DE102020212654A1

DE102020212654A1 - Vorrichtung und computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102020212654A1
Application number: DE102020212654.2A
Authority: DE
Inventors: Volker Imhof; Sebastian Gerwinn; Jochen Braun; Sriganesh Sriram; Christoph Zimmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-07
Also published as: CN114300712A; JP2022061969A; US20220109170A1

Abstract

Vorrichtung und computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems das einen Brennstoffzellenstack umfasst, wobei Daten bereitgestellt werden, die jeweils Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems und eine Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Spannung der Zelle abbilden (301), wobei ein Modell abhängig von den Daten trainiert wird (302), die Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems und die Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Vorhersage einer Spannung der Zelle abzubilden, wobei momentane Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems bestimmt werden (303), wobei für wenigstens eine Zelle des Brennstoffzellenstacks abhängig von den momentanen Eingangsgrößen mit dem Modell abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung wenigstens eine Wahrscheinlichkeit für die Spannung der Zelle und/oder für eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks bestimmt wird (304), wobei abhängig von der Wahrscheinlichkeit ein Zustand des Brennstoffzellensystems bestimmt wird (305).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem stellt ein Gesamtsystem dar, das eine Vielzahl Subsysteme umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen oder mehrere Brennstoffzellenstacks und mehrere Subsysteme, die zur Versorgung des Brennstoffzellenstacks oder der Brennstoffzellenstacks vorhanden sein müssen.
Der Brennstoffzellenstack hat in der Regel keinen einzigen Aktor, d.h. ist für sich alleine genommen ein passives Bauteil oder eine passive Baugruppe.
Um einen Zustand des Brennstoffzellenstacks zu überwachen können Sensoren installiert sein, die Größen des Brennstoffzellenstacks beispielsweise die Zellspannungen überwachen. Diese Sensoren sind teuer und müssen zudem gegen Ausfall oder Fehlmessungen abgesichert werden.
Offenbarung der Erfindung
Ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstack umfasst, sieht vor, dass Daten bereitgestellt werden, die jeweils Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems und eine Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Spannung der Zelle abbilden, wobei ein Modell abhängig von den Daten trainiert wird, die Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems und die Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Vorhersage einer Spannung der Zelle abzubilden, wobei momentane Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems bestimmt werden, wobei für wenigstens eine Zelle des Brennstoffzellenstacks abhängig von den momentanen Eingangsgrößen mit dem Modell abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung wenigstens eine Wahrscheinlichkeit für die Spannung der Zelle und/oder für eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks bestimmt wird, wobei abhängig von der Wahrscheinlichkeit ein Zustand des Brennstoffzellensystems bestimmt wird. Dies ermöglichte eine individuelle Zellüberwachung, eine Betriebsstrategie-Überwachung und eine Diagnose ohne dass in einem Betrieb des Brennstoffzellensystems nach einem Training alle Sensoren, die im Training des Modells verwendet wurden, benötigt werden.
In einem Aspekt charakterisiert der Zustand eine Sicherheit von Eingangsgrößen für die Spannung der wenigstens einen Zelle und/oder für eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks, wobei abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, wobei ein Betrieb des Brennstoffzellensystems als sicher eingestuft wird, wenn die Wahrscheinlichkeit eine Bedingung erfüllt. Dadurch sind sicherheitsrelevante Aspekte erkennbar.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt wird, dass die Spannung der wenigstens einen Zelle kleiner ist, als ein erster Schwellwert oder dass die Spannung der wenigstens einen Zelle größer ist, als ein zweiter Schwellwert oder dass die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks größer ist, als ein dritter Schwellwert. Damit sind sicherheitsrelevante Über- oder Unterschreitungen von Spannungen im Betrieb vermeidbar.
Im Training kann abhängig von den Daten wenigstens ein Erwartungswert und eine Varianz für die Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt werden. Damit kann eine Zielfunktion insbesondere eine Likelihoodfunktion aufgestellt werden, die quantifiziert, wie gut das parametrisierte Model die Daten beschreibt. Das parametrisierte Modell ist beispielsweise ein Gaußprozess-Modell. Eine Optimierung der Zielfunktion parametriert das Gaußprozesse- Modell.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Wert für die Wahrscheinlichkeit für die Spannung der Zelle aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird, und wobei geprüft wird, ob der Wert die Bedingung erfüllt oder nicht. Dadurch wird eine einzelne Zelle effektiv überwacht.
Es kann vorgesehen sein, dass für eine Mehrzahl Zellen des Brennstoffzellenstacks je ein Wert für die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, wobei mit den Werten eine gemeinsame Wahrscheinlichkeit für die Mehrzahl Zellen bestimmt wird, und wobei geprüft wird, ob die gemeinsame Wahrscheinlichkeit die Bedingung erfüllt oder nicht. Dadurch wird die Gesamtspannung abhängig von den Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen Zellen effektiv überwacht.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Lösung für ein Optimierungsproblem bestimmt wird, das abhängig von einer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit für eine Mehrzahl Zellen des Brennstoffzellenstacks und abhängig von einer Funktion definiert ist, wobei die Lösung wenigstens eine Ansteuergröße oder wenigstens ein Parameter zum Betreiben des Brennstoffzellensystems definiert. Dadurch wird ein zuverlässiger Betrieb des Brennstoffzellensystems situationsabhängig sichergestellt.
Die Funktion kann abhängig von einer Differenz zwischen einer minimalen und einer maximalen Spannung der Zellen definiert sein.
Die Funktion kann abhängig von einer Varianz der Spannungen der Zellen definiert sein.
In einem Aspekt kann abhängig vom Modell eine Position einer Zelle und/oder eine Zelle des Brennstoffzellenstacks bestimmt werden, die eine gegenüber anderen Zelle des Brennstoffzellenstacks entweder eine höhere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, dass in einem sicheren Betriebszustand zu sein oder eine niedrigere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, in einem sicheren Betriebszustand zu sein. Dadurch können für die Betriebsstrategie relevante mögliche Unterschiede zwischen den Spannungen von Zellen erkannt und anschließend vermieden werden.
Es kann eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Realteil und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Imaginärteil einer Impedanz der Zelle und/oder des Brennstoffzellenstacks bestimmt werden, wobei Zustand des Brennstoffzellensystems abhängig der ersten Wahrscheinlichkeitsverteilung und der zweiten Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird. Dies ermöglicht eine detailliertere Überwachung.
Eine Impedanzmessung liefert bei vorliegender Spannung als Ergebnis einen Real- und Imaginärteil einer Impedanz. Die Impedanz liefert zusätzliche Kenngrößen. Z.B. lässt sich von der Impedanz auf einen Feuchtigkeitsgehalt der Membran näherungsweise zurückschießen.
Dadurch wird es noch besser möglich, das Brennstoffzellensystem ohne ein Continous cell voltage monitoring, CVM, und ohne einer dazu angepassten CVM-Sensorik zu betreiben. Die Daten aus der Impedanzmessung können in einem Maschinenlernverfahren zusätzlich verwendet werden um den Entfall der CVM-Sensorik zu unterstützen. Dadurch wird eine Aussagekraft des Modells signifikant verbessert.
In einem Aspekt kann für das Training eine erste Messung am Brennstoffzellensystem erfasst werden, wobei für die erste Messung ein erstes Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine erste Entropie, bestimmt wird. In diesem Aspekt kann eine zweite Messung am Brennstoffzellensystem erfasst werden, wobei für die zweite Messung ein zweites Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine zweite Entropie, bestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass entweder die Daten aus der ersten Messung bereitgestellt werden, wenn das erste Maß größer als das zweite Maß ist, oder anderenfalls die Daten aus der zweiten Messung bereitgestellt werden. Dadurch wird das Training schneller ausgeführt.
Es kann vorgesehen sein, dass Daten für das Training bereitgestellt werden, die durch wenigstens eine Schranke, insbesondere für einen minimal erlaubten Spannung oder eine maximal erlaubte Spannung der Zelle, beschränkt sind. Dadurch lernt das Modell Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die im Betrieb die minimal erlaubte Spannung oder die maximal erlaubte Spannung der Zelle berücksichtigen. Dies verbessert die Überwachung weiter.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems sieht vor, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Zusammenwirkens von Modellen für das Betreiben des Brennstoffzellensystems,
3 Schritte in einem Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.

Die im Folgenden beschriebene Struktur, insbesondere der 2, ist beispielhaft angeführt, um das im Folgenden beschriebene Verfahren zu erklären. Das Verfahren ist auf andere Modellstrukturen und Reglerstrukturen entsprechend anwendbar.
In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, ein im Folgenden beschriebenes Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Vorwärtsmodell, das ausgebildet ist, eine elektrische Leistung und eine Spannung als Funktion von Regelgrößen zu bestimmen. Beispielsweise umfasst das Vorwärtsmodell ein erstes Modell 101, ein zweites Modell 102 und wenigstens ein drittes Modell 103. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstack und versorgende Systeme. Das Brennstoffzellensystem bildet ein Gesamtsystem, das im Beispiel zumindest teilweise mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 modelliert wird. Das wenigstens eine dritte Modell 103 ist im Beispiel ebenfalls ein insbesondere durch Differenzialgleichungen beschriebenes chemisches oder physikalisches Modell.
Im Beispiel sind die folgenden vier dritten Modelle 103 dargestellt:

Ein Modell 103-1 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient.

Ein Modell 103-2 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Zudosierung von Wasserstoff aus einem Tanksystem, der Abfuhr des Purgegases aus dem Anodenpfad, der Entwässerung des Anodenpfades und der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient.
Ein Modell 103-3 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient.
Ein Modell 103-4 für einen elektrischen Teils des Gesamtsystems, welcher die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks in ein Bordnetz oder ein anderes elektrisches Netz überträgt, beispielsweise mittels eines DC/DC-Wandlers und weiteren Komponenten z.B. Vorrichtung für Kurzschluss, Strommessung, Spannungsmessung des Brennstoffzellenstacks und/oder von Zellpaketen und/oder Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks.
Das erste Modell 101 ist als physikalisches Modell ausgebildet, das beispielsweise mittels Differentialgleichungen physikalische Zusammenhänge im Brennstoffzellensystem beschreibt.
Das zweite Modell 102 ist als datenbasiertes Modell ausgebildet, das ein Differenzmodell zwischen dem physikalischen Modell und dem tatsächlichen Verhalten des Brennstoffzellensystems modelliert.
Bisher existieren keine genauen, dynamischen Modelle, welche das Verhalten des gesamten Brennstoffzellensystems beschreiben. Obwohl einzelne Teile des Gesamtsystems mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 gut beschrieben werden können, ist das dynamische Zusammenspiel dieser im Gesamtsystem nicht oder nur wenig bekannt.
Das Vorwärtsmodell ermöglicht es, zu einem Zeitpunkt t eine Vorhersage beispielsweise der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu einem nächsten Zeitpunkt t+1 in Abhängigkeit möglicher Ansteuergrößen zum Zeitpunkt t sowie innerhalb eines kurzen vorherigen Zeitraumes T.
Diese Modellierung basiert auf einem hybriden Modell, das einen chemischen und/oder physikalischen und einen datenbasierten Anteil aufweist. Der chemische und physikalische Anteil besteht aus bereits bekannten Teilen des Gesamtsystems, für die das erste Modell 101 und das wenigstens eine dritte Modell 103 in Form von Differentialgleichungen definiert ist. Beispiele für die verwendeten Differentialgleichungen welche das dynamische Verhalten der einzelnen Teile des Gesamtsystems, im Beispiel des Luftsystems, des Kühlsystems, des Wasserstoffsystems und des elektrischen Systems, beschreiben, sind bekannt, beispielsweise aus:

[1] Control Analysis of an Ejector Based Fuel Cell Anode Recirculation System, Amey Y. Karnik, Jing Sun and Julia H. Buckland.
[2] Model-based control of cathode pressure and oxygen excess ratio of a PEM fuel cell system, Michael A. Danzer, Jörg Wilhelm, Harald Aschemann, Eberhard P. Hofer.
[3] Humidity and Pressure Regulation in a PEM Fuel Cell Using a Gain-Scheduled Static Feedback Controller, Amey Y. Karnik, Jing Sun, Fellow, IEEE, Anna G. Stefanopoulou, and Julia H. Buckland.
[4] MODELING AND CONTROL OF AN EJECTOR BASED ANODE RECIRCULATION SYSTEM FOR FUEL CELLS, Amey Y. Karnik, Jing Sun.
[5] Flachheitsbasierter Entwurf von Mehrgrößenregelungen am Beispiel eines Brennstoffzellensystems, Daniel Zirkel.
[6] Modellprädiktive Regelung eines PEM-Brennstoffzellensystems, Jens Niemeyer.
[7] Regelung zum effizienten Betrieb eines PEM-Brennstoffzellensystems, Christian Hähnel

Alle diese Teile des Gesamtsystems besitzen einzelne Stellgrößen, welche ihre Dynamik beeinflussen. Im Folgenden sind für beispielhafte Teile des Gesamtsystems die Stellgrößen Brennstoffzellensystems und deren Beschreibung angeführt, mit denen die Dynamik beeinflussbar ist, oder durch die die Dynamik beeinflusst wird. Diese Größen sind darüber hinaus auch wesentlich für die Degradation oder Alterung der einzelnen Komponenten insbesondere des Brennstoffzellenstacks und für den Energieverbrauch oder Leistungsbedarf der den Brennstoffzellenstack versorgenden Systemen insbesondere durch parasitäre Verluste. Beispielsweise kann allein ein Luftverdichter des Brennstoffzellensystems 15% der Brennstoffzellenstackleistung verbrauchen. Diese Leistung muss der Brennstoffzellenstack brutto mehr leisten damit er eine erwünschte Nettoleistung als Nutzleistung abgeben kann.
1) Luftsystem

lambda_cath	Luftüberschuss gegenüber Stöchiometrie im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.
mAir_cath	Luftmassenstrom im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.
p_cath	Druck im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.
T_cath	Temperatur im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.
fi_cath	Feuchte im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der der Luftzu- und/oder abfuhr für den Brennstoffzellenstack.
Die Größen lambda_cath und mAir_cath sind im Beispiel alternativ zueinander einsetzbar. Die Verwendung der Feuchte kann vorgesehen sein, wenn das Brennstoffzellensystem die Feuchte einer Zuluft einstellen kann.
2) Wasserstoffsystem

lambda_anod	Wasserstoffmolekül-Überschuss, d.h. H2 Überschuss, gegenüber Stöchiometrie im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems
mH2_anod	Wasserstoffmolekül-Massenstrom, d.h. H2 Massenstrom, im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems
p_anod	Druck im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems.
dp_anod_cath	Differenzdruck zwischen Kathodenpfad und Anodenpfad im Brennstoffzellensystem
mN2_anod	Stickstoffmassenstrom, -konzentration oder ein Stickstoffmolekül-Strom in der Anode
mH2_addfromtank	H2-Masse die oder H2-Massenstrom der von einem H2-Tank des Brennstoffzellensystems oder von außerhalb in den Anodenpfad zudosiert wird.
Purge_actuation	Ansteuerung für Ablassen oder Entnahme von Anodengas aus dem Anodenpfad.
Drain_actuation	Ansteuerung für Ablassen oder Entnahme von flüssigem Wasser aus dem Anodenpfad.
Purge&Drain_actuation	zusammengefasste Ansteuerung der Ventile oder eines gemeinsamen Ventils für Purge_actuation und Drain_actuation.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der Zirkulation von Wasserstoff und weiterer Funktionen für das Brennstoffzellensystem.
Die Größen lambda_anod und mH2_anod sind im Beispiel alternativ zueinander einsetzbar. Mit mH2_anod hängt beispielweise eine Rezirkulationsrate eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses zusammen, wenn dieses im Brennstoffzellensystem vorhanden ist.
Die Größe mH2_addfromtank kann zusätzlich eine Temperaturangabe umfassen. Die Größe mH2_addfromtank kann ergänzend zu lambda_anod oder zu mH2_anod oder kombiniert dazu verwendet werden.
Die Größe mN2_anod kann aus einer Modell-Berechnung abgeleitet werden oder durch einen Sensor ermittelt werden. Die Größe mN2_anod kann verwendet werden um eine Purge-Action zu triggern.
Die Größe Purge_actuation kann zeitlich diskret, intervallartig eine Öffnungsdauer und/oder ein Öffnungsintervall eines Ventils für das Ablassen oder die Entnahme von Anodengas angeben. Beides kann variabel sein.
Die Größe Drain_actuation kann zeitlich diskret, intervallartig eine Öffnungsdauer und/oder ein Öffnungsintervall eines Ventils für das Ablassen oder die Entnahme von flüssigem Wasser angeben. Beides kann variabel sein.
3) Kühlsystem

T_Stack_op	Betriebstemperatur von Kühlmittel für das Brennstoffzellensystem, d.h. näherungsweise eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks.
Fan_actuation	Ansteuerung eines Lüfters
dT_Stack	Temperaturänderung des Kühlmittels, z.B. Erwärmung, über den Brennstoffzellenstackoder Temperaturänderung des Brennstoffzellensystems.
m_Cool	Kühlmittelmassenstrom durch einen Kühlpfad des Brennstoffzellenstacks oder des Brennstoffzellensystems.
dp_Cool	Druckabfall über den Kühlpfad des Brennstoffzellenstacks oder des Brennstoffzellensystems.
Pump_actuation	Pumpenansteuerung zur Erzeugung des Kühlmittelmassenstroms
Valve_actuation	Ventilansteuerung zur Erzeugung des Kühlmittelmassenstroms
p_Cool	Druck im Kühlmittelpfad des Stacks.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der Zirkulation von Kühlmittel im Brennstoffzellensystem.
Die Größe T_Stack_op kann erweitert oder genauer auch für eine Membran, die eine temperaturkritische Komponente des Brennstoffzellenstacks darstellt, verwendet werden. Dazu kann beispielsweise mittels eines Modells von der Kühlmitteltemperatur, der Stackablufttemperatur, der Stackspannung und des Stackstroms auf die Membrantemperatur geschlossen werden.
Die Betriebstemperatur kann abhängig von einer Last, einer Umgebungstemperatur, der Ansteuerung des Lüfters, d.h. abhängig von Fan_actuation modelliert werden.
Die Größe dT_Stack kann abhängig von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Ausgangstemperatur und einer Eingangstemperatur des Kühlmittels bestimmt und mittels eines Massenstroms des Kühlmittels, beispielsweise mit einer Pumpe und einem Dreiwegeventil des Kühlsystems für den Brennstoffzellenstack oder das Brennstoffzellensystem eingestellt werden.
Alternativ zur Größe p_Cool kann ein Differenzdruck zur Kathode und/oder zur Anode verwendet werden.
4) Elektrisches System
Spannung:

Strom:
- Stromdichte:
  - elektrische Leistung:
    - Kurzschlussrelais, Kurzschlussvorrichtungen und ggf. weitere elektrische Aktoren

Die elektrische Größen Spannung, Strom, Stromdichte, elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks interagieren stark mit einem Stromnetzwerk, dessen Architektur sehr unterschiedlich sein kann.
Beispielsweise kann die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks mittels eines Gleichstromwandlers z.B. DC/DC-Wandlers, abhängig von einer Spannung und/oder einem Strom vom Brennstoffzellenstack an das Stromnetz übertragen werden. Beispielsweise kann der DC/DC-Wandler den vom Brennstoffzellenstack gezogenen Strom über ein Spannungsgefälle einstellen.
Es kann ein Kurzschlussrelais vorgesehen sein, welches den Brennstoffzellenstack kurzschließt, d.h. beide Klemmen. Dies kann z.B. für einen Gefrierstart benutzt werden, bei dem zeitweise keine elektrische Leistung an ein Stromnetz abgegeben wird, sondern die elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird.
Es können auch daraus abgeleitete Größen z.B. ein Widerstand oder Wirkungsgrad modelliert werden.
In einem elektrischen Subsystem des Brennstoffzellensystems kann auch eine Impedanzmessung, z.B. eine Impedanzspektroskopie, integriert sein. Diese kann ausgebildet sein, einen Realteil und einen Imaginärteil einer Impedanz für eine Zelle oder mehrere Zellen des Brennstoffzellenstacks zu bestimmen und für die weitere Berechnung auszugeben.
Diese Größen stellen Variablen dar. Es sind nicht alle möglichen Variablen abschließend angeführt. Von den Variablen kann es jeweils einen modellbasierten und einen gemessen Wert geben. Zusätzlich oder alternativ zu absoluten Größen können auch differentielle Größen oder Differenzen zu Referenzwerten verwendet werden. Es kann auch nur eine Teilmenge der möglichen Variablen als Parameter für die Modellierung verwendet werden.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Ansteuereinrichtung 104, die ausgebildet ist, das Brennstoffzellensystem oder die Subsysteme zum Betrieb des Brennstoffzellenstacks mit den einzelnen Stellgrößen anzusteuern. Die Vorrichtung 100 kann eine Messeinrichtung 106, insbesondere einen Sensor zur Erfassung von Größen am Brennstoffzellensystem umfassen. Die Vorrichtung umfasst im Beispiel wenigstens eine Recheneinrichtung 108, die ausgebildet ist, Schritte in einem im Folgenden beschriebenen Verfahren auszuführen und wenigstens einen Speicher 110 für die Modelle. Die wenigstens eine Recheneinrichtung 108 kann eine lokale Recheneinrichtung in einem Fahrzeug, eine Recheneinrichtung auf einem Server oder in der Cloud oder eine insbesondere auf mehrere Server oder das Fahrzeug und wenigstens einen Server verteilte Recheneinrichtung sein.
Das Brennstoffzellensystem umfasst den Brennstoffzellenstack. Der Brennstoffzellenstack umfasst im Beispiel n Zellen 112, die in 1 schematisch und entsprechend einer Position i im Brennstoffzellenstack von i=1, ... n nummeriert dargestellt sind.
Anhand der 2 wird ein Zusammenwirken der Modelle für das Betreiben des Brennstoffzellensystems beschrieben.
Für das Brennstoffzellensystem ist im Beispiel eine bereitzustellende Betriebsgröße y_req als Eingangsgröße definiert. Vorzugsweise ist diese Betriebsgröße eine elektrische Leistung, eine Spannung, ein Wirkungsgrad oder eine Abwärme, insbesondere eine thermische Leistung, des Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem soll mit wenigstens einer Ansteuergröße u_req derart angesteuert werden, dass die Brennstoffzelle diese Betriebsgröße tatsächlich bereitstellt. Diese wenigstens eine Ansteuergröße u_req stellt einen Sollwert für die Ansteuerung des Brennstoffzellensystems durch die Ansteuereinrichtung 104 dar. Im Beispiel wird die bereitzustellende Betriebsgröße y_req durch eine Strategie für die Ansteuerung auf die wenigstens eine Ansteuergröße u_req abgebildet. Die Strategie kann eine Abbildung der bereitzustellenden Betriebsgröße y_req durch eine vorgegebene lineare oder nichtlineare Funktion oder durch eine vorgegebene Tabelle auf die wenigstens eine Ansteuergröße u_req sein.
Aufgrund von Totzeiten, Trägheiten, Hysteresen, Alterungseffekte oder Abweichungen der Aktuatoren vom Sollwert kann sich eine von dem Sollwert abweichende Ansteuergröße einstellen. Diese kann einerseits als tatsächlich eingestellte Ansteuergröße u_act beispielsweise von einem Sensor erfasst werden. Andererseits kann die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred als Vorhersage mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 bestimmt werden. Im Beispiel wird für wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems insbesondere für den Brennstoffzellenstack oder für wenigstens eines der Subsysteme zu dessen Versorgung abhängig von einer vorgegebenen Ansteuergröße x[subsy]_req für den wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems eine Vorhersage x[subsy]_pred für die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred wenigstens den Teil des Brennstoffzellensystems bestimmt und die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred abhängig von der Vorhersage x[subsy]_pred definiert. Die Größen x[subsy]_req sind im Beispiel in einem Vektor zusammengefasst, der die Ansteuergröße u_req definiert. Jede der oben angeführten Stellgrößen kann als Größe x[subsy]_req für den jeweiligen Teil des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Wenn mehrere Stellgrößen für einen Teil vorgesehen sind, stellt die Größe x[subsy]_req einen Vektor dar, der diese Stellgrößen umfasst. Exemplarisch werden im Folgenden nur ausgewählte Größen beschrieben.
In 2 sind die Größen für das Modell 103-1, d.h. für das Luftsystem, mit [subsy] = A bezeichnet, die Größen für das Modell 103-2, d.h. für das Wasserstoffsystem, mit [subsy] = H, die Größen für das Modell 103-3, d.h. für das Kühlsystem, mit [subsy] = C und die Größen für das Modell 103-4, d.h. für das elektrische System, mit [subsy] = E.
Es können alle oder nur Teile der tatsächlichen Ansteuergrößen abhängig von der jeweils vorgegebenen Ansteuergröße mit dem Modell bestimmt oder gemessen werden.
Unabhängig davon, ob die eingestellte Ansteuergröße gemessen, u_act, oder modelliert, u_pred, ist kann diese eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellenstack, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellenstack, einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung am Brennstoffzellensystem sein. Das Brennstoffzellensystem stellt ein Gesamtsystem dar.
Die Ansteuergröße definiert beispielsweise eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellenstack, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellenstack, den Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur oder Luftmassestrom in einem Teil des Brennstoffzellensystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die eingestellte Ansteuergröße kann den Wasserstoffmolekülmassestrom in dem Teil des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße kann den Kühlmediummassestrom eines Teils des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die eingestellte Ansteuergröße kann die Betriebstemperatur welche näherungsweise eine Kühlmitteltemperatur ist, definieren. Die eingestellte Ansteuergröße kann die elektrische Kenngröße eines elektrischen Teils des Brennstoffzellensystems definieren, beispielsweise einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung einer der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems.
Vorzugsweise definiert die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße u_req den Sollwert für den Druck, die Betriebstemperatur, den Luftmassestrom, den Wasserstoffmolekülmassestrom, den Kühlmediummassestrom oder die elektrische Kenngröße insbesondere den Strom oder die Spannung des Brennstoffzellensystems. Die Ansteuergröße xA_req definiert im Beispiel zu einem Zeitpunkt t einen Sollwert für den Druck oder Luftmassestrom im Teil des Gesamtsystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die Ansteuergröße xH_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t einen Sollwert für den Wasserstoffmolekülmassestrom in dem Teil des Gesamtsystems, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße xC_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t den Sollwert für den Kühlmediummassestrom des Teils des Gesamtsystems, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die Ansteuergröße kann auch die Betriebstemperatur welche näherungsweise die Kühlmitteltemperatur ist, definieren. Die Ansteuergröße xE_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t den Sollwert der elektrischen Kenngröße des elektrischen Teils des Gesamtsystems, beispielsweise den Strom oder die Spannung der der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems. Im Beispiel ist die vorgegebene Ansteuergröße u_req ein Vektor u_req = (xA_req, xH_req, xC_req, xE_req)^T. Dementsprechend ist die sich einstellende Ansteuergröße im Beispiel durch einen Vektor definiert. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen messbar sind ist die sich einstellende Ansteuergröße u_act = (xA_act, xH_act, xC_act, xE_act)^T. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen modelliert werden ist die sich einstellende Ansteuergröße u_pred = (xA_pred, xH_ pred, xC_pred, xE_ pred)^T. Vorzugsweise werden Mischformen verwendet, in denen die mit am Brennstoffzellensystem ohnehin verfügbaren Sensoren messbaren sich einstellenden Ansteuergrößen gemessen und die anderen modelliert werden.
Durch das erste Modell 101 wird abhängig von der wenigstens einen sich einstellenden Ansteuergröße eine Betriebsgröße y_act des Brennstoffzellensystems bestimmt. Im Beispiel ist die sich einstellende Betriebsgröße ein Skalar, es kann aber auch ein Vektor mit mehreren Werten unterschiedlicher Betriebsgrößen durch das erste Modell 101 bestimmt werden. Im Beispiel wird für das erste Modell 101 als stationär-Modell das Brennstoffzellenmodell nach Kulikovsky eingesetzt. Das Modell nach Kulikovsky wurde analytisch aus dem zugrundeliegenden Differentialgleichungssystem zur Beschreibung der Elektrokinetik der Kathodenkatalysatorschicht abgeleitet. Dieses Modell verwendet die Eingangsgrößen Kathoden-Massenstrom, Kathoden-Lambda, Kathoden-Eingangsdruck, Kathoden-Ausgangsdruck, Luftfeuchte am Kathodeneintritt, Luftfeuchte am Kathodenaustritt, der Strom bzw. die Stromdichte, die Kühlmitteleintrittstemperatur, Kühlmittelaustrittstemperatur.
Durch das zweite Modell 102 wird abhängig von der wenigstens einen sich einstellenden Ansteuergröße eine Vorhersage für eine Abweichung dy_pred der vom ersten Modell 101 bestimmten Betriebsgröße y_act von einem tatsächlichen Wert der Betriebsgröße am Brennstoffzellensystem bestimmt.
Das zweite Modell 102 ist im Beispiel das datenbasierte Modell, das durch den Gaußprozess eine Abweichung dy_pred zwischen dem ersten Modell 101 und dem tatsächlich gemessenen Verhalten des Brennstoffzellensystems vorhersagen soll. Im Training kann das zweite Modell 102 zunächst zufällig initialisiert sein und in Iterationen trainiert werden.
Das zweite Modell 102 ist im Beispiel bereits trainiert.
Abhängig von der vom ersten Modell 101 bestimmten Betriebsgröße y_act und von der Vorhersage für die Abweichung dy_pred wird an einer Korrektureinrichtung 202 eine Betriebsgröße y_pred bestimmt. Das bedeutet, die Vorhersage der Betriebsgröße durch das physikalische Modell wird durch die Vorhersage für die Abweichung mit dem datenbasierten Modell korrigiert.
Grundsätzlich ist es wichtig, dass eine Verteilung von Spannungen u_i einzelner Zellen des Brennstoffzellenstacks sich in einer Bandbreite dU bewegt. Die Bandbreite dU wird über Zellspannungen gemessen. Die Bandbreite dU ergibt sich unter anderem aus den Medien-Verteilungen, Strömungszuständen, Alterungszuständen. Für n Zellen ist die Bandbreite zwischen einer maximalen Spannung u_max,j = max(u₁,...,u_n) an einer Zelle j der n Zellen und einer minimalen Spannung u_min,k = min(u₁,...,u_n) an einer Zelle k der n Zellen $d U = u_{m a x, j} - u_{m i n, k}$
wobei j und k verschiedene Zellen bezeichnen.
Die Bandbreite dU soll im Beispiel möglichst klein sein. Medien bezeichnet hier z.B. eines oder mehrerer der zuvor beschriebenen Fluide. Eine Spannung u_ges eines Brennstoffzellenstacks mit n Zellen setzt sich aus den Spannungen u_i der einzelnen Zellen zusammen: $u_{g e s} = u_{1} + u_{2} + ... . + u_{n}$
Zum Schutz von Komponenten des Brennstoffzellensystem, insbesondere um eine Beschädigung einer Zelle zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Spannungen u_i der Zellen größer als eine Minimalschwelle u_min ist: $u_{i} > u_{m i n}$
Die Minimalschwelle u_min kann positiv, negativ oder Null sein. Das im Folgenden mit Bezug auf 3 beschriebene computerimplementierte Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems sieht vor, dass in Schritten für ein Maschinenlernen zusätzliche Sensoren am Brennstoffzellensystem angeordnet sind. Diese Sensoren oder nicht alle dieser Sensoren werden nach dem Maschinenlernen benötigt, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben.
Mit den Sensoren sind Daten für Tupel von gelabelten Daten (u_act,i,u) für das Maschinenlernen erfassbar. Dabei bezeichnet u_act Eingangsgrößen, i die Position einer Zelle und u eine Spannung der Zelle. Die Eingangsgrößen u_act sind beispielsweise Stromdichte, Luftmassenstrom, Luftdruck, Wasserstoffmolekülmassenstrom, Temperatur des Brennstoffzellenstacks. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen messbar sind, kann u_act = u_act = (xA_act, xH_act, xC_act, xE_act)^T verwendet werden. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen modelliert werden, kann u_act = u_pred = (xA_pred, xH_ pred, xC_pred, xE_pred)^T verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, für u_act teilweise messbare und teilweise modellierte Größen zu verwenden. Die Daten können in einer Fahrzeugflotte oder auf einem Prüfstand erfasst werden. Die Daten können für eine Vielzahl verschiedener Umgebungsbedingungen, Fahrprofilen, Fahrcharakteristiken oder Leistungsaufteilungen bestimmt werden.
Die Recheneinrichtung 108 ist ausgebildet, im Maschinenlernen ein Modell abhängig von den Daten zu trainieren. Das Modell wird dazu trainiert, die Eingangsgrößen u_act des Brennstoffzellensystems und die Position einer Zelle i des Brennstoffzellensystems auf eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Vorhersage einer Spannung der Zelle u_i abzubilden.
Im Beispiel wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Zelle i durch einen Erwartungswert und eine Varianz definiert. Für ein Gaußprozess wird beispielsweise µ_u(u_act,i) und σ_u(u_act,i) verwendet.
Das Model kann dazu verwendet werden, eine Sicherheit von Eingangsgrößen u_act vorherzusagen. Beispielsweise wird ein Betrieb des Brennstoffzellensystems als sicher eingestuft, wenn eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Spannung u_i der einzelnen Zellen kleiner ist, als eine Schwellwert c, eine Bedingung b erfüllt. Die Bedingung ist beispielsweise: $P (u_{i} > c) > b$
wobei c den Schwellwert für die Spannung an einer Zelle i darstellt. Die Bedingung b und der Schwellwert c kann durch einen Experten vorgegeben sein. Die Bedingung b kann auf einen geeigneten Wert festgelegt sein, oder als Funktion definiert werden, die beispielsweise von Umweltbedingungen oder Betriebszustand abhängt. Es kann derselbe Schwellwert c und dieselbe Bedingung b für eine Mehrzahl der Zellen verwendet werden.
Es können auch zellabhängige Schwellwerte c_i vorgesehen sein. Beispielsweise haben Randzellen, d.h. zum Beispiel Zelle i=1 und i=2 und Zelle i=n und i=n-1 am meisten Probleme ihre Spannungen einzuhalten). Beispielsweise sind für n Zellen c₁, c_2,, c₃, ..., c_n-2, c_n-1, c_n Schwellwerte vorgesehen, wobei c₁, c_2,, c_n-1, c_n andere Schwellwerte sind als c₃,...,c_n-2. Die Schwellwerte c₁, c₂, c_n-1, c_n können untereinander denselben Wert oder unterschiedliche Werte aufweisen. Die Schwellwerte c₃,...,c_n-2 können untereinander denselben Wert oder unterschiedliche Werte aufweisen.
Die Schwellwerte c₃, ..., c_n-2 sind in diesem Fall von den Schwellwerten c₁, c₂,, c_n-1, c_n verschieden
Es kann auch eine Bandbreite oder Varianz für die Spannung an einer Zelle i vorgesehen sein.
Die Recheneinrichtung 108 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig vom Modell eine gemeinsame Wahrscheinlichkeit P dafür, dass ein Betrieb des Brennstoffzellensystems sicher ist, zu bestimmen. Die gemeinsame Wahrscheinlichkeit P wird beispielsweise für n Zellen bestimmt als: $P (u_{1} > c, ... ., u_{n} > c)$
wobei u₁, ..., u_n die jeweiligen Eingangsgrößen u_act,i der n Zellen bezeichnet. Beispielsweise ist die gemeinsame Wahrscheinlichkeit P eine n-dimensionaler Gaussprozess, d.h. eine n-dimensionale Normalverteilung.
Die Recheneinrichtung 108 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig vom Modell eine Position einer Zelle i und damit eine der n Zellen zu bestimmen, die eine gegenüber anderen der n Zellen höhere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, dass die Zelle in einem sicheren Betriebszustand ist.
Die Recheneinrichtung 108 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig vom Modell eine Position einer Zelle i und damit eine der n Zellen zu bestimmen, die eine gegenüber anderen der n Zellen oder gegenüber einem Schwellwert s höhere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, dass die Zelle in einem unsicheren Betriebszustand ist. Dieser Schwellwert s kann von einem Experten vorgegeben werden. Der Schwellwert s wird im Beispiel wie für den Schwellwert c beschrieben bestimmt. Der Wert für den Schwellwert s wird im Unterschied zur Bestimmung des Schwellwerts c für einen unsicheren Betriebszustand festgelegt, in dem die Spannung u_i der einzelnen Zellen größer ist, als der Schwellwert s, Es können auch zellabhängige Schwellwerte s_i vorgesehen sein.
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Zelle in einem unsicheren Betriebszustand ist, ist damit P(u_i < s) > b. Die Bedingung b kann von einem Experten wie zuvor beschrieben definiert werden, oder einen anderen Wert aufweisen.
Es kommt darauf an, dass der gesamte Stack d.h. alle Zellen betriebssicher sind. Dies ist der Fall, wenn jede einzelne Zelle im betriebssicheren Bereich betrieben wird. Zudem soll die Bandbreite dU der Zellspannungen über alle Zellen kleiner als ein Grenzwert sein.
Es kann auch eine Bandbreite oder Varianz für die Bandbreite dU vorgesehen sein.
Die Spannung u_ges des Brennstoffzellenstacks kann für zusätzliche ergänzende Grenzwerte verwendet werden.
Die Impedanzwerte können als zusätzliche Kriterien verwendet werden. Die Impedanzwerte können zusätzlich zu anderen Größen in einem Modell zur Berechnung der Spannungen verwendet werden. Eine Alternative dafür, dass für alle i einzeln gilt P(u_i < s) > b ist beispielsweise, dass P(für alle i: u_i < s) > b.
Eine Nebenbedingung ist beispielsweise für einen Schwellwert d für die Bandbreite dU $P (u_{m a x, j} - u_{m i n, k} < d) > b .$
Im Beispiel wird aus den Wahrscheinlichkeiten dafür, dass die Spannungen u_i der einzelnen Zellen i größer der Schwellwert c ist, geprüft, ob die gemeinsame Wahrscheinlichkeit die Bedingung b erfüllt oder nicht. Diese Bedingung b ist im Beispiel durch einen Parameter δ definiert, der ein akzeptables Risiko charakterisiert. Der Parameter δ wird beispielsweise durch einen Experten definiert. Der sichere Betriebszustand wird in diesem Beispiel erkannt, sofern für die gemeinsame Wahrscheinlichkeit P für die n Zellen gilt: $P (u_{1} > c, ... ., u_{n} > c) > b = 1 - δ$
Die Recheneinrichtung 108 kann ausgebildet sein, eine Lösung für ein Optimierungsproblem zu bestimmen, das abhängig von der gemeinsamen Wahrscheinlichkeit P für die n Zellen definiert ist als: $min_{u_{a c t}} F (u) s o d a s s P (u_{1} > c,... ., u_{n} > c) > 1 - δ$
F(u) wird im Folgenden als Qualitätsindikator bezeichnet. Der Qualitätsindikator F(u) stellt eine Zielfunktion dar und kann beispielsweise als Differenz zwischen einer minimalen und einer maximalen Spannung die über den n Zellen abfällt definiert sein: $F (u) = u_{m i n} - u_{m a x}$
Der Qualitätsindikator F(u) kann beispielsweise als Varianz der Spannung definiert sein: $F (u) = σ (U)$
Alternativ ist die Zielfunktion über Einzelspannungen u₁,...,u_n von n Zellen des Brennstoffzellenstacks definiert als: $F (u_{1}, ..., u_{n}) = det σ (u_{1}, ..., u_{n})$
wobei σ(u₁,..., u_n) eine prädiktive n x n Kovarianzmatrix für n Spannungen ist und det die Determinante.
Alternativ kann anstatt der Determinante auch ein maximaler Eigenwert. $F (u_{1}, ..., u_{n}) = λ_{{max}} σ (u_{1}, ..., u_{n})$
Alternativ kann eine Spur der Kovarianzmatrix verwendet werden.
Beispielsweise ist die Zielfunktion über Einzelspannungen u₁,...,u_n von n Zellen des Brennstoffzellenstacks mit Erwartungswerten µ₁, ..., µ_n für die Einzelspannungen u₁,...,u_n definiert als: $F (u_{1}, ..., u_{n}) = spur σ (μ_{1}, ..., μ_{n})$
Es ist auch möglich, für die Lösung des Optimierungsproblems eine Pareto Front für eine Kombination der Alternativen zu verwenden.
Es kann vorgesehen sein, einen Real- und Imaginärteil einer Impedanz einer oder mehrerer Zellen des Brennstoffzellenstacks ausgewertet. Beispielsweise können diese durch eine Impendanzspektroskopie einer Zelle oder der Zellen des Brennstoffzellenstacks bestimmt werden. Ein Impedanzwert einer Zelle kann als Eingangsgröße für das Modell verwendet werden. Einzelne Impedanzwerte der einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstacks können als Eingangsgrößen für das Modell verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, für Real- und Imaginärteil separate Schwellwerte zu definieren.
In einem Aspekt können für unterschiedliche Betriebszustände des Brennstoffzellensystems unterschiedliche Modelle gelernt und/oder verwendet werden. Ein Betriebszustand kann beispielsweise für einen Betriebsstart, einen Normalbetrieb, ein Betriebsende oder eine Kaltstart definiert sein.
Bei einer Erfassung der Daten kann vorgesehen sein, Messungen in Iterationen zu erfassen und Daten auszuwählen, die eine größere, insbesondere die maximale Information bietet. Dies beschleunigt die Erfassung, da weniger Messungen für dieselbe Güte von Training nötig sind. Für einen Gaußprozess als Modell kann beispielsweise eine Entropie für die Messungen bestimmt und als Maß für die Information bezüglich der Unsicherheit des Modells verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, im Training Sicherheitsschranken zu verwenden. Die Sicherheitsschranken können beispielsweise durch ein physikalisches Modell oder ein anderes Modell aus dem Bereich des Maschinenlernens vorgegeben werden. Beispielsweise wird das Modell oder werden die Modelle mit einer minimal erlaubten Spannung der Zellen trainiert, um eine Zerstörung der Zellen durch Unterschreiten der minimal erlaubten Spannung zu vermeiden.
Dynamische Effekte können beispielsweise durch eine Verwendung einer Historie von Eingangsgrößen berücksichtigt werden. Beispielsweise wird ein Modell mit einer Nonlinear Autoregressive Exogeneous, NARX, Struktur verwendet, das einen Eingangsraum für die Eingangsgrößen u_act berücksichtigt.
Es kann vorgesehen sein, die Daten derart zu kennzeichnen, dass kritische Kombinationen der Eingangsgrößen u_act erkennbar sind. Es kann vorgesehen sein, diese Kombinationen nach Erkennen für eine Untersuchung durch einen Nutzer auszugeben.
Es kann vorgesehen sein, statt dem bisher beschriebenen aktiven Lernen eine Bayesschen Optimierung einzusetzen um den Qualitätsindikator F(u) zu optimieren. In diesem Fall wird keine Vollständige Abbildung von Eingangsgrößen auf den Qualitätsindikator F(u) gelernt, sondern nur ein optimaler Betriebspunkt gesucht. Dadurch ist der optimale Betriebspunkt von F(u) schneller bestimmbar.
Es kann auch vorgesehen sein, ein gemeinsames Modell für das Maschinenlernen des Zustandes als auch für den zugehörigen Qualitätsindikator F(u) zu lernen. Beispielsweise kann dazu ein Gaußprozess für mehrdimensionale Ausgabegrößen verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks u_ges verfügbar ist wobei die Spannung u_i einzelner Zellen nicht verfügbar ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, eine Historie der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks u_ges zu bewerten oder eine Abweichung der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks u_ges von einem vom Modell vorhergesagten Wert für eine Bewertung zu verwenden.
Das im Folgenden mit Bezug auf 3 beschriebene Verfahren kann in einem Fahrzeug oder an einem Prüfstand ausgeführt werden. Nach einem Training kann das Verfahren in einem Fahrzeug ausgeführt werden, wobei die Schritte des Verfahrens zum Training nicht mehr ausgeführt werden müssen.
Das Verfahren sieht in einem Schritt 301 vor, dass Daten bereitgestellt werden, die eine Vielzahl Tupel umfassen, die jeweils Eingangsgrößen u_act des Brennstoffzellensystems und eine Position einer Zelle i des Brennstoffzellenstacks auf eine Spannung der Zelle u abbilden.
In einem Aspekt werden die Daten in Iterationen bereitgestellt. Es kann vorgesehen sein, dass in einer Iteration eine erste Messung am Brennstoffzellensystem erfasst wird. Es kann vorgesehen sein, dass für die erste Messung ein erstes Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine erste Entropie, bestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass in einer zweiten Iteration eine zweite Messung am Brennstoffzellensystem erfasst wird. Es kann vorgesehen sein, dass für die zweite Messung ein zweites Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine zweite Entropie, bestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass entweder die Daten aus der ersten Messung bereitgestellt werden, wenn das erste Maß größer als das zweite Maß ist, oder anderenfalls die Daten aus der zweiten Messung bereitgestellt werden. Dadurch wird die Messung mit dem meisten Informationsgehalt ausgewählt.
In einem Aspekt werden die Daten derart bereitgestellt, dass sie durch wenigstens eine Schranke, insbesondere die Sicherheitsschranke, die die minimal erlaubte Spannung oder eine maximal erlaubte Spannung an der Zelle definiert, beschränkt sind.
In einem Aspekt werden die Daten derart bereitgestellt, dass sie die Verwendung der Bandbreite dU ermöglichen.
In einem anschließenden Schritt 302 wird das Modell abhängig von den Daten trainiert, die Eingangsgrößen u_act des Brennstoffzellensystems und die Position einer Zelle i des Brennstoffzellenstacks auf eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Vorhersage einer Spannung der Zelle u_i abzubilden.
Im Beispiel wird abhängig von den Daten ein Erwartungswert und eine Varianz für die Wahrscheinlichkeitsverteilung gelernt. Für ein Gaußprozess wird beispielsweise für eine Zelle i ein Erwartungswert µ_u(u_act,i) und eine Varianz σ_u(u_act,i) einer Normalverteilung bestimmt. Das trainierte Modell stellt Wahrscheinlichkeitsverteilung für mehrere Zellen, im Beispiel die n Zellen des Brennstoffzellenstacks dar.
Das so trainierte Modell kann anschließend zur Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Dazu müssen die Schritte 301 und 302 nicht mehr ausgeführt werden.
In einem Schritt 303 werden momentane Eingangsgrößen u_act des Brennstoffzellensystems bestimmt. Es kann vorgesehen sein, nur einen Teil der Eingangsgrößen u_act zu verwenden, die im Training verwendet wurden.
In einem Schritt 304 wird für wenigstens eine Zelle i des Brennstoffzellensystems abhängig von den momentanen Eingangsgrößen u_act mit dem Modell abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Wahrscheinlichkeit bestimmt.
In einem Aspekt wird die Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt, dass die Spannung der wenigstens einen Zelle u_i kleiner ist, als der Schwellwert c.
In einem Aspekt wird die Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt, dass die Spannung der wenigstens einen Zelle u_i größer ist, als der Schwellwert s
Es kann vorgesehen sein, für eine Mehrzahl Zellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise für die n Zellen, abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung je eine Wahrscheinlichkeit zu bestimmen.
Es kann vorgesehen sein, dass die gemeinsame Wahrscheinlichkeit bestimmt wird.
Im Schritt 305 wird abhängig von wenigstens einer Wahrscheinlichkeit, die für eine Zelle i bestimmt wurde, und/oder abhängig von der gemeinsamen Wahrscheinlichkeit ein Zustand des Brennstoffzellensystems bestimmt.
Der Zustand kann die Sicherheit von Eingangsgrößen u_act für die Spannung der wenigstens einen Zelle u_i charakterisieren.
Der Zustand kann die Sicherheit von Eingangsgrößen u_act für die Gesamtspannung des Brennstoffzellensystems u_ges charakterisieren.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems wird beispielweise als sicher eingestuft, wenn die Wahrscheinlichkeit und/oder die gemeinsame Wahrscheinlichkeit die Bedingung b erfüllt.
Es kann vorgesehen sein, zu prüfen, ob die Wahrscheinlichkeit P dafür, dass die Spannung der wenigstens einen Zelle u_i kleiner ist, als der Schwellwert c, die Bedingung b erfüllt, oder nicht.
Es kann vorgesehen sein, zu prüfen, ob die Wahrscheinlichkeit P dafür, dass die Spannung der wenigstens einen Zelle u_i größer ist, als der Schwellwert s, die Bedingung b erfüllt, oder nicht.
Es kann vorgesehen sein zu prüfen, ob die gemeinsame Wahrscheinlichkeit P , die Bedingung b erfüllt, oder nicht.
Es kann vorgesehen sein, zu prüfen, ob die Wahrscheinlichkeit P dafür, dass die Bandbreite dU für die Spannung kleiner ist, als der Schwellwert d, die Bedingung b erfüllt, oder nicht.
Der sichere Betriebszustand wird im Beispiel erkannt, wenn die Bedingung jede der geprüften Bedingungen erfüllt ist.
Es kann vorgesehen sein, die Lösung für das Optimierungsproblem zu bestimmen, das abhängig von der Wahrscheinlichkeit P für die n Zellen definiert ist.
Im Beispiel wird mit dem Schwellwert c das folgende Optimierungsproblem verwendet: $min_{u_{a c t}} F (u) s o d a s s P (u_{1} > c,... ., u_{n} > c) > 1 - δ$
Das Optimierungsproblem kann für die anderen Schwellwerte entsprechend definiert sein. Für den Schwellwert s ist das Optimierungsproblem beispielsweise $min_{u_{a c t}} F (u) s o d a s s P (u_{1} > s,... ., u_{n} > s) > 1 - δ$
Für den Schwellwert d ist das Optimierungsproblem beispielsweise $min_{u_{a c t}} F (u) s o d a s s P (u_{m a x, j} - u_{m i n, k} < d) > 1 - δ$
Es kann vorgesehen sein, das Brennstoffzellensystem in einem optionalen Schritt 306 mit wenigstens einer Ansteuergröße oder wenigstens einem Parameter zu betreiben, der durch die Lösung definiert ist.
Anschließend kann der Schritt 303 ausgeführt werden. Dadurch wird das Verfahren mit neuen momentanen Eingangsgrößen u_act fortgesetzt.
Das Verfahren kann für eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Realteil und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Imaginärteil der Impedanz der Zelle des Brennstoffzellensystems ausgeführt werden. Der Zustand des Brennstoffzellensystems wird in diesem Fall abhängig der ersten Wahrscheinlichkeitsverteilung und der zweiten Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt. Beispielsweise müssen die genannten Bedingungen für den sicheren Betrieb von beiden Teilen erfüllt werden und anderenfalls wird der Betrieb als unsicher eingestuft.
Das Verfahren kann für die unterschiedlichen Betriebszustände des Brennstoffzellensystems mit unterschiedlichen Modellen ausgeführt werden.

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstack umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Daten bereitgestellt werden, die jeweils Eingangsgrößen (u_act) des Brennstoffzellensystems und eine Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Spannung der Zelle abbilden (301), wobei ein Modell abhängig von den Daten trainiert wird (302), die Eingangsgrößen (u_act) des Brennstoffzellensystems und die Position einer Zelle des Brennstoffzellenstacks auf eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Vorhersage einer Spannung der Zelle abzubilden, wobei momentane Eingangsgrößen (u_act) des Brennstoffzellensystems bestimmt werden (303), wobei für wenigstens eine Zelle des Brennstoffzellenstacks abhängig von den momentanen Eingangsgrößen (u_act) mit dem Modell abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung wenigstens eine Wahrscheinlichkeit für die Spannung der Zelle und/oder für eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks bestimmt wird (304), wobei abhängig von der Wahrscheinlichkeit ein Zustand des Brennstoffzellensystems bestimmt wird (305).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand eine Sicherheit von Eingangsgrößen (u_act) für die Spannung der wenigstens einen Zelle und/oder für eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks charakterisiert, wobei abhängig von der Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, wobei ein Betrieb des Brennstoffzellensystems als sicher eingestuft wird (305), wenn die Wahrscheinlichkeit eine Bedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt wird (304), dass die Spannung der wenigstens einen Zelle kleiner ist, als ein erster Schwellwert oder dass die Spannung der wenigstens einen Zellegrößer ist, als ein zweiter Schwellwert oder dass die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstacks größer ist, als ein dritter Schwellwert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von den Daten wenigstens ein Erwartungswert und eine Varianz für die Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für die Wahrscheinlichkeit für die Spannung der Zelle aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird, und wobei geprüft wird, ob der Wert die Bedingung erfüllt oder nicht (305).
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Mehrzahl Zellen des Brennstoffzellenstacks je ein Wert für die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, wobei mit den Werten eine gemeinsame Wahrscheinlichkeit für die Mehrzahl Zellen bestimmt wird, und wobei geprüft wird, ob die gemeinsame Wahrscheinlichkeit die Bedingung erfüllt oder nicht (305).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lösung für ein Optimierungsproblem bestimmt wird, das abhängig von einer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit für eine Mehrzahl Zellen des Brennstoffzellenstacks und abhängig von einer Funktion definiert ist, wobei die Lösung wenigstens eine Ansteuergröße oder wenigstens ein Parameter zum Betreiben des Brennstoffzellensystems definiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion abhängig von einer Differenz zwischen einer minimalen und eine maximale Spannung der Zellen definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion abhängig von einer Varianz der Spannungen der Zellen definiert ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Modell eine Position einer Zelle und/oder eine Zelle des Brennstoffzellenstacks zu bestimmen, die eine gegenüber anderen Zelle des Brennstoffzellenstacks entweder eine höhere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, dass in einem sicheren Betriebszustand zu sein oder eine niedrigere Wahrscheinlichkeit dafür aufweist, in einem sicheren Betriebszustand zu sein.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Realteil und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen Imaginärteil einer Impedanz der Zelle und/oder des Brennstoffzellenstacks bestimmt wird, wobei Zustand des Brennstoffzellensystems abhängig der ersten Wahrscheinlichkeitsverteilung und der zweiten Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Messung am Brennstoffzellensystem erfasst wird, wobei für die erste Messung ein erstes Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine erste Entropie, bestimmt wird, wobei eine zweite Messung am Brennstoffzellensystem erfasst wird, wobei für die zweite Messung ein zweites Maß für einen Informationsgehalt, insbesondere eine zweite Entropie, bestimmt wird, wobei entweder die Daten aus der ersten Messung bereitgestellt werden, wenn das erste Maß größer als das zweite Maß ist, oder anderenfalls die Daten aus der zweiten Messung bereitgestellt werden (301).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten bereitgestellt werden (301), die durch wenigstens eine Schranke, insbesondere für eine minimal erlaubte Spannung oder eine maximal erlaubte Spannung der Zelle, beschränkt sind.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm maschinenlesbare Instruktionen umfasst, bei deren Ausführung durch einen insbesondere verteilten Computer das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 abläuft.