Energiesystems,
• - Flexible Anpassung an die aktuelle Betriebssituation, bspw. an die aktuelle Fahrsituation und/oder an den Fahrer,
• - Einfache Berücksichtigung prädiktiver Daten bei den Systemgrößen.
• Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems mindestens eine Eigenschaft und/oder mindestens einen Betriebsparameter der Energiespeichereinheit und des Energiewandlers umfasst. Auf diese Weise können die Eigenschaften und/oder die Betriebsparameter des gesamten Energiesystems berücksichtigt werden. Somit kann der Betrieb des Energiesystems stets an aktuelle Begebenheiten innerhalb des gesamten Systems, bspw. bedingt durch Alterung, Degradation, Systemzustand usw. der Komponenten, angepasst werden.
• Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass der Energiewandler in Form eines Brennstoffzellensystems oder eines Verbrennungsmotors ausgeführt ist. Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die Energiespeichereinheit in Form einer Batterie, vorzugsweise einer modular aufgebauten Batterie, insbesondere wiederaufladbaren Batterie, ausgeführt ist. Somit können die Verwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedliche hybride Energiesysteme erweitert werden.
• Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems mindestens eine der folgenden Größen umfasst:
• - (differentieller) Kraftstoffverbrauch oder Leistung des Energiewandlers,
• - (aktuelle) minimale Leistung des Energiewandlers,
• - (aktuelle) maximale Leistung des Energiewandlers.
• Somit kann die mindestens eine physikalische Größe des Energiewandlers, umfassend aktuelle (statische) Eigenschaften und/oder (dynamische) Betriebsparameter des Energiewandlers, berücksichtigt werden.
• Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems mindestens eine der folgenden Größen umfasst:
• - Stromentnahme aus oder Leistung der Energiespeichereinheit,
• - Nennkapazität der Energiespeichereinheit,
• - Leerlaufspannung der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit eines Ladezustands der Energiespeichereinheit,
• - (aktuelle) maximale Entladeleistung der Energiespeichereinheit,
• - (aktuelle) maximale Ladeleistung der Energiespeichereinheit,
• - (aktueller) Innenwiderstand der Energiespeichereinheit für eine Entladerichtung,
• - (aktueller) Innenwiderstand der Energiespeichereinheit für eine Laderichtung,
• - (aktueller) minimaler Ladezustand der Energiespeichereinheit,
• - (aktueller) maximaler Ladezustand der Energiespeichereinheit.
• Somit kann die mindestens eine physikalische Größe des Energiewandlers, umfassend aktuelle (statische) Eigenschaften und/oder (dynamische) Betriebsparameter der Energiespeichereinheit, berücksichtigt werden.
• Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems prädiktiv ermittelt wird. Bei mobilen Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, können für eine prädiktive Ermittlung Wetterdaten, Navigationsdaten, Erfahrungswerte, Benutzereinstellungen, Fahrtenbücher und/oder Kalenderdaten berücksichtigt werden. Die Wetterdaten und/oder Navigationsdaten können z. B. aus einem Navigationssystem des Fahrzeuges und/oder aus einem verbunden mobilen Gerät eines Benutzers, wie z. B. einem Smartphone, und/oder über einen externen Dienst erhalten oder aktiv abgefragt werden. Wenn bspw. eine steigende Strecke auf der Route des Fahrzeuges ermittelt wird, auf der der Energiewandler unterstützt werden sollte, kann ein Boosten des Energiewandlers geplant werden. Auf einer abfallenden Strecke kann wiederum der Energiewandler mehr Leistung produzieren als für den Betrieb des Fahrzeuges erforderlich ist, sodass ein Laden der Energiespeichereinheit geplant werden kann. Erfahrungswerte können Daten über den Fahrstil und/oder die Gewohnheiten eines Benutzers umfassen. Mithilfe der Erfahrungswerte kann voraussagt werden, wann der Benutzer welche Strecken abfährt und wann ein Boosten der Energiespeichereinheit gewünscht oder wann eine Lastpunktanhebung des Energiewandlers möglich ist. Benutzereinstellungen können wertvolle Informationen darüber liefern, wann und wie die Leistung im Energiesystem aufgeteilt werden kann. Fahrtenbücher können ebenfalls helfen, den Fahrstil, die Fahrdaten und/oder die Gewohnheiten eines Benutzers zu erfassen, die hilfreich beim Voraussagen über die Aufteilung der Leistung im Energiesystem sein können. Kalenderdaten können ebenfalls hilfreich sein, um Voraussagen über die Aufteilung der Leistung im Energiesystem treffen zu können. Bei stationären Anwendungen, z. B. in Generatoranlagen, können für eine prädiktive Ermittlung Wetterdaten, Erfahrungswerte, Benutzereinstellungen, und/oder Kalenderdaten berücksichtigt werden.
• Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin ein Energiesystem, insbesondere ein hybrides Energiesystem, vor, welches einen Energiewandler und eine Energiespeichereinheit aufweist, wobei eine von dem Energiesystem geforderte Leistung aus
1. a) dem Energiewandler oder
2. b) dem Energiewandler und der Energiespeichereinheit oder
3. c) der Energiespeichereinheit bereitgestellt wird, und wobei
4. d) die Energiespeichereinheit aufgeladen wird,

wenn der Energiewandler mehr als die geforderte Leistung bereitstellt. Gemäß der Erfindung ist eine Steuereinheit zum Betreiben des Energiesystems vorgesehen, um einen Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers zu optimieren, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems zu berücksichtigen.
• Mithilfe des erfindungsgemäßen Energiesystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
• Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit dazu ausgeführt sein, das Energiesystem nach einem Verfahren zu betreiben, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
• Ferner kann die Erfindung bei einem Energiesystem eine Speichereinheit vorsehen, in welcher die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems in Form einer Kennlinie oder eines Kennfeldes hinterlegt ist. Somit kann für die Regelung der Leistungsaufteilung eine gemessene Ist-Größe, bspw. ein Referenzladezustand der Energiespeichereinheit, auf eine einfache Weise mit einer einstellbaren Soll-Größe, bspw. Zielleistung des Energiewandlers, verbunden werden.
• Die vorliegende Erfindung sieht des Weiteren die Verwendung eines Energiesystems in einer mobilen Umgebung, bspw. in einem Fahrzeug, oder in einer stationären Umgebung, bspw. in einer Generatoranlage, vor.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele: Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
• 1 einen beispielhaften Aufbau eines Energiesystems im Sinne der Erfindung,
• 2 eine Hamilton-Funktion zur Optimierung der Leistung eines Energiewandlers im Sinne der Erfindung,
• 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines konventionellen Verfahrens in einem Energiesystem im Sinne der Erfindung,
• 4 eine Funktion eines Proportionalanteils eines Gewichtungsfaktors für die Batterieleistung im Sinne der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Ansatz,
• 5 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors für die Batterieleistung im Sinne der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Ansatz,
• 6 ein Diagramm einer Systemalterung im Sinne der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Ansatz, und
• 7 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Energiesystem im Sinne der Erfindung.
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
• Die 1 und 7 sollen dazu dienen, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems 100 zu veranschaulichen, welches einen Energiewandler 10 und eine Energiespeichereinheit 20 aufweist.
• Die 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines hybriden Energiesystems 100 im Sinne der Erfindung, welches einen Energiewandler 10 und eine Energiespeichereinheit 20 aufweist, die eine geforderte Leistung an eine Leistungssenke 30 bereitstellen können. Hierzu kann eine von dem Energiesystem 100 geforderte (elektrische oder mechanische) Leistung aus
1. a) dem Energiewandler 10 oder
2. b) dem Energiewandler 10 und der Energiespeichereinheit 20
3. c) der Energiespeichereinheit 20 bereitgestellt werden, wobei
4. d) die Energiespeichereinheit 20 aufgeladen wird,
wenn der Energiewandler 10 mehr als die geforderte Leistung bereitstellt.
• Die Erfindung wird am Beispiel eines Brennstoffzellensystems BZS als Energiewandler 10 und einer Batterie Bat als Energiespeichereinheit 20 erklärt. Die Erfindung ist jedoch auch auf unterschiedliche Hybridsysteme (z.B. Verbrennungsmotor-Batterie-Hybrid) übertragbar. Zusätzlich ist eine Anwendung der Erfindung auf stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoranlagen, denkbar.
• An der Leistungssenke 30 wird stets die Leistungsbilanz erfüllt: $$P_{Senke}=P_{BZS}+P_{Bat}$$

  
• Damit ergibt sich für den Betrieb des Energiesystems 100 ein Freiheitsgrad und der Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems BZS kann in einen Bereich mit möglichst hohen Wirkungsgrad verschoben werden.
• Eine Möglichkeit, die Leistungsaufteilung innerhalb des Energiesystems 100 zu realisieren stellt das ECMS-Verfahren (Equivalent Consumption Minimization Strategy) dar. Dabei wird die zugehörige Hamilton-Funktion lokal in Abhängigkeit der Steuergröße (z.B. einstellbare Leistung des Brennstoffzellensystems BZS) minimiert. Diese Funktion besteht aus dem Kraftstoffmassenstrom (Wasserstoffmassenstrom H2) bzw. Leistung der ersten Leistungsquelle (bspw. des Brennstoffzellensystems BZS) und der gewichteten Stromentnahme bzw. Leistung aus der Sekundärleistungsquelle (bspw. der Batterie Bat): $$H\left(P_{BZS}\right)={\dot{m}}_{H_2}\left(P_{BZS}\right)-\lambda \left(t\right)\cdot \frac{I_{Bat}\left(P_{BZS}\right)}{Q_0},$$

  

  wobei die Variablen in der oberen Formel für folgende Größen stehen:
• H Hamilton-Funktion,
• P_BZS Leistung des Brennstoffzellensystems,
• ṁ_H2 Wasserstoff massenstrom,
• λ Lagrange-Multiplikator (Gewichtungsfaktor für die Batterieleistung),
• t Zeit,
• I_Bat Batteriestrom, und
• Qo Kapazität der Traktionsbatterie.
• Teilweise ist die aufgeführte Formel auch in folgendem Zusammenhang bekannt: $$H\left(P_{BZS}\right)=P_{BZS}+s\cdot P_{Bat}$$

  
• Dabei entspricht s wiederum einem Gewichtungsfaktor, der die sog. Kosten für eine Leistungsabgabe aus oder Leistungsaufnahme in der Batterie Bat bewertet. Die beiden Beschreibungen für die Hamilton-Funktion sind jedoch äquivalent und in einander überführbar.
• In einer Steuereinheit 101 (vgl. 3 für ein konventionelles Verfahren und 7 für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems 100) wird die Hamilton-Funktion lokal minimiert, um die optimale Brennstoffzellensystemleistung zu erhalten, wie dies die 2 zeigt. Dadurch wird die aktuelle Energieeffizienz innerhalb des Energiesystems 100 optimiert bzw. die optimale Leistung des Energiewandlers 10 berechnet und eingestellt.
• Die Robustheit dieser Methode ist jedoch stark abhängig von dem Gewichtungsfaktor λ(t). Eine gute Wahl des Gewichtungsfaktors λ(t) ist dabei essentiell für eine gute Performance des Energiesystems 100 und hohe Robustheit der Methode. Ist der Gewichtungsfaktor λ(t) falsch gewählt, führt dies entweder zu einer zu hohen Entladung der Batterie Bat oder zu einer zu hohen Ladung der Batterie Bat.
• Aus diesem Grund wird zum aktuellen Stand der Technik eine Adaption des Parameters in Abhängigkeit des Batterieladezustands (State of Charge, SoC) mithilfe eines Pl-Reglers vorgenommen, wie dies die 3 andeutet. Dabei wird der Parameter λ(t) so nachgeführt, dass der Batterieladezustand in einem bestimmten SoC-Bereich um einen Referenzladezustand SoCref der Batterie Bat betrieben wird: $$\lambda \left(t\right)={\lambda }_0-k_P\cdot \left(So{C}_{ref}-SoC\left(t\right)\right)-k_I{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\left(So{C}_{ref}-SoC\left(\tau \right)\right)}d\tau$$

  
• Um eine hohe Robustheit bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Fahrzyklen und Use-Cases zu erreichen, ist eine Optimierung der Parameter λ₀, k_P und k_I erforderlich, die häufig einen hohen Aufwand mit sich bringt. Sollte das hybride Energiesystem 100 Alterung unterliegen, könnte eine fehlende Anpassung der Parameter zu einer Reduzierung der Robustheit beim Betreiben des Energiesystems 100 führen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Energiesystems 100 basiert auf einem ECMS-Regelverfahren mit einer verbesserten adaptiven Anpassung des Gewichtungsfaktors λ(t).
• Gemäß der Erfindung wird beim Betreiben des Energiesystems 100 ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers 10 optimiert (vgl. Schritt 1) der 7), wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers 10 mindestens eine physikalische Größe e, p des Energiesystems 100 berücksichtigt wird (vgl. Schritt 2) in 7).
• Mit anderen Worten wird gemäß der Erfindung der Gewichtungsfaktor λ(t) auf Basis des Systemverhaltens und der Systemgrößen e, p, umfassend z. B. Leistungsgrenzen P_max, P_min des Brennstoffzellensystems BZS und der Batterie Bat, adaptiv angepasst.
• Mithilfe der Erfindung kann einerseits der Optimierungsaufwand reduziert und andererseits die Robustheit des Verfahrens zum Betreiben des Energiesystems 100 verbessert werden. Eine Verbesserung der Robustheit kann dadurch erreicht werden, indem auf sich ändernde Systemgrößen e, p (bedingt durch Alterung, Degradation, Systemzustand) mit einer Adaption des λ₀- und k_P-Wertes reagiert wird. Zusätzlich wird auch die Robustheit gegenüber unterschiedlichen Fahrzyklen verbessert. Dabei wird sowohl der λ₀-Parameter als auch der k_P-Parameter des Reglers auf Basis von physikalischen Zusammenhängen innerhalb des, insbesondere gesamten, Energiesystems 100 beschrieben und basieren auf Systemgrößen e, p und aktuell auftretenden Maximal- und Minimalwerte der Leistungsquellen 10, 20. Dadurch verringert sich zusätzlich der Optimierungsaufwand für eine Optimierung der Parameter λ₀, k_P, kI um mindestens eine Dimension. Ist eine mittlere Leistungsanforderung für den einzelnen Anwendungsfall bekannt, kann der λ₀-Parameter ebenfalls ohne Optimierung festgelegt werden, sodass sich der Optimierungsaufwand nochmals um eine Dimension reduziert. Aufgrund der verbesserten Robustheit kann auch auf einen k_I-Anteil verzichtet werden, sodass sogar eine Optimierung der benötigten Parameter λ₀, k_P, k_I komplett entfallen kann.
• Der Kern der Erfindung kann somit wie folgt zusammengefasst werden:
• - Die Adaption der Regelparameter λ₀, k_P, k_I auf Basis von physikalischen Größen e, p des Energiesystems 100 (z. B. technischen Daten bzw. (statischen) Eigenschaften e und den (dynamischen) Betriebsparametern p des hybriden Energiesystems 100).
• Die Regelungsparameter benötigen zur Adaption die folgenden physikalischen Größen e, p des hybriden Energiesystems 100. Diese können in Form von Kennlinien/-feldern, bspw. in einer Speichereinheit 102, die schematisch in der 7 gezeigt ist, hinterlegt sein, aus Kennlinien/-feldern mithilfe einer Berechnungsvorschrift berechnet werden, oder aus Messwerten gewonnen werden.
• Denkbar sind im Sinne der Erfindung folgende physikalische Größen e, p des hybriden Energiesystems 100.
• Eigenschaft e des Energiewandlers 10:
• - Differentieller Wasserstoffverbrauch P_BZS∂m^· _H2(P_BZS)/∂P_BZSin Abhängigkeit der abgegebenen Brennstoffzellensystemleistung P_BZS.
• Betriebsparameter p des Energiewandlers 10:
• - Minimale Brennstoffzellensystemleistung P_BZS,min,
• - Maximale Brennstoffzellensystemleistung P_BZS,max.
• Eigenschaft e der Energiespeichereinheit 20:
• - Nennkapazität Q₀ der Batterie,
• - Leerlaufspannung U_Bat,0 (SOC) der Batterie in Abhängigkeit des Ladezustands SOC,
• - Aktuell maximale Entladeleistung P_Bat,ent,max (SoC) der Batterie,
• - Aktuell maximale Ladeleistung P_Bat,iad,max (SoC) der Batterie,
• - Aktueller Innenwiderstand R_i,Bat (SoC) der Batterie (sowohl für die Entlade- als auch die Laderichtung),
• - Aktuell minimaler Ladezustand SoCmin und maximaler Ladezustand SoCmax der Batterie.
• Betriebsparameter p der Energiespeichereinheit 20:
• - Stromentnahme I aus oder Leistung U*I der Batterie.
• Weiterhin können Informationen notwendig sein, wie z. B.:
• - Referenz-Ladezustand SoCref der Batterie als Führungsgröße für den Regler,
• - Brennstoffzellensystem-Leistung P_BZS,0 am Ziel-Ladezustand SoCo der Batterie.
• Nun kann auf Basis dieser zuvor definierten messbaren, berechneten oder in Kennlinien bzw. Kennfeldern hinterlegten Größen e, p auf Basis eines analytischen Zusammenhangs sowohl der Wert für λ₀ als auch der kp-Parameter abgeleitet werden. Aufgrund der laufenden Veränderung mancher Größen (wie z.B. der maximalen Lade- bzw. Entladeleistung) ist eine laufende Anpassung dieser Parameter wie folgt möglich: $${\lambda }_0=-\frac{\partial {\dot{m}}_{H_2}}{\partial P_{BZS}}|{}_{P_{BZS}=P_{BZS\mathrm{,0}}}\cdot Q_0\cdot U_{Bat\mathrm{,0}}\left(So{C}_0\right)$$

  

  mit den aktuellen Grenzwerten λ_max, λ_min für den Gewichtungsfaktor λ(t): $$\begin{array}{c}{\lambda }_{max}=-\frac{\partial {\dot{m}}_{H_2}}{\partial P_{BZS}}|{}_{P_{BZS}=P_{BZS,min}}\cdot Q_0\cdot \sqrt{U_{Bat\mathrm{,0}}^2\left(SoC\right)-4\cdot P_{Bat,ent,max}\left(SoC\right)\cdot R_i\left(SoC\right)}\\ {\lambda }_{min}=-\frac{\partial {\dot{m}}_{H_2}}{\partial P_{BZS}}|{}_{P_{BZS}=P_{BZS,max}}\cdot Q_0\cdot \sqrt{U_{Bat\mathrm{,0}}^2\left(SoC\right)-4\cdot P_{Bat,lad,max}\left(SoC\right)\cdot R_i\left(SoC\right)}\end{array}$$

  

  
  SoC₀ und P_BZS,0 beschreiben dabei den Ladezustand der Batterie und die Brennstoffzellensystemleistung im Auslegungspunkt, welche für die Ableitung des Initial-Wertes λ₀ verwendet wurden. Mithilfe der jeweiligen Grenzen Amin und Amax können nun die entsprechenden adaptiven k_P-Werte berechnet werden: $$k_P\left(t\right)\{\begin{array}{c}\frac{{\lambda }_0-{\lambda }_{max}\left(t\right)}{{\left(So{C}_{ref}-So{C}_{max}\right)}^2},SoC\left(t\right)>So{C}_{ref}\wedge So{C}_{ref}<So{C}_{max}\\ \frac{{\lambda }_0-{\lambda }_{min}\left(t\right)}{{\left(So{C}_{ref}-So{C}_{min}\right)}^2},SoC\left(t\right)\ge So{C}_{ref}\wedge So{C}_{ref}<So{C}_{min}\end{array}$$

  
• Der zeit- und ladezustandsabhängige Gewichtungsfaktor λ(t) kann demnach über das folgende Reglergesetz gebildet werden: $$\lambda \left(t\right)={\lambda }_0-k_P\left(t\right)\cdot {\left[So{C}_{ref}-SoC\left(t\right)\right]}^2$$

  
• Ein solches Reglerverhalten ist einerseits adaptiv, da es auf Veränderungen innerhalb des Energiesystems 100 reagiert und andererseits robust, da über die λ_min-Werte und λ_max-Werte die jeweiligen aktuellen Grenzen Energiesystems 100 berücksichtigt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Verhalten auf einfache Weise mit prädiktiven Daten (z.B. SoC_ref oder P_BZS,ref) zu erweitern (vgl. Schritt 3) in der 7).
• Daraus folgt ein SoC-abhängiger Verlauf des Proportionalanteils des Gewichtungsfaktors λ(t). Dies ist beispielhaft und qualitativ in der 4 abgebildet. Die durchgezogenen Linien stellen in der 4 den Verlauf der adaptiven k_P-Werte für die jeweiligen Werte > SoC_ref und < SoC_ref dar. Gestrichelt ist der konstante k_P-Wert des konventionellen Ansatzes dargestellt. Als SOC_ref wurde dabei ein Wert von 55 % verwendet.
• Aus der 4 ist ersichtlich, dass diese Proportionalanteile im Rahmen der Erfindung sich im Gegensatz zur konventionellen Variante ebenfalls in Abhängigkeit von SoC_ref und weiteren Randbedingungen im Energiesystem 100 ändern. Aufgrund des quadratischen Ansatzes tritt ein Sprung im Verlauf des k_P-Wertes auf.
• Aus dieser Adaption/Herleitung auf Basis der physikalischen Größen e, p des Energiesystems 100, ergeben sich Vorteile für eine Optimierung des λ₀-Parameters. Die Optimierung wird dadurch auf ein lediglich 1-dimensionalen Optimierungsraum reduziert, sodass eine schnellere Konvergenz erreicht werden kann.
• Allerdings kann der λ₀-Wert für ein bestimmtes Energiesystem 100, mit dem Ziel es möglichst in der Nähe des Wirkungsgradoptimums zu betreiben, direkt aus dem Wirkungsgradbestpunkt abgeleitet werden. Dies ist in der 5 Diagramm anhand des Punktes λ₀ ^OPTIMUM beispielhaft abgebildet. J_HC beschreibt dabei den Mehrverbrauch grün. dem globalen Optimum (nur bei vollständiger Prädiktion erreichbar) in %. Auf der Ordinate ist die mittlere stationäre Abweichung J_SoC des Ladezustands ggü. des Referenz-Ladezustands in % aufgetragen.
• Aus der 5 ist zudem ersichtlich, dass ohne viel Aufwand eine höhere Effizienz erreicht werden kann. Darüber hinaus konnte in einzelnen Untersuchungen herausgefunden werden, dass die Robustheit bei Variation der Fahrzyklen höher ist, als beim herkömmlichen Ansatz.
• Ein Vergleich, wie sich der Betrieb mit der Zeit verändern würde, falls die Batterie altert, zeigt die 6. Bei dem konventionellen Ansatz bleiben die Parameter auch bei einem gealterten System unverändert, während bei einem adaptiven Ansatz die Parameter angepasst werden und damit eine weniger starke Verschlechterung aufgrund der Betriebsführung zu erwarten ist. Dies wird durch das Auseinanderdriften der beiden korrespondierenden Punkte in der 6 verdeutlicht.
• Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems (100), welches einen Energiewandler (10) und eine Energiespeichereinheit (20) aufweist, wobei eine von dem Energiesystem (100) geforderte Leistung aus a) dem Energiewandler (10) oder b) dem Energiewandler (10) und der Energiespeichereinheit (20) oder c) der Energiespeichereinheit (20) bereitgestellt wird, und wobei d) die Energiespeichereinheit (20) aufgeladen wird, wenn der Energiewandler (10) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei beim Betreiben des Energiesystems (100) ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (10) optimiert wird, und wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (10) mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) mindestens eine Eigenschaft (e) und/oder mindestens einen Betriebsparameter (p) der Energiespeichereinheit (20) und des Energiewandlers (10) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (10) in Form eines Brennstoffzellensystems oder eines Verbrennungsmotors ausgeführt ist, und/oder dass die Energiespeichereinheit (20) in Form einer Batterie, vorzugsweise einer modular aufgebauten Batterie, insbesondere wiederaufladbaren Batterie, ausgeführt ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) mindestens eine der folgenden Größen umfasst: - Kraftstoffverbrauch ṁ(P) oder Leistung (P) des Energiewandlers (10), - minimale Leistung (P_min) des Energiewandlers (10), - maximale Leistung (P_max) des Energiewandlers (10).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) mindestens eine der folgenden Größen umfasst: - Stromentnahme aus oder Leistung der Energiespeichereinheit (20), - Nennkapazität (Qo) der Energiespeichereinheit (20), - Leerlaufspannung (U₀) der Energiespeichereinheit (20) in Abhängigkeit eines Ladezustands (SOC) der Energiespeichereinheit (20), - maximale Entladeleistung (P_{ent, max}) der Energiespeichereinheit (20), - maximale Ladeleistung (P_{lad, max}) der Energiespeichereinheit (20), - Innenwiderstand R_i,ent der Energiespeichereinheit (20) für eine Entladerichtung, - Innenwiderstand R_i,lad der Energiespeichereinheit (20) für eine Laderichtung, - minimaler Ladezustand (SOC_min) der Energiespeichereinheit (20), - maximaler Ladezustand (SOC_max) der Energiespeichereinheit (20).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) prädiktiv ermittelt wird.
7. Energiesystem (100), welches einen Energiewandler (10) und eine Energiespeichereinheit (20) aufweist, wobei eine von dem Energiesystem (100) geforderte Leistung aus a) dem Energiewandler (10) oder b) dem Energiewandler (10) und der Energiespeichereinheit (20) oder c) der Energiespeichereinheit (20) bereitgestellt wird, und wobei d) die Energiespeichereinheit (20) aufgeladen wird, wenn der Energiewandler (10) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei eine Steuereinheit (101) zum Betreiben des Energiesystems (100) vorgesehen ist, um einen Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (10) zu optimieren, und wobei die Steuereinheit (101) dazu ausgeführt ist, beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (10) mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) zu berücksichtigen.
8. Energiesystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (101) dazu ausgeführt ist, das Energiesystem (100) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zu betreiben.
9. Energiesystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (102) vorgesehen ist, in welcher die mindestens eine physikalische Größe (e, p) des Energiesystems (100) in Form einer Kennlinie oder eines Kennfeldes hinterlegt ist.
10. Verwendung eines Energiesystems (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 in einer mobilen Umgebung, insbesondere in einem Fahrzeug, oder in einer stationären Umgebung, insbesondere in einer Generatoranlage.

Images