DE102020211584A1 - Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs Download PDF

Info

Publication number
DE102020211584A1
DE102020211584A1 DE102020211584.2A DE102020211584A DE102020211584A1 DE 102020211584 A1 DE102020211584 A1 DE 102020211584A1 DE 102020211584 A DE102020211584 A DE 102020211584A DE 102020211584 A1 DE102020211584 A1 DE 102020211584A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
load profile
fuel cell
cell system
efficiency
service life
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020211584.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Sergei Hahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102020211584.2A priority Critical patent/DE102020211584A1/de
Priority to CN202180063428.9A priority patent/CN116171238A/zh
Priority to US18/044,540 priority patent/US20230331121A1/en
Priority to EP21777218.5A priority patent/EP4214783A1/de
Priority to PCT/EP2021/074672 priority patent/WO2022058210A1/de
Publication of DE102020211584A1 publication Critical patent/DE102020211584A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:(a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2),(b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird,(c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils,(d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und(e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der bestimmten Parametersätze.

Description

  • Stand der Technik
  • Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystem (im Englischen Fuel Cell System (FCS)) als Antriebssystem, die im Englischen als Fuel Cell Vehicle (FCV), bezeichnet werden, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Dabei sind die Effizienz und die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems nicht nur vom jeweiligen Lastprofil, sondern auch von den jeweiligen Betriebsparametern, wie bspw. Temperatur und Zellspannung, abhängig.
  • Dabei kann eine bestimmte Leistung des Brennstoffzellensystems anhand einer unterschiedlichen Kombination aus Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden. Die Wahl optimaler Betriebsparameter hängt jedoch von den jeweiligen Randbedingungen (Umgebungsbedingungen, thermische Limitierung, Wassermanagement) und von dem Anwendungsfall ab.
  • Tendenziell verbessert eine Erhöhung der Temperatur die Reaktionskinetik und den Membranwiderstand (bei konstanten Feuchtebedingungen). Zudem wird eine weitere Anhebung des Druckniveaus möglich, sodass ein weiterer Anstieg der Leistungsdichte möglich wird. Weiterhin kann eine eventuelle Kühlungslimitierung aufgrund eines Fahrzeugkühlers entschärft werden.
  • Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass eine erhöhte Spannung und eine erhöhte Temperatur tendenziell zu einer Erhöhung der Degradationsrate führen. Eine Variation der Betriebsparameter führt folglich zu einem Zielkonflikt zwischen dem Wasserstoffverbrauch bzw. der Effizienz und der Degradation bzw. Lebensdauer des Brennstoffzellensystems.
  • Bei den bekannten Betriebsstrategien wird auf die Effizienz und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in der Regel über die Wahl der Leistungsanforderung Einfluss genommen (Leistungsaufteilung zwischen Batterie und Brennstoffzellensystem).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8, ein Steuergerät nach Anspruch 9 sowie ein Fahrzeug nach Anspruch 10. Weitere Vorteile 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 Computerprogrammprodukt, dem erfindungsgemäßen Steuersystem und mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    1. (a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems,
    2. (b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird,
    3. (c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten absoluten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils,
    4. (d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und
    5. (e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Parametersätze.
  • Erfindungsgemäß wird folglich eine Betriebsstrategie festgelegt, die für einzelne Lastprofilbereiche des Lastprofils hinsichtlich Effizienz oder Lebensdauer optimiert ist und damit für das gesamte Lastprofil hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer insgesamt optimiert ist. Mit Effizienz ist mit anderen Worten eine Verbrauchseffizienz gemeint. Die Effizienz steigt also mit sinkendem Wasserstoffverbrauch. Die Lebensdauer steigt mit abnehmender Degradation.
  • Das Lastprofil stellt die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte Leistung über den Zeitverlauf bzw. Fahrbetrieb des Fahrzeugs dar. Das bereitgestellte Lastprofil wird in zumindest zwei einzelne Lastprofilbereiche aufgeteilt. Die Aufteilung kann auch in zumindest drei, zumindest vier oder mehr einzelne Lastprofilbereiche erfolgen. Die Lastprofilbereiche können in unterschiedliche Leistungsbereiche von Null bis zur maximalen Leistung des Brennstoffzellensystems aufgeteilt werden. Bei einem Brennstoffzellensystem mit 100 kW maximaler Leistung können bspw. 10 Leistungsbereiche in 10 kW Schritten, also von 0 bis 10 kW, von 10 kW bis 20 kW usw. gebildet werden, die auf das Lastprofil angewendet die entsprechenden Lastprofilbereiche ergeben. Ein Lastprofilbereich erlaubt damit eine Aussage darüber, wie lange das Brennstoffzellensystem in einem bestimmten Leistungsbereich über den gesamten Zeitverlauf bzw. Fahrbetrieb des Fahrzeugs gemäß dem Lastprofil betrieben worden ist.
  • Für jeden Lastprofilbereich werden anschließend die Wasserstoffverbrauchsanteile und Degradationsanteile des Brennstoffzellensystems im Verhältnis zu dem gesamten Lastprofil bestimmt. Mit anderen Worten werden für jeden Lastprofilbereich die Anteile an dem für das Lastprofil insgesamt angefallenen Wasserstoffverbrauch und an der bei dem Lastprofil insgesamt aufgetretenen Degradation, oder mit anderen Worten Alterung, des Brennstoffzellensystems bestimmt. Dazu können insbesondere der relative Verbrauchsanteil und der relative Degradationsanteil jedes Lastprofilbereichs an dem gesamten Lastprofil bestimmt werden.
  • Anschließend kann der Wasserstoffverbrauchsanteil mit dem Degradationsanteil für jeden Lastprofilbereich verglichen werden. Der Vergleich erlaubt die Bestimmung der Gewichtungsfunktion, also die mathematische Angabe, ob die Effizienz oder die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in dem jeweiligen Lastprofilbereich stärker gewichtet und entsprechend optimiert werden soll. Dies kann auf besonders einfache Weise durch einen Vergleich des relativen Degradationsanteils und des relativen Wasserstoffverbrauchsanteils für jeden Lastprofilbereich bestimmt werden. Für den jeweils höheren relativen Anteil von Degradation oder Wasserstoffverbrauch kann dann entsprechend die Lebensdauer oder Effizienz für den jeweiligen Lastprofilbereich optimiert werden, da bei einem höheren relativen Anteil mehr Potential zur Optimierung besteht. Zur Bestimmung der Gewichtungsfunktion kann aber ebenso ein statistisches Verfahren oder ein auf künstlicher Intelligenz beruhendes Verfahren genutzt werden.
  • Der Degradationsanteil und der Wasserstoffverbrauchsanteil für die Lastprofilbereiche können dabei bspw. mittels mathematischer Funktionen bestimmt werden. Diese mathematischen Funktionen können die erwartete Lebensdauer und den erwarteten Verbrauch für den Lastprofilbereich, also etwa in Abhängigkeit von der Temperatur und der Spannung des Brennstoffzellensystems, angeben. Alternativ oder zusätzlich können empirische Daten zur Bestimmung des Degradationsanteils und Wasserstoffverbrauchsanteils genutzt werden.
  • Zur Umsetzung der Gewichtsfunktion in dem jeweiligen Lastprofilbereich wird schließlich ein Parametersatz an Betriebsparamatern des Brennstoffzellensystems bestimmt, mittels derer die Gewichtungsfunktion im Betrieb des Brennstoffzellensystems umgesetzt werden kann, also die Lebensdauer oder Effizienz optimiert werden kann. Die Parametersätze können bspw. anhand von hinterlegten Kennfeldern bestimmt werden. Möglich ist aber alternativ oder zusätzlich, dass die Parametersätze durch zumindest eine mathematische Funktion bestimmt werden. Schließlich werden diese bestimmten Parametersätze für jeden Lastprofilbereich gewählt, um eine Betriebsstrategie über das gesamte Lastprofil festzulegen, wodurch sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems optimiert wird.
  • Gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung werden bei den bekannten Betriebsverfahren von Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen die gewünschten Parameter bzw. Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems für einen Leistungswunsch, wie z.B. die Temperatur und die Stöchiometrie, nicht variiert. Erfindungsgemäß wurde hingegen erkannt, dass individuelle Anwendungsfälle und Fahrweisen aber von einer individuellen Betriebsstrategie profitieren, um die Lebensdauer und die Effizienz des Brennstoffzellensystems zu steigern.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil des Brennstoffzellensystems während den Fahrten mit dem Fahrzeug aufgenommen wird. Das Lastprofil des Fahrzeugs kann entsprechend durch eine statistische Analyse der Fahrten erstellt werden. Das Lastprofil des Fahrzeugs kann so sehr genau ermittelt und einfach verarbeitet werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Betriebsstrategie bei einer Änderung des Lastprofils des Brennstoffzellensystems angepasst wird. Wenn sich bspw. das Lastprofil aufgrund anderer Gegebenheiten nach einem Umzug oder Eigentümerwechsel verändert, etwa von einem überwiegenden Fahren auf der Autobahn auf ein überwiegendes Fahren in der Stadt, kann die Betriebsstrategie neu hinsichtlich der Effizienz und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems optimiert werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil laufend bereitgestellt bzw. aufgenommen wird und die Lastprofilbereiche auf eine Veränderung von Wasserstoffverbrauchsanteil und Degradationsanteil hin überprüft werden. Bei hinreichender Veränderung kann eine neue Gewichtungsfunktion bestimmt werden, ein neuer Parametersatz bestimmt werden und eine neue Betriebsstrategie gemäß des neuen Parametersatzes festgelegt werden.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass der Parametersatz eine Temperatur, einen Druck und/oder eine Stöchiometrie als Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aufweist. Es hat sich gezeigt, dass sich durch Verändern dieser Betriebsparameter die Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer in einem Lastprofilbereich am einfachsten umsetzen lässt.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil in zumindest einen Schwachlastbereich, einen Mittellastbereich und einen Hochlastbereich unterteilt wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Gewichtungsfunktion derart gewählt wird, dass in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche die Effizienz und die Lebensdauer relativ zueinander gewichtet werden. Anschaulich gesprochen kann die Gewichtungsfunktion beispielsweise nur die Effizienz oder die Lebensdauer mit einem Wert von 1 gewichten, die Effizienz und Lebensdauer mit dem für beide gleichen Wert von 0,5 gewichten oder die Effizienz mit einem Wert ungleich Null und die Lebensdauer mit einem Wert ungleich Null gewichten, wobei die Summe beider Werte wiederum 1 ergibt.
  • Schließlich kann vorgesehen sein, dass für jede der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein pareto-optimaler Parametersatz bestimmt wird. In dem jeweiligen Lastprofilbereich kann also entweder die Lebensdauer oder der Verbrauch überwiegend überproportional belastet werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das in einem Steuergerät in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem ausführbar ist und dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Steuergerät für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, wobei das Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
  • Schließlich betrifft die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und dem Steuergerät nach dem dritten Aspekt der Erfindung.
  • Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Figur hervorgehenden Merkmale können sowohl für sich als auch in den beliebigen verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
    • 1 in einer schematischen Ansicht den Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2 in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 3 in einer schematischen Ansicht ein aufgenommenes Lastprofil eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, und
    • 4 in einer schematischen Ansicht einen Verlauf der erwarteten Lebensdauer über einer Effizienz des Brennstoffzellensystems.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen Ablauf der Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems 2 eines Fahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das Fahrzeug 1 ist schematisch in 2 gezeigt. Das Fahrzeug 1 weist als Antrieb ein Brennstoffzellensystem 2 auf. Der Betrieb bzw. die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 2 wird von einem Steuergerät 3 vorgegeben, in dem ein Computerprogrammprodukt 4 gespeichert ist. Wenn das Computerprogrammprodukt 4 von dem Steuergerät 3 ausgeführt wird, wird das in 1 schematisch in seinem Ablauf dargestellte Verfahren ausgeführt.
  • In einem ersten Schritt 10 des Verfahrens aus 1 wird zunächst ein Lastprofil des Fahrzeugs 1 ermittelt und an dem Steuergerät 3 bereitgestellt. Das Ermitteln des Lastprofils erfolgt während der Fahrten mit dem Fahrzeug 1 und ist insoweit spezifisch für das Fahrverhalten, die Fahrumgebung usw. des Fahrers oder der Fahrer des Fahrzeugs 1 und das Brennstoffzellensystem 2 des Fahrzeugs 1.
  • Ein solches beispielhaftes Lastprofil des Fahrzeugs 1 ist in 3 gezeigt. Das Lastprofil bildet die vom Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellte bzw. vom Fahrzeug 1 abgerufene Leistung in kW über der Zeit in Sekunden ab. Wie dem Lastprofil zu entnehmen ist, weist das Lastprofil Zeiten mit höherem Leistungsbedarf und Zeiten mit geringerem Leistungsbedarf auf.
  • Das Lastprofil lässt sich entsprechend in mehrere Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen bzw. Leistungsbereichen aufteilen. Dies erfolgt in einem zweiten Schritt 20 des Verfahrens aus 1. Zusätzlich wird für jeden Lastprofilbereich ein Wasserstoffverbrauchsanteil (im Folgenden als Verbrauchsanteil bezeichnet) und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems 2 an dem gesamten Lastprofil bestimmt. Ferner wird der zeitliche Anteil jedes Lastprofilbereichs bestimmt. Entsprechend werden die Daten beispielhaft der im Folgenden dargestellten Tabelle für das Lastprofil aus 2 bestimmt.
    Zeitlicher Anteil Degradationsanteil Verbrauchsantei I
    SL 74,24 % 89,34 % 38,95 %
    M L 19,99 % 8,98 % 40,36 %
    HL 5,77 % 1,68 % 20,69 %
  • Wie der Tabelle zu entnehmen ist, wurde das Lastprofil aus 2 in drei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen unterteilt. Diese Lastprofilbereiche sind vorliegend in Schwachlast (SL), Mittellast (ML) und Hochlast (HL) unterteilt. Für jedes der Lastprofilbereiche wurden der zeitliche Anteil an dem gesamten Lastprofil sowie der relative Degradationsanteil und der relative Verbrauchsanteil ermittelt. Der Degradationsanteil und der Verbrauchsanteil können dabei basierend auf empirischen Daten und/oder mathematischen Funktionen für den jeweiligen Lastprofilbereich ermittelt worden sein.
  • In dem auf den zweiten Schritt 20 folgenden dritten Schritt 30 des Verfahrens gemäß 1 wird schließlich eine Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 2 in jedem der drei Lastprofilbereiche SL, ML und HL anhand des für jeden der drei Lastprofilbereiche SL, ML, HL bestimmten Verbrauchsanteils und Degradationsanteils bestimmt.
  • So ist bspw. anhand des Lastprofilbereichs SL zu erkennen, dass dieser den mit 74,24 % mit Abstand am größten zeitlichen Anteil am Lastprofil des Brennstoffzellensystems 2 ausmacht. Der relative Degradationsanteil ist mit 89,34 % sehr hoch, während der relative Verbrauchsanteil mit 38,95 % vergleichsweise gering ist, insbesondere im Hinblick auf den hohen zeitlichen Anteil des Lastprofilbereichs SL an dem gesamten Lastprofil. Entsprechend wird die Gewichtungsfunktion für den Lastprofilbereich SL derart bestimmt, dass die Degradation verringert bzw. die Lebensdauer erhöht wird. Dabei steigt aufgrund des Zielkonflikts zwischen der Effizienz und der Lebensdauer der Verbrauch im Gegenzug zwar. Da der relative Anteil der Degradation aber wesentlich höher als der des Verbrauchs ist, ist es im Lastprofilbereich SL dennoch sinnvoll, die Lebensdauer zu Ungunsten des Verbrauchs zu erhöhen.
  • Anders hingegen sieht es bei den Lastprofilbereichen ML und HL aus, wo die relativen Verbrauchsanteile die Degradationsanteile deutlich überwiegen. Insoweit werden die Gewichtungsfunktionen für die Lastprofilbereiche ML und HL derart bestimmt, dass der Verbrauch verringert wird bzw. die Effizienz erhöht wird, während die Degradation im Gegenzug steigt.
  • Schließlich wird in einem vierten Schritt 40 des Verfahrens gemäß 1 je ein pareto-optimaler Parametersatz zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der drei Lastprofilbereiche SL, ML und HL bestimmt.
  • 4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Verlauf der erwarteten Lebensdauer über einer Effizienz des Brennstoffzellensystems 2 für verschiedene stöchiometrische Koeffizienten λ bei einem Betriebspunkt von 400 A. Der stöchiometrische Koeffizient λ gibt an, wie viel Sauerstoff den Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems 2 zugeführt wird. Ein stöchiometrischer Koeffizient von 1 bedeutet dabei, dass 100% des zugeführten Sauerstoffs in der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle umgewandelt wird. Pareto-optimale stöchiometrische Koeffizienten λ liegen auf der Kurve 5, die eine Front pareto-optimaler Punkte darstellt. Auf dieser Kurve 5 kann beispielsweise der stöchiometrische Koeffizient λ für einen gegebenen Betriebspunkt für den Parametersatz eines Lastprofilbereichs gewählt werden. Entsprechend werden auch andere Betriebsparameter für jeden Lastprofilbereich gewählt.
  • In einem fünften Schritt 50 wird schließlich die Betriebsstrategie gemäß der bestimmten Parametersätze für den Betrieb des Fahrzeugs 1 bzw. Brennstoffzellensystems 2 festgelegt, um die Effizienz und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 2 zu optimieren. Das Brennstoffzellensystem 2 des Fahrzeugs 1 wird fortan entsprechend mit dieser Betriebsstrategie betrieben. Sofern sich das Lastprofil ändern sollte, wird das Verfahren wiederholt, um die Gewichtungsfunktion und die Parametersätze neu zu bestimmen und damit die Betriebsstrategie neu festzulegen. Dies wird durch den Verbindungspfeil von Verfahrensschritt 50 zu Verfahrensschritt 10 symbolisiert.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2), (b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird, (c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils, (d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und (e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Parametersätze.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lastprofil des Brennstoffzellensystems (2) während den Fahrten mit dem Fahrzeug (1) aufgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsstrategie bei einer Änderung des Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2) angepasst wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Parametersatz eine Temperatur, einen Druck und/oder eine Stöchiometrie als Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (2) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Lastprofil in zumindest einen Schwachlastbereich, einen Mittellastbereich und einen Hochlastbereich unterteilt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Gewichtungsfunktion derart gewählt wird, dass in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche die Effizienz und die Lebensdauer relativ zueinander gewichtet werden.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei für jede der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein pareto-optimaler Parametersatz bestimmt wird.
  8. Computerprogrammprodukt (4), das in einem Steuergerät (3) in einem Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) ausführbar ist und dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
  9. Steuergerät (3) für ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (3) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
  10. Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) und dem Steuergerät (3) nach Anspruch 9.
DE102020211584.2A 2020-09-16 2020-09-16 Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs Pending DE102020211584A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211584.2A DE102020211584A1 (de) 2020-09-16 2020-09-16 Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs
CN202180063428.9A CN116171238A (zh) 2020-09-16 2021-09-08 用于确定车辆的燃料电池系统的在效率和使用寿命方面得到优化的运行策略的方法
US18/044,540 US20230331121A1 (en) 2020-09-16 2021-09-08 Method for ascertaining a vehicle fuel cell system operating strategy which is optimized with respect to efficiency and service life
EP21777218.5A EP4214783A1 (de) 2020-09-16 2021-09-08 Verfahren zum festlegen einer hinsichtlich effizienz und lebensdauer optimierten betriebsstrategie eines brennstoffzellensystems eines fahrzeugs
PCT/EP2021/074672 WO2022058210A1 (de) 2020-09-16 2021-09-08 Verfahren zum festlegen einer hinsichtlich effizienz und lebensdauer optimierten betriebsstrategie eines brennstoffzellensystems eines fahrzeugs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211584.2A DE102020211584A1 (de) 2020-09-16 2020-09-16 Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020211584A1 true DE102020211584A1 (de) 2022-03-17

Family

ID=77910750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020211584.2A Pending DE102020211584A1 (de) 2020-09-16 2020-09-16 Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230331121A1 (de)
EP (1) EP4214783A1 (de)
CN (1) CN116171238A (de)
DE (1) DE102020211584A1 (de)
WO (1) WO2022058210A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022205127A1 (de) 2022-05-23 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010008917A1 (de) 2010-02-23 2011-08-25 Liebherr-Werk Biberach GmbH, 88400 Antriebssystem und Arbeitsmaschine
DE102013020436A1 (de) 2013-12-06 2015-06-11 Daimler Ag Verfahren zum Testen eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug und Teststand
CN107679268A (zh) 2017-08-23 2018-02-09 同济大学 一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10216691A1 (de) * 2002-04-16 2003-11-06 Ballard Power Systems System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage
DE102018216232A1 (de) * 2018-09-24 2020-03-26 Robert Bosch Gmbh Online-Optimierungsverfahren zum Einstellen der Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010008917A1 (de) 2010-02-23 2011-08-25 Liebherr-Werk Biberach GmbH, 88400 Antriebssystem und Arbeitsmaschine
DE102013020436A1 (de) 2013-12-06 2015-06-11 Daimler Ag Verfahren zum Testen eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug und Teststand
CN107679268A (zh) 2017-08-23 2018-02-09 同济大学 一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022205127A1 (de) 2022-05-23 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Also Published As

Publication number Publication date
EP4214783A1 (de) 2023-07-26
WO2022058210A1 (de) 2022-03-24
US20230331121A1 (en) 2023-10-19
CN116171238A (zh) 2023-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008006734B4 (de) Verfahren zur berechnung einer polarisationskurve eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem
DE102007044640B4 (de) Verfahren zur adaptiven Vorhersage einer Stapelspannung in Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensystemen und Brennstoffzellensystem
DE112008003416B4 (de) Brennstoffbatterie-System
DE112010005145B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür
DE102013100403B4 (de) Analytisches Verfahren für ein brennstoffverbrauchsoptimiertes Hybridkonzept für Brennstoffzellensysteme
DE102016203866A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE102016117366A1 (de) Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse
EP3095656B1 (de) Verfahren zur auswahl einer betriebsart eines hybridfahrzeugs
DE102012216550B4 (de) Verfahren zum herstellen einer bipolarplatte für eine brennstoffzelle
DE112011101250T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE112008001579T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102019135197A1 (de) Ausgleichssystem für wiederaufladbare energiespeicheranordnung mit mehreren parallelen einheiten
DE102015117240A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE102020211584A1 (de) Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs
DE112020000196B4 (de) Betriebsverfahren zur Energiesparoptimierung und Schaltpunktbestimmung für ein Wasserpumpenaggregat
DE112013001280T5 (de) Leistungsversorgungssystem
DE102020100966A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102018120892A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems
DE102021128718A1 (de) Verfahren zur Ermittlung von Prozessparametern für einen Herstellungsprozess eines realen Produkts
DE102017116916A1 (de) Stapelspannungsregelung für den Erholungsmodus mit Aufwärtswandler
DE4439505A1 (de) Verfahren zum Entwurf eines Fuzzy-Reglers
DE102008007058B4 (de) Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung
DE102017202136A1 (de) Energiespeichervorrichtung und deren Verwendung
DE102013007140A1 (de) Verfahren zum Laden einer Batterie
DE102010018907A1 (de) Verfahren zur Regelung des Energiemanagements eines Brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified