DE102020208502A1

DE102020208502A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102020208502A1
Application number: DE102020208502.1A
Authority: DE
Inventors: Ingo KERKAMM; Sebastian Schmaderer; Maxime Carre; Sebastian Egger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-01-13
Also published as: EP4179589A1; US20230253589A1; CN115777156A; WO2022008177A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von einem systemspezifischen digitalen Zwilling (14) kontrolliert wird, der das Brennstoffzellensystem abbildet.Es wird vorgeschlagen, dass der digital Zwilling (14) in zumindest zwei verschiedenen aktiven Betriebszuständen (16, 18) des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem kontrolliert.

Description

Stand der Technik
In US 2019/0173109 A1 ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen worden, bei welchem das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von einem systemspezifischen digitalen Zwilling kontrolliert wird, der das Brennstoffzellensystem abbildet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von einem systemspezifischen digitalen Zwilling kontrolliert wird, der das Brennstoffzellensystem abbildet.
Es wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling in zumindest zwei verschiedenen aktiven Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem kontrolliert. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit zu einer Umsetzung eines Brennstoffs und/oder zu einer Elektrolyse eines Elektrolysestoffs, insbesondere Wasser. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) und/oder eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Optional umfasst die Brennstoffzelleneinheit mehrere Brennstoffzellen, welche beispielsweise in einem Stack oder einem Verbund von Stacks angeordnet sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Versorgungseinheit zu einer Handhabung von Betriebsfluiden des Brennstoffzellensystems, insbesondere zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit den Betriebsfluiden und/oder zu einer Weiterleitung von aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Betriebsfluiden. Betriebsfluide umfassen beispielsweise den Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Fluid, insbesondere Umgebungsluft, den Elektrolysestoff, ein Umsetzungsprodukt, insbesondere Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid, ein Elektrolyseprodukt, insbesondere Wasserstoff, und/oder einen Reformierungszusatz, insbesondere Wasserdampf. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine Elektronikeinheit, zu einem Abgriff einer elektrischen Zellspannung und/oder eines elektrischen Zellstroms von der Brennstoffzelleneinheit und/oder zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrischen Zellspannung und/oder einem elektrischen Zellstrom. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Sensoreinheit zu einer Erfassung von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems. Beispiele für von der Sensoreinheit überwachte Betriebsparameter umfassen eine Temperatur der Betriebsfluide, der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Versorgungseinheit, einen Druck der Betriebsfluide, einen Strömungsparameter, insbesondere einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom, der Betriebsfluide, die Zellspannung und/oder den Zellstrom, einen Arbeitspunkt zumindest einer Betriebsfluidfördereinheit, insbesondere eines Kompressors, eines Ventilators und/oder einer Pumpe zur Förderung eines der Betriebsfluide, und/oder eine chemische Zusammensetzung, insbesondere einen Kohlenstoffgehalt, einen Wasserstoffgehalt, ein Verbrennungsluftverhältnis oder dergleichen, eines der Betriebsfluide. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Steuer- oder Regeleinheit. Die Steuer-oder Regeleinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, die Brennstoffzelleneinheit auf einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit einzustellen und/oder zu halten. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell programmiert, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit die Versorgungseinheit und/oder die Elektronikeinheit, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit zu erreichen und/oder zu halten. Vorzugsweise verwertet die Steuer- oder Regeleinheit die von der Sensoreinheit erfassten Betriebsparameter, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit zu erreichen und/oder zu halten. Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Besonders bevorzugt ist die Steuer- oder Regeleinheit als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl.: PLC) ausgebildet.
Der digitale Zwilling umfasst mehrere Datensätze mit beispielsweise Einzeldaten, Kennlinien, Rechenvorschriften, mathematischen Modellen, Korrelationen oder dergleichen über das Brennstoffzellensystem. Der digitale Zwilling umfasst vorzugsweise zumindest einen Datensatz, welcher spezifisch für das Brennstoffzellensystem individuell erfasst wurde. Beispielsweise umfasst der digitale Zwilling zumindest einen Datensatz, der ein Material des Brennstoffzellensystems beschreibt. Beispielsweise umfasst der digitale Zwilling zumindest einen Datensatz, der eine Herstellung des Brennstoffzellensystems beschreibt und/oder bei einer Herstellung erfasste Daten über das Brennstoffzellensystem umfasst. Beispielsweise umfasst der digitale Zwilling zumindest einen Datensatz, der ein Design des Brennstoffzellensystems beschreibt. Beispielsweise umfasst der digitale Zwilling zumindest einen Datensatz, der ein Kommissionieren des Brennstoffzellensystems beschreibt. Beispielsweise umfasst der digitale Zwilling zumindest einen Datensatz, der einen regulären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems beschreibt. Der digitale Zwilling wertet die Datensätze, insbesondere unter Berücksichtigung der von der Sensoreinheit erfassten Betriebsparameter, in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens zu einer Beschreibung und/oder Charakterisierung des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems aus. Insbesondere ist der digitale Zwilling dazu vorgesehen, nicht-erfasste Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems zu ermitteln. Optional ist der digitale Zwilling dazu vorgesehen, ein Verhalten des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einer simulierten Veränderung eines der Betriebsparameter, im Voraus abzuschätzen. Insbesondere ist der digitale Zwilling dazu vorgesehen, geeignete Sollwerte der Betriebsparameter zu ermitteln, um ein vorgegebenes Verhalten des Brennstoffzellensystems zu realisieren. Der digitale Zwilling wird mittels zumindest einer Recheneinheit und zumindest einer Datenbank des Brennstoffzellensystems implementiert. Besonders bevorzugt sind die Recheneinheit und die Datenbank in dieselbe digitale Umgebung eingebettet. Unter einer „Recheneinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Recheneinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Bevorzugt ist die Recheneinheit dezentral ausgebildet und umfasst insbesondere mehrere physisch beabstandete Rechenelemente und/oder eine Kommunikationseinheit, insbesondere einen leitungsgebundenen und/oder drahtlosen, insbesondere funkwellengebundenen, Netzwerkadapter zu einem Datenaustausch mit weiteren Recheneinheiten, insbesondere derselben digitalen Umgebung. Besonders bevorzugt ist die Recheneinheit zu einem cloudbasierten Implementieren des digitalen Zwillings vorgesehen. Alternativ sind die Bauteile der Recheneinheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Eine aktive Handlung des digitalen Zwillings, beispielsweise ein Kontrollieren, ein Abbilden, ein Aktivieren, ein Steuern oder dergleichen, wird insbesondere von der Recheneinheit ausgeführt. Die Datensätze, die der digitale Zwilling umfasst, sind in dem Speicher der Recheneinheit und/oder der Datenbank hinterlegt und/oder werden von dem digitalen Zwilling nach einer Abfrage von einer externen Quelle und/oder von der Sensoreinheit dort hinterlegt und/oder aktualisiert. Darunter, dass „der digitale Zwilling das Brennstoffzellensystem beschreibt“ soll insbesondere verstanden werden, dass der digitale Zwilling zumindest die Brennstoffzelleneinheit, die Versorgungseinheit und/oder die Elektronikeinheit beschreibt. Optional umfasst der digitale Zwilling zusätzlich zumindest einen Datensatz, welcher Signalwege zwischen der Recheneinheit, Stellelementen der Versorgungseinheit, Stellelementen der Elektronikeinheit, der Sensoreinheit und/oder der Steuer- oder Regeleinheit beschreibt. Optional umfasst der digitale Zwilling zusätzlich zumindest einen Datensatz, welcher einen Einsatzort des Brennstoffzellensystems beschreibt.
Eine Kontrolle des Brennstoffzellensystems durch den digitalen Zwilling umfasst zumindest eine passive Überwachung eines Betriebs des Brennstoffzellensystems und vorzugsweise in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine aktive Steuerung des Brennstoffzellensystems durch den digitalen Zwilling, insbesondere vermittelt über die Steuer- oder Regeleinheit. Besonders bevorzugt übermittelt der digitale Zwilling zu einem Kontrollieren des Brennstoffzellensystems Steuersignale oder Datensignale an die Steuer- oder Regeleinheit, welche ihrerseits in Abhängigkeit von diesen Signalen das Brennstoffzellensystem steuert. Vorzugsweise überwacht der digitale Zwilling das Brennstoffzellensystem passiv, wenn sich dieses in einem regulären Betriebszustand befindet. Vorzugsweise steuert der digitale Zwilling das Brennstoffzellensystem, wenn sich dieses in einem irregulären Betriebszustand befindet. Unter einem „regulären Betriebszustand“ soll insbesondere ein aktiver Betriebszustand verstanden werden, bei welchem die Betriebsparameter, insbesondere eine Leistung, innerhalb eines Toleranzbandes um einen jeweiligen Sollwert für den Betriebsparameter konstant gehalten werden können. Irreguläre Betriebszustände umfassen beispielhaft ein Kommissionieren, ein Anfahren, ein Herunterfahren und/oder einen Fehlerzustand des Brennstoffzellensystems. Ein Kommissionieren des Brennstoffzellensystems umfasst insbesondere eine Erstinbetriebnahme, ein Einstellen, eine Feinjustage und/oder ein Kalibrieren des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem genau einen digitalen Zwilling. Alternativ umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest einen weiteren, insbesondere zu dem digitalen Zwilling redundanten, digitalen Zwilling, insbesondere als Backup-System, zu einer gegenseitigen Kontrolle und/oder zu einem Vergleich zwischen einem aktuellen, insbesondere gealterten, Zustand und einem historischen, insbesondere neuwertigen, Zustand des Brennstoffzellensystems.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann ein einzelner digitaler Zwilling sowohl irreguläre als auch reguläre Betriebszustände des Brennstoffzellensystems abbilden. Ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eine Kontrollelektronik, zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft einfach gehalten werden. Ferner können vorteilhaft umfassende Datensätze, welche die Herstellung, Kommissionierung und das Laufzeitverhalten umfassen, erstellt und genutzt werden. Hierdurch ist ein vorteilhaft stabiler Betrieb, ein vorteilhaft geringes Verschleißrisiko, eine vorteilhaft individuelle Feineinstellung, einen vorteilhaft präzise Vorhersage einer Lebensdauer und/oder einer Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems und/oder des Gesamtsystem, eine vorteilhaft kurz Kommissionierungszeit und/oder eine vorteilhaft schnelle Reaktion auf einen Fehlerzustand des Brennstoffzellensystems erreichbar.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling in zumindest einem Verfahrensschritt einen rechentechnischen Aufwand zum Abbilden des Brennstoffzellensystems abhängig von dem aktuellen aktiven Betriebszustand des Brennstoffzellensystems einstellt. Vorzugsweise erhöht der digitale Zwilling den Aufwand zum Abbilden des Brennstoffzellensystems, wenn das Brennstoffzellensystem von einem regulären Betriebszustand in einen irregulären Betriebszustand wechselt. Vorzugsweise reduziert der digitale Zwilling den Aufwand zum Abbilden des Brennstoffzellensystems, wenn das Brennstoffzellensystem von einem irregulären Zustand in einen regulären Zustand wechselt. Insbesondere wechselt der digitale Zwilling zwischen einem, insbesondere einfachen, Grundmodell und zumindest einem komplexen Modell. Bei einem Einstellen des Aufwands zum Abbilden des Brennstoffzellensystems stellt der digitale Zwilling beispielsweise eine Anzahl der berücksichtigten Datensätze der Datenbank, eine maximal zu verwendende Datenverarbeitungszeit eine, insbesondere zeitliche, Schrittweite eines Iterationsverfahrens, und/oder eine Präzision einer Berechnung ein. Insbesondere aktiviert oder deaktiviert der digitale Zwilling zu einer Einstellung des Aufwands rechentechnische Zusatzmodule des digitalen Zwillings, welche das Grundmodell zu dem komplexen Modell erweitern. Insbesondere ist der Aufwand zum Abbilden des Systems gegeben durch die Anzahl an Rechenvorschriften, die von der Recheneinheit pro Eingangsdaten ausgeführt werden. Beispielsweise werden in dem Grundmodell im Vergleich zum komplexen Modell bestimmte Betriebsparameter nicht ermittelt oder eine Berechnung durch einen Mittelwert ersetzt, numerische Verfahren mit weniger Iterationen oder weniger engen Konvergenzkriterien ausgeführt oder durch weniger systemspezifische Funktionen ersetzt, weniger Glieder in mathematischen Reihen, insbesondere polynomen Regressionsfunktionen, ausgewertet oder dergleichen. Beispielsweise werden in dem komplexen Modell im Vergleich zum Grundmodell zusätzliche Betriebsparameter ermittelt oder Mittelwerte durch Berechnungen ersetzt, numerische Verfahren mit mehr Iterationen oder engeren Konvergenzkriterien ausgeführt, systemunspezifische Funktionen durch numerische Verfahren ersetzt, mehr Glieder in mathematische Reihen, insbesondere polynomen Regressionsfunktionen, ausgewertet oder dergleichen.
Ein Übergang zwischen dem Grundmodell und dem komplexen Modell kann in mehreren Einzelschritten erfolgen oder sprunghaft durchgeführt werden. Beispielsweise erhöht der digitale Zwilling den Aufwand solange, bis das von ihm erstellte Abbild mit den durch die Sensoreinheit erfassten Betriebsparametern im Einklang steht. Beispielsweise reduziert der digitale Zwilling den Aufwand, solange das von ihm erstellte Abbild mit den durch die Sensoreinheit erfassten Betriebsparametern noch im Einklang steht. Optional berücksichtig der digitale Zwilling unterschiedliche zusätzliche Datensätze in Abhängigkeit von der Art des irregulären Zustands. Alternativ wechselt der digitale Zwilling zwischen einem Minimalaufwand des Grundmodells und einem Maximalaufwand des komplexen Modells ohne Zwischenschritte und/oder ohne Unterscheidung der irregulären Betriebszustände.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann ein vorteilhaft adaptiver digitaler Zwilling für ein Brennstoffzellensystem implementiert werden. Insbesondere kann der digitale Zwilling während eines regulären Betriebs vorteilhaft ressourcenschonend, insbesondere energieschonend, betrieben werden. Insbesondere kann der digitale Zwilling während eines irregulären Betriebs vorteilhaft präzise Vorhersagen und/oder Steuerparameter für die Steuer- oder Regeleinheit erstellen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling eine, insbesondere die bereits genannte, Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems während eines, insbesondere des bereits genannten, irregulären Betriebszustands, insbesondere während eines Kommissionierens und/oder eines Fehlerzustands, des Brennstoffzellensystems mit einzustellenden Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems versorgt. Insbesondere kontrolliert der digitale Zwilling in dem irregulären Betriebszustand das Brennstoffzellensystem via der Steuer- oder Regeleinheit. Vorzugsweise werden in dem irregulären Zustand die mit der Sensoreinheit erfassten Betriebsparameter, insbesondere nur, an den digitalen Zwilling übermittelt. Insbesondere wertet der digitale Zwilling die erfassten Betriebsparameter aus, bevor die Steuer- oder Regeleinheit die erfassten Betriebsparameter zu einer Steuerung oder Regelung des Brennstoffzellensystems verwendet. Die erfassten Betriebsparameter können von dem digitalen Zwilling an die Steuer- oder Regeleinheit weitergeleitet werden oder von der Sensoreinheit an die Steuer- oder Regeleinheit übermittelt werden und von dem digitalen Zwilling freigegeben werden. Der digitale Zwilling gibt der Steuer- oder Regeleinheit in dem irregulären Zustand vorzugsweise einen Sollwert, eine Anpassung eines aktuellen Sollwerts und/oder eine Toleranzabweichung von dem Sollwert vor, insbesondere um den irregulären Betriebszustand in den regulären Betriebszustand zu überführen. Der digitale Zwilling kann die einzustellenden Betriebsparameter als Einzeleingriff in die Steuerung oder Regelung der Steuer- oder Regeleinheit punktuell oder zur Vorgabe eines Verlaufs kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen vorgeben. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft schnell auf einen Fehlerzustand des Brennstoffzellensystems reagiert werden. Insbesondere kann eine Kommissionierungszeitspanne des Brennstoffzellensystems vorteilhaft kurz gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling während eines, insbesondere des bereits genannten, regulären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem bezüglich Anomalien in erfassten Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems überwacht. In dem regulären Betriebszustand werden die mit der Sensoreinheit erfassten Betriebsparameter zu einer Steuerung oder Regelung direkt an die Steuer- oder Regeleinheit übermittelt. In dem regulären Betriebszustand werden die mit der Sensoreinheit erfassten Betriebsparameter an den digitalen Zwilling übermittelt. In dem regulären Betriebszustand vergleicht der digitale Zwilling die erfassten Betriebsparameter mit dem Grundmodell, mit einem von dem digitalen Zwilling protokolierten Verlauf der erfassten Betriebsparameter, in der Datenbank hinterlegten Grenzwerten für den Betriebsparameter oder dergleichen, um eine Anomalie in den erfassten Betriebsparametern zu erkennen. Eine Anomalie ist insbesondere ein von einem vorgesehenen Verhalten abweichender Wert oder Verlauf des erfassten Betriebsparameters. Insbesondere kann eine Anomalie als Wertversatz, als Abwandern, als Oszillieren, als fehlende Abhängigkeit von einem weiteren Betriebsparameter, als verzögerte Änderung gegenüber einem Einstellungswechsel durch die Steuer- oder Regeleinheit oder dergleichen ausgeprägt sein. Vorzugsweise greift der digitale Zwilling nicht in die Steuerung oder Regelung der Steuer- oder Regeleinheit ein, solange er keine Anomalie erkennt. Durch die erfindungsgemä-ße Ausgestaltung kann vorteilhaft frühzeitig ein Fehlerzustand des Brennstoffzellensystems erkannt werden. Insbesondere kann ein Aufwand, der von dem digitalen Zwilling betrieben wird, vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft einfach, energieeffizient und/oder zeiteffizient gehalten werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der digitale Zwilling eine Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems bei einem Erkennen einer Anomalie in erfassten Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems in einen Fehlerdiagnosezustand versetzt. Insbesondere wechselt der digitale Zwilling beim Erkennen einer Anomalie in das komplexe Modell. Der Fehlerdiagnosezustand ist dazu vorgesehen, denjenigen Fehlerzustand des Brennstoffzellensystems zu identifizieren, der zu der Anomalie geführt hat. Vorzugsweise gibt der digitale Zwilling zu dem Fehlerdiagnosezustand gezielt Betriebsparameteränderungen vor, um den Fehlerzustand zu identifizieren. Im Allgemeinen ist eine Betriebsparameteränderung in dem Fehlerdiagnosezustand nicht dazu vorgesehen, zu dem regulären Betriebszustand zurückzukehren. Insbesondere gibt der digitale Zwilling zu einer Fehlerdiagnose in zumindest einem Verfahrensschritt einzustellende Betriebsparameter vor, bei denen kein regulärer Betriebszustand möglich ist. Optional gibt der digitale Zwilling zu einer Fehlerdiagnose erst solche Betriebsparameteränderungen vor, bei denen ein regulärer Betriebszustand möglich ist. Ergibt die Fehlerdiagnose, dass der Fehlerzustand durch eine Betriebsparameteranpassung behoben werden kann, kann der digitale Zwilling nach der abgeschlossenen Fehlerdiagnose optional eine Rückkehr in den regulären Betriebszustand veranlassen. Alternativ oder zusätzlich gibt der digitale Zwilling ein Ergebnis der Fehlerdiagnose aus, speichert es in der Datenbank und/oder verständigt einen Wartungsdienst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Fehlerzustände des Brennstoffzellensystems vorteilhaft zuverlässig identifiziert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der digitale Zwilling eine Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems bei einem Erkennen einer Anomalie in erfassten Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems in einen Fehlerkompensierungszustand versetzt. Insbesondere ändert der digitale Zwilling in dem Fehlerkompensierungszustand eine Einstellung der Steuer- oder Regeleinheit, um in einen stabilen Betriebszustand, insbesondere den regulären Betriebszustand, zurückzukehren. Einstellungen der Steuer- oder Regeleinheit umfassen beispielsweise einen Grenzwert und/oder einen Toleranzwert für den Betriebsparameter und/oder einen Steuer- oder Regelparameter, insbesondere eine Regelempfindlichkeit und/oder ein relatives Verhältnis von verschiedenen Regelgliedern der Steuer- oder Regeleinheit zueinander. Vorzugsweise erhöht der digitale Zwilling in dem Fehlerkompensierungszustand eine von der Steuer- oder Regeleinheit einstellbare Wertespanne für den Betriebsparameter gegenüber dem regulären Betriebszustand. Führt der Fehlerkompensierungszustand nicht zu einer Rückkehr zu einem stabilen Betriebszustand, insbesondere den regulären Betriebszustand, löst der digitale Zwilling vorzugsweise den Fehlerdiagnosezustand aus. Optional protokolliert der digitale Zwilling bei einer erfolgreichen Fehlerkompensierung die Betriebsparameteränderung, die zum Erfolg geführt hat, insbesondere zu einer späteren Wiederverwendung. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein regulärer Betrieb vorteilhaft lange, insbesondere ohne Bedienereingriff, aufrechterhalten werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere regelmäßig, eine, insbesondere die bereits genannte, Steuer-oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems in einen Testzustand versetzt. Insbesondere führt die Steuer- oder Regeleinheit in dem Testzustand eine definierte Änderung des Betriebsparameters aus, beispielsweise mit einem rechteckförmigen, dreiecksförmigen, sinusförmigen Werteverlauf oder dergleichen. Der digitale Zwilling protokolliert eine Reaktion des Brennstoffzellensystems auf die Änderung. Insbesondere analysiert der digitale Zwilling die Reaktion, um einen bislang nicht erkannten Fehlerzustand, beispielsweise aufgrund von Verschleiß, zu erfassen. Optional passt der digitale Zwilling basierend auf der Reaktion einen Sollwert zumindest eines Betriebsparameters für einen regulären Betriebszustand an. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein aktueller Zustand des Brennstoffzellensystems erfasst und digital protokolliert werden. Insbesondere kann der digitale Zwilling vorteilhaft an den aktuellen Zustand angepasst werden, bevor das Brennstoffzellensystem in einen Fehlerzustand fällt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling in einem irregulären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems eine zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit zu einer Steuerung oder Regelung externer Komponenten aktiviert. Unter „externen Komponenten“ sollen insbesondere Gerätschaften verstanden werden, welche nicht dauerhaft an dem Brennstoffzellensystem angeordnet sind und insbesondere zu einem Kommissionieren und/oder einem Warten des Brennstoffzellensystems an dieses vorübergehend angekoppelt werden. Beispiele für externe Komponenten umfassen ein Gasanalysegerät zu einer Analyse des Brennstoffs oder eines durch die Brennstoffzelleneinheit produzierten Abgases, eine Inertgasversorgungseinheit zu einem Fluten des Brennstoffzellensystems mit Inertgas, eine elektrische Heizung zu einem Temperieren des Brennstoffzellensystems, insbesondere unabhängig von einer Brennstoffverwertung, eine weitere Sensoreinheit zu einer Erfassung der Betriebsparameter an zusätzlichen Messstellen oder dergleichen. Insbesondere ist die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit dazu vorgesehen, die externen Komponenten gemäß einer Vorgabe durch den digitalen Zwilling einzustellen. Vorzugsweise fragt der digitale Zwilling, optional vermittelt über die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit, von den externen Komponenten erfasste Betriebsparameter von den externen Komponenten zu einem Hinterlegen in der Datenbank ab. Insbesondere schränkt der digitale Zwilling während des Kommissionierens einen Wertebereich der durch die Steuer- oder Regeleinheit und/oder die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit einzustellenden Betriebsparameter in Abhängigkeit von den mit der Sensoreinheit oder den externen Komponenten erfassten Betriebsparametern iterativ ein und/oder passt diesen an, insbesondere solange bis ein regulärer Betriebszustand bei einem vorgegeben Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit erreicht ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Kommissionierungszeitspanne vorteilhaft kurz gehalten werden. Insbesondere kann der digitale Zwilling zu einer Fehleranalyse oder zu einer Stabilisierung des regulären Betriebszustands auf vorteilhaft umfängliche Testdaten und Einstellungsdaten zugreifen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der digitale Zwilling in zumindest einem Verfahrensschritt Daten von zumindest einem weiteren Brennstoffzellensystem abruft. Vorzugsweise ruft der digitale Zwilling die Daten mittels der Kommunikationseinheit ab. Der digitale Zwilling ruft die Daten beispielsweise von einer Zentraldatenbank, beispielsweise auf einem Internetserver oder einem lokalen Privatserver ab. Alternativ ruft der digitale Zwilling die Daten direkt von dem weiteren Brennstoffzellensystem, insbesondere dessen digitalen Zwilling, ab. Insbesondere ruft der digitale Zwilling historische Betriebsdaten des weiteren Brennstoffzellensystems ab, um zwischen einem regulären Betriebszustand, kompensierbaren Anomalien der Betriebsparameter und/oder eine Wartung notwendig machenden Anomalien der Betriebsparameter zu unterscheiden. Insbesondere ruft der digitale Zwilling zu kompensierbaren Anomalien die zur erfolgreichen Kompensierung getätigte Betriebsparameteränderung ab. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dem digitalen Zwilling eine vorteilhaft große Datengrundlange zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann der digitale Zwilling Daten von ähnlichen, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellensystemen und oder Brennstoffzellensystemen mit bauglichen Bauteilen verarbeiten.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer, insbesondere der bereits genannten, Recheneinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst die Datenbank. Das Brennstoffzellensystem umfasst die Brennstoffzelleneinheit, die Versorgungseinheit, die Sensoreinheit und die Elektronikeinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst die Steuer- oder Regeleinheit zu einer Steuerung oder Regelung der Versorgungseinheit, der Sensoreinheit und/oder der Elektronikeinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst optional die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit zu einer Steuerung oder Regelung der externen Komponenten. Besonders bevorzugt ist die Steuer- oder Regeleinheit und die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit identisch. Insbesondere sind die Steuer- oder Regeleinheit und die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit durch dasselbe Bauteil des Brennstoffzellensystems realisiert, wobei die Steuer- oder Regeleinheit und die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit insbesondere als verschiedene Betriebszustände dieses Bauteils implementiert sind, wobei ein Wechsel zwischen diesen Betriebszuständen insbesondere von dem digitalen Zwilling gesteuert wird. Alternativ sind die Steuer- oder Regeleinheit und die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit durch zumindest zwei, insbesondere separate, Bauteile realisiert. Das Brennstoffzellensystem umfasst die Kommunikationseinheit zu einem Datenaustausch zwischen der Recheneinheit, der Datenbank, Stellelementen der Versorgungseinheit, Stellelementen der Elektronikeinheit, der Steuer- oder Regeleinheit, der zusätzlichen Steuer- oder Regeleinheit, den externen Komponenten und/oder einem lokalen, regionalen und/oder globalen Netzwerk. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft einfaches Brennstoffzellensystem zur Implementierung eines digitalen Zwillings zur Verfügung gestellt werden, welcher sowohl irreguläre als auch reguläre Betriebszustände des Brennstoffzellensystems abbilden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Betriebsparameterverlaufs im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Recheneinheit 36 zu einer Durchführung eines Verfahrens 10, welches in 2 dargestellt ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 42. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Versorgungseinheit 44 zu einer Handhabung von Betriebsfluiden des Brennstoffzellensystems 12. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Elektronikeinheit 45 zu einem Abgriff einer elektrischen Zellspannung und/oder eines elektrischen Zellstroms von der Brennstoffzelleneinheit 42 und/oder zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 42 mit einer elektrischen Zellspannung und/oder einem elektrischen Zellstrom. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Sensoreinheit 46 zu einer Erfassung von Betriebsparametern 24 (vgl. 2 und 3) des Brennstoffzellensystems 12. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Steuer- oder Regeleinheit 20. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' zu einem Steuern oder Regeln von externen Komponenten 34. Bevorzugt ist die Steuereinheit 20 zusätzlich als zusätzliche Steuereinheit 22 ausgebildet. Alternativ ist die zusätzliche Steuereinheit 22' als von der Steuereinheit 20 separates Bauteil ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Datenbank 38, welche zusammen mit der Recheneinheit 36 zu einer Implementierung eines digitalen Zwillings 14 des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen sind. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest eine Kommunikationseinheit 40 zu einem Datenaustausch zwischen dem digitalen Zwilling 14, der Steuer - oder Regeleinheit 20, der zusätzlichen Steuer- oder Regeleinheit 22, 22', der Sensoreinheit 46, der externen Komponente 34, einem Stellelement der Versorgungseinheit 44, beispielsweise einem Ventil, einem Verdichtermotor, einem elektrischen Heizelement, oder dergleichen, und/oder einem Stellelement der Elektronikeinheit 45, beispielsweise einer Transistorschaltung, einem regelbaren Widerstand, einer Spannungsquelle oder dergleichen.
2 zeigt das Verfahren 10. Das Verfahren 10 ist zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 wird in Abhängigkeit von dem systemspezifischen digitalen Zwilling 14 kontrolliert. Der digitale Zwilling 14 bildet das Brennstoffzellensystem 12 in einem Abbildungsschritt 48 des Verfahrens 10 ab. Der digitale Zwilling 14 kontrolliert in zumindest zwei verschiedenen aktiven Betriebszuständen 16, 18 des Brennstoffzellensystems 12 das Brennstoffzellensystem 12. Der digitale Zwilling 14 ruft in dem Abbildungsschritt 48 Daten von zumindest einem weiteren Brennstoffzellensystem ab. Der digitale Zwilling 14 stellt in zumindest einem Verfahrensschritt einen rechentechnischen Aufwand zum Abbilden des Brennstoffzellensystems 12 abhängig von einem aktuellen aktiven Betriebszustand 16, 18 des Brennstoffzellensystems 12 ein. Insbesondere überprüft der digitale Zwilling 14 in einer Betriebszustandsermittlung 54 des Verfahrens 10, ob sich das Brennstoffzellensystem 12 in einem regulären Betriebszustand 18 oder in einem irregulären Betriebszustand 16 befindet. Der digitale Zwilling 14 verwendet bei einem regulären Betriebszustand 18 ein Grundmodell, welches das Brennstoffzellensystem 12 abbildet. Der digitale Zwilling 14 verwendet bei einem irregulären Betriebszustand 16 ein komplexes Modell, welches das Brennstoffzellensystem 12 abbildet. Vorzugsweise stellt das Grundmodell eine Vereinfachung, insbesondere eine Näherung, des komplexen Modells dar. Insbesondere wertet der digitale Zwilling 14 in dem Abbildungsschritt 48 das Grundmodell oder das komplexe Modell mit den erfassten Betriebsparametern 24 aus und/oder vergleicht mit dem Grundmodell oder dem komplexen Modell ermittelte Erwartungswerte für die Betriebsparameter mit den erfassten Betriebsparametern 24.
In einem Steuerungsermittlungsschritt 56 ermittelt der digitale Zwilling 14, ob er die Steuer- oder Regeleinheit 20 ansteuert und/oder die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' aktiviert. Der digitale Zwilling 14 aktiviert in dem irregulären Betriebszustand 16 des Brennstoffzellensystems 12 die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' zu einer Steuerung oder Regelung der externen Komponenten 34. Der digitale Zwilling 14 versorgt die Steuer- oder Regeleinheit 20 und optional die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' des Brennstoffzellensystems 12 während eines irregulären Betriebszustands 16 des Brennstoffzellensystems 12 mit einzustellenden Betriebsparametern 24 des Brennstoffzellensystems 12. Insbesondere versorgt der digitale Zwilling 14 während eines Kommissionierens 60 des Brennstoffzellensystems 12 die Steuer- oder Regeleinheit 20 und/oder, sofern vorhanden, die zusätzliche Steuer- und Regeleinheit 22, 22' mit einzustellenden Betriebsparametern 24. Optional übernimmt die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' während des Kommissionierens die Aufgaben der Steuer- oder Regeleinheit 20. Insbesondere versorgt der digitale Zwilling 14 während eines Fehlerzustands des Brennstoffzellensystems 12 die Steuer- oder Regeleinheit 20 mit einzustellenden Betriebsparametern 24.
Die Steuer- oder Regeleinheit 20 steuert oder regelt in dem regulären Betriebszustand 18 in einem Steuer- oder Regelschritt 50 die Versorgungseinheit 44 und/oder die Elektronikeinheit 45, insbesondere um einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit 42 zu erreichen und/oder zu halten. Vorzugsweise verwertet die Steuer- oder Regeleinheit 20 die von der Sensoreinheit 46 und/oder den externen Komponenten 34 in einem Erfassungsschritt 52 des Verfahrens 10 erfassten Betriebsparameter 24, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit 42 zu erreichen und/oder zu halten. Insbesondere steuert oder regelt die zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit 22, 22' in einem weiteren Steuer-oder Regelschritt 58 die externe Komponente 34, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit 42 zu erreichen und/oder zu halten. Der digitale Zwilling 14 überwacht während eines regulären Betriebszustands 18 des Brennstoffzellensystems 12 das Brennstoffzellensystem 12 bezüglich Anomalien 26 (vgl. 3) in den erfassten Betriebsparametern 24 des Brennstoffzellensystems 12.
In dem Steuerungsermittlungsschritt 56 versetzt der digitale Zwilling 14 die Steuer- oder Regeleinheit 20 des Brennstoffzellensystems 12 bei einem Erkennen einer Anomalie 26 in den erfassten Betriebsparametern 24 des Brennstoffzellensystems 12 in einen Fehlerkompensierungszustand 30. Insbesondere ändert der digitale Zwilling 14 in dem Fehlerkompensierungszustand 30 Steuer- oder Regelparameter der Steuer- oder Regeleinheit 20, um den regulären Betriebszustand 18 wiederherzustellen. In dem Steuerungsermittlungsschritt 56, insbesondere nach einer erfolglosen Fehlerkompensierung, versetzt der digitale Zwilling 14 die Steuer- oder Regeleinheit 20 des Brennstoffzellensystems 12 bei einem Erkennen einer Anomalie 26 in den erfassten Betriebsparametern 24 des Brennstoffzellensystems 12 in einen Fehlerdiagnosezustand 28. Insbesondere steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 20 in dem regulären Fehlerdiagnosezustand 28 in dem Steuer- oder Regelschritt 50 die Versorgungseinheit 44 und/oder die Elektronikeinheit 45, um eine mögliche Fehlerquelle zu identifizieren, insbesondere zumindest einzuschränken, insbesondere ohne Berücksichtigung des vorgegebenen Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinheit 42. Der digitale Zwilling 14 versetzt in dem Steuerungsermittlungsschritt 56, insbesondere regelmäßig, die Steuer- oder Regeleinheit 20 des Brennstoffzellensystems 12 in einen Testzustand 32. Insbesondere steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 20 in dem Testzustand 32 in dem Steuer- oder Regelschritt 50 die Versorgungseinheit 44 und/oder die Elektronikeinheit 45, um eine definierte Änderung in zumindest einem der Betriebsparameter 24 herbeizuführen, insbesondere sodass der digitale Zwilling 14 eine Reaktion des Brennstoffzellensystems 12 auf die Änderung analysieren kann.
3 zeigt einen Verlauf des Betriebsparameters 24, beispielsweise eine von der Brennstoffzelleneinheit 42 erzeugte elektrische Leistung, in Abhängigkeit von einer Zeit 62. Insbesondere ist die Steuer- oder Regeleinheit 20 dazu vorgesehen, den Betriebsparameter 24 auf einen Sollwert 64 zu bringen und/oder zu halten. In dem Testzustand 32 gibt der digitale Zwilling 14 der Steuer- oder Regeleinheit 20 eine definierte Änderung des Betriebsparameters 24 vor und analysiert eine Reaktion des Brennstoffzellensystems 12 auf die Änderung, insbesondere um einen Verschleiß des Brennstoffzellensystems 12 und/oder eine notwendige Wartung des Brennstoffzellensystems 12 zu erkennen. Bei Erfassung einer Anomalie 26 des Betriebsparameters 24 ändert der digitale Zwilling 14 die der Steuer- oder Regeleinheit 20 vorgegebenen Betriebsparametergrenzwerte, um der Steuer- oder Regeleinheit 20 mehr Spielraum zu einer Rückführung des Brennstoffzellensystems 12 in den regulären Betriebszustand 18 zu gewähren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019/0173109 A1 [0001]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von einem systemspezifischen digitalen Zwilling (14) kontrolliert wird, der das Brennstoffzellensystem abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der digital Zwilling (14) in zumindest zwei verschiedenen aktiven Betriebszuständen (16, 18) des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem kontrolliert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) in zumindest einem Verfahrensschritt einen rechentechnischen Aufwand zum Abbilden des Brennstoffzellensystems abhängig von dem aktuellen aktiven Betriebszustand (16, 18) des Brennstoffzellensystems einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) eine Steuer- oder Regeleinheit (20, 22, 22') des Brennstoffzellensystems während eines irregulären Betriebszustands (16), insbesondere während eines Kommissionierens (60) und/oder eines Fehlerzustands, des Brennstoffzellensystems mit einzustellenden Betriebsparametern (24) des Brennstoffzellensystems versorgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) während eines regulären Betriebszustands (18) des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem bezüglich Anomalien (26) in erfassten Betriebsparametern (24) des Brennstoffzellensystems überwacht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der digitale Zwilling (14) eine Steuer- oder Regeleinheit (20, 22, 22') des Brennstoffzellensystems bei einem Erkennen einer Anomalie (26) in erfassten Betriebsparametern (24) des Brennstoffzellensystems in einen Fehlerdiagnosezustand (28) versetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der digitale Zwilling (14) eine Steuer- oder Regeleinheit (20, 22, 22') des Brennstoffzellensystems bei einem Erkennen einer Anomalie (26) in erfassten Betriebsparametern (24) des Brennstoffzellensystems in einen Fehlerkompensierungszustand (30) versetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere regelmäßig, eine Steuer-oder Regeleinheit (20, 22, 22') des Brennstoffzellensystems in einen Testzustand (32) versetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) in einem irregulären Betriebszustand (16) des Brennstoffzellensystems eine zusätzliche Steuer- oder Regeleinheit (22, 22') zu einer Steuerung oder Regelung externer Komponenten (34) aktiviert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zwilling (14) in zumindest einem Verfahrensschritt Daten von zumindest einem weiteren Brennstoffzellensystem abruft.
Brennstoffzellensystem mit einer Recheneinheit (36) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.