DE102021004752A1

DE102021004752A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Hochvoltenergiespeicher und einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021004752A1
Application number: DE102021004752.4A
Authority: DE
Inventors: Lisa BRAUN
Original assignee: Daimler Truck AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Hochvoltenergiespeicher und einem Brennstoffzellensystem, wobei eine Reichweite (R) des Fahrzeugs für eine vorgebbare Betriebsstrategie bestimmt wird, die den Betrieb der Brennstoffzelle über eine Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltspeichers steuert, wobei, ausgehend von einer für eine maximal mögliche Reichweite erforderlichen Leistung (P_{FC,avg,maxReichweite}) des Brennstoffzellensystems und/oder ausgehend von einer für die Betriebsstrategie durchschnittliche Leistung (P_{FC,avg,Betriebsstrategie}) des Brennstoffzellensystems, eine nutzbare Energie (W_FC,nutzbar) des Brennstoffzellensystems für einen an Bord des Fahrzeugs befindlichen Brennstoffvorrat bestimmt wird und wobei die Reichweite (R) aus einer Summe an nutzbarer Energie (W_FC,nutzbar) des Brennstoffzellensystems und einem Energieinhalt (W_Bat) des Hochvoltenergiespeichers sowie dem Durchschnittsverbrauch (B_avg) des Fahrzeugs bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Hochvoltenergiespeicher und einem Brennstoffzellensystem.
Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Range-Extender-Fahrzeug mit extern ladbarem Hochvoltenergiespeicher und einer Brennstoffzelle, welche über einen Brennstoffvorrat an Bord des Fahrzeugs betrieben wird. Dabei dient die zweite Energiequelle, die beispielsweise mit Wasserstoff versorgte Brennstoffzelle, nur zur Erzeugung zusätzlicher Energie zum Nachladen des Hochvoltenergiespeichers zur Erhöhung der Fahrzeugreichweite. Deshalb ist sie, im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen, nicht so ausgelegt, dass sie den Antrieb versorgen kann. Ist der Hochvoltenergiespeicher vollständig entladen, kann das Fahrzeug alleine aus der Brennstoffzelle nur in einem Notbetrieb mit deutlich reduzierter Antriebsleistung betrieben werden, z.B. zur Erreichung des Straßenrands.
Brennstoffzellen haben die Eigenschaft, dass sie im Gegensatz zu Verbrennungskraftmaschinen im Betrieb immer eine von Null verschiedene minimale Leistung aufweisen. Das heißt, ein Leerlauf ist nicht möglich. Bei geringen Durchschnittsverbräuchen würde folglich bei aktiver Brennstoffzelle der Hochvoltenergiespeicher durch dieselbe aufgeladen und, falls dies vom Kunden nicht erwünscht ist, unnötig viel Wasserstoff verbraucht.
Weiterhin sinkt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit steigender Leistung. Würde der im Fahrzeug befindliche Tankinhalt an Wasserstoff beispielsweise in 1 Stunde bei maximaler Brennstoffzellenleistung in elektrische Energie gewandelt, wäre die dabei erzeugte Energiemenge kleiner, als wenn diese in 2 Stunden bei geringerer Leistung erzeugt würde: $W_{FC,H2} (P_{FC,max}) < W_{FC,H2} (P < P_{FC,max})$
Folglich wäre die Reichweite des Fahrzeugs geringer, obwohl es dieselbe Menge Energie „getankt“ hat. Wird die Brennstoffzelle dagegen mit einer zu geringen Leistung betrieben als dies der aktuelle Fahrzeugbetrieb erforderlich machen würde, würde in der Zeit, in der der Hochvoltenergiespeicher vollständig entladen wird, nicht der gesamte Wasserstoff im Fahrzeug umgesetzt. Auch hier wäre die Reichweite des Fahrzeugs wieder geringer als die maximal mögliche Reichweite. Deshalb benötigt ein solches Fahrzeug eine Betriebsstrategie, die die Brennstoffzelle abhängig von den Wünschen des Betreibers steuert, um beispielsweise eine maximale Reichweite oder einen minimalen Wasserstoffverbrauch zu ermöglichen.
Die Reichweite eines Fahrzeugs berechnet sich generell aus der an Bord befindlichen Energie geteilt durch den Durchschnittsverbrauch der Fahrt. Druckschriften zur Reichweitenberechnung bei Elektrofahrzeugen beschäftigen sich hierbei insbesondere mit der genaueren Bestimmung des zu erwartenden Durchschnittsverbrauchs, wie beispielsweise DE 10 2015 226 229 A1 , DE 10 2012 216 115 A1 und WO 2020/069796 A1 zu entnehmen ist. Je genauer der Durchschnittsverbrauch, desto besser die Reichweitenvorhersage, da die Bestimmung der nutzbaren Batterieenergie hinlänglich bekannt ist. Bei einem solchen Range-Extender-Fahrzeug setzt sich die Bordenergie jedoch neben der noch verfügbaren Batterieenergie auch aus der nutzbaren Brennstoffzellenenergie zusammen.
Hierbei kann nicht die im Brennstofftank gespeicherte Energie verwendet werden. Stattdessen muss die daraus erzeugbare elektrische Energie berechnet werden, wie in DE 10 2017 011 664 A1 beschrieben.
Die DE 10 2017 011 664 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug weist eine Brennstoffzelle auf, die zur Erzeugung elektrischer Energie durch chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel zu einem Reaktionsprodukt ausgebildet ist. Weiterhin weist das Fahrzeug einen Elektromotor auf, der dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug mittels der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie anzutreiben, wobei zumindest ein Druck und eine Temperatur des in einem Speicherbehälter des Fahrzeugs befindlichen Brennstoffs gemessen werden, und wobei aus dem gemessenen Druck und der gemessenen Temperatur eine Masse des in dem Speicherbehälter befindlichen Brennstoffs ermittelt wird, und wobei aufgrund der ermittelten Masse eine sich beim Antrieb des Fahrzeugs mittels des Elektromotors ergebende Reichweite des Fahrzeugs berechnet wird.
Aufgrund des sinkenden Wirkungsgrades der Brennstoffzelle bei steigender Leistung ist die nutzbare Brennstoffzellenenergie einerseits abhängig von der eingestellten Brennstoffzellenleistung wie in DE 10 2017 011 664 A1 beschrieben. Andererseits kann es vorkommen, dass die Batterieenergie vollständig entleert ist, während noch Wasserstoff vorhanden ist. Dieser Wasserstoff ist in einem solchen Range-Extender-Fahrzeug dann während der Fahrt nicht mehr nutzbar, da der Antriebsstrang nur aus der Batterie versorgt werden kann und das Fahrzeug bis auf einen Notbetrieb nicht mehr fahrfähig ist. Würde die Reichweitenberechnung dies nicht mitberücksichtigen, würde dem Fahrer in diesem Fall eine Reichweite angezeigt, obwohl das Fahrzeug nicht mehr direkt weiterfahren kann.
Ein solcher Fall kann insbesondere bei einer adaptiven Betriebsstrategie eintreten, bei der geplant wird, eine bestimmte Strecke mit der minimal nötigen Menge an Wasserstoff zu fahren.
Berücksichtigt man in diesem Fall zwar die nicht nutzbare Wasserstoffenergie, aber erst, wenn diese nicht mehr nutzbar ist, entsteht weiterhin das Problem, dass gegen Ende der Fahrt innerhalb kurzer Zeit die angezeigte Reichweite einbrechen kann, wie beispielsweise bei dem zeitlichen Verlauf in 3 erkennbar ist. Für den Fahrer ist aber nicht direkt verständlich, warum sich in diesem Fall zum Beispiel eine Reichweite von 200km nach 10km gefahrener Strecke auf 150km reduziert. Dies macht den Reichweitenwert folglich unverständlich und erzeugt das Gefühl der Unzuverlässigkeit des Fahrzeugs.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine zuverlässige Bestimmung der Reichweite für ein solches Range-Extender-Fahrzeug mit adaptiver Betriebsstrategie während der gesamten Fahrt zu ermöglichen.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Hochvoltenergiespeicher und einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, wobei eine Reichweite des Fahrzeugs für eine vorgebbare Betriebsstrategie bestimmt wird, die den Betrieb der Brennstoffzelle über eine Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltspeichers steuert. Es wird, ausgehend von einer für eine maximal mögliche Reichweite erforderlichen Leistung des Brennstoffzellensystems und/oder ausgehend von einer für die Betriebsstrategie durchschnittlichen Leistung des Brennstoffzellensystems, eine nutzbare Energie des Brennstoffzellensystems für einen an Bord des Fahrzeugs befindlichen Brennstoffvorrat bestimmt. Dabei wird die Reichweite aus einer Summe an nutzbarer Energie des Brennstoffzellensystems und einem Energieinhalt des Hochvoltenergiespeichers sowie dem Durchschnittsverbrauch des Fahrzeugs bestimmt.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt die angezeigte Reichweitenangabe von Beginn an die ausgewählte Betriebsstrategie für den Betrieb des Brennstoffzellen-Range-Extenders. Bei der Auswahl der Betriebsstrategie kann somit die jeweils damit fahrbare Reichweite dargestellt werden. Bei einem Stadtbus beispielsweise kann dem Betreiber in dem von ihm zur Einstellung der Betriebsstrategie genutzten System die fahrbare Reichweite angezeigt werden. Bei einem vom Fahrer einzustellenden Fahrzeug kann dem Fahrer in der Fahrzeuganzeige die fahrbare Reichweite angezeigt werden.
Vorteilhaft kann so eine größere Zuverlässigkeit beim Betrieb des Fahrzeugs erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die für eine maximal mögliche Reichweite erforderliche Leistung des Brennstoffzellensystems wenigstens aus dem Energieinhalt des Hochvoltenergiespeichers, aus einem Durchschnittsverbrauch und einer Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, aus einer minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems und einer bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Vorteilhaft kann so die bei aktuellem Ladezustand und Wasserstofftankinhalt mögliche maximale Reichweite berechnet und angezeigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die aus der ausgewählten Betriebsstrategie resultierende durchschnittliche Leistung des Brennstoffzellensystems, wenn diese mit Hilfe der Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltspeichers gesteuert wird, wenigstens aus einem Gradienten der Soll-Ladezustandskennlinie, einem aktuellen Ladezustand des Hochvoltenergiespeichers und dem Energieinhalt des Hochvoltenergiespeichers, aus dem Durchschnittsverbrauch und der Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Vorteilhaft kann so die Reichweite des Fahrzeugs passend zur ausgewählten Betriebsstrategie ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann eine nutzbare Energie des Brennstoffzellensystems wenigstens aus einer Betriebszeit des Brennstoffzellensystems und einer durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung bestimmt werden. Vorteilhaft kann über die nutzbare Energie eine passende Reichweite bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems als Minimum aus einer maximal möglichen Anschaltzeit des Brennstoffzellensystems und einer möglichen Betriebszeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Vorteilhaft kann so die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems zur Bestimmung der Reichweite genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Betriebszeit des Fahrzeugs wenigstens aus dem Energieinhalt des Hochvoltenergiespeichers, aus dem Durchschnittsverbrauch und der Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung bestimmt werden. Vorteilhaft kann so die Betriebszeit des Fahrzeugs zur Bestimmung der Reichweite genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die maximal mögliche Anschaltzeit des Brennstoffzellensystems wenigstens aus einer aus dem Brennstoffvorrat erzeugbaren elektrischen Energie des Brennstoffzellensystems und der durchschnittlichen Leistung des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Vorteilhaft kann damit eine Betriebszeit des Brennstoffzellensystems ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die aus dem Brennstoffvorrat erzeugbare elektrische Energie wenigstens aus der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems und der bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie des Brennstoffzellensystems über eine Bestimmung einer Regressionsgeraden und der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung bestimmt werden. Die Regressionsgerade beschreibt den Zusammenhang zwischen erzeugbarer elektrischer Energie und Brennstoffzellenleistung. Vorteilhaft kann so die aus der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung erzeugbare elektrische Energie zur Bestimmung der Reichweite genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Regressionsgerade wenigstens aus einem Gradienten des Brennstoffzellensystems bestimmt werden, welcher aus einem Quotienten einer Differenz einer bei einer minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie des Brennstoffzellensystems und einer Differenz der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung des Brennstoffzellensystems bestimmt wird. Vorteilhaft kann über die Regressionsgerade die erzeugbare elektrische Energie des Brennstoffzellensystems bestimmt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:

1 einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie bei maximaler Reichweite des Fahrzeugs;
2 einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie bei erhöhtem Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle;
3 einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie bei reduziertem Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle; und
4 ein Ablaufdiagramm zur Berechnung der Reichweite nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, passend zur Betriebsstrategie des Fahrzeugs, insbesondere eines Range-Extender-Fahrzeugs.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie W_Bat und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie W_FC bei maximaler Reichweite des Fahrzeugs, während 2 einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie W_Bat und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie W_FC bei erhöhtem Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle und 3 einen zeitlichen Verlauf der Batterieenergie W_Bat und der nutzbaren Brennstoffzellenenergie W_FC bei reduziertem Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle zeigt.
Das Abschalten der Brennstoffzelle ist jeweils auf der Zeitachse t(s) mit dem Zeitpunkt FC OFF gekennzeichnet.
In 1 sind die Energieinhalte von Hochvoltenergiespeicher W_Bat und Brennstoffzellensystem W_FC gleichzeitig gleich Null. Der Abschaltzeitpunkt der Brennstoffzelle, der Zeitpunkt FC OFF, fällt mit dem Betriebsende des Fahrzeugs zusammen.
In 2 wird das Brennstoffzellensystem mit höherer Leistung betrieben als in 1, wodurch die Brennstoffzellenenergie W_FC früher gleich Null ist als die Batterieenergie W_Bat. Nach Abschaltung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt FC OFF und damit Fehlen der zusätzlichen Brennstoffzellenleistung zur Versorgung des Fahrzeugs, nimmt die Batterieenergie W_Bat schneller ab.
In 3 wird das Brennstoffzellensystem mit kleinerer Leistung betrieben als in 1, weshalb die Batterieenergie W_BAT schneller abnimmt. Ab einem bestimmten Zeitpunkt t_x ist die erzeugbare Brennstoffzellenenergie W_FC nicht mehr vollständig nutzbar. Die nutzbare Brennstoffzellenenergie W_FC,nutzbarnimmt im Folgenden bis zur Abschaltung der Brennstoffzelle FC OFF zum Zeitpunkt, wenn die Batterieenergie W_BAT gleich Null ist und das Fahrzeug nicht mehr gefahren werden kann, stark ab, obwohl noch Wasserstoff und damit Energie W_{FC,verfügbar} verfügbar wäre.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Berechnung der Reichweite R nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, passend zur Betriebsstrategie des Fahrzeugs, insbesondere eines Range-Extender-Fahrzeugs.
Der Ablauf beginnt mit dem Start des Fahrzeugs in Schritt S100.
Danach wird in Schritt S102 die für eine maximal mögliche Reichweite erforderliche durchschnittliche Leistung P_{FC,avg,maxReichweite} des Brennstoffzellensystems wenigstens aus dem Energieinhalt W_BAT des Hochvoltenergiespeichers, aus einem Durchschnittsverbrauch B_avg und einer Durchschnittsgeschwindigkeit V_avg des Fahrzeugs, aus einer minimal möglichen und maximal möglichen Leistung P_FC,min, P_FC,max des Brennstoffzellensystems und einer bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung P_FC,min, P_FC,max des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie W_FC,Pmin, W_FC,Pmax des Brennstoffzellensystems nach Gleichung (1) bestimmt. $P_{F C, a v g, m a x R e i c h w e i t e} = \frac{- b - \sqrt{b^{2} - 4 \cdot a \cdot c}}{2 \cdot a}$
wobei $a = g_{F C}, b = W_{B a t} + W_{0} - g_{F C} \cdot B_{a v g} \cdot v_{a v g}, u n d c = - W_{0} \cdot B_{a v g} \cdot v_{a v g}$
ist.
Diese muss im Anschluss auf die physikalisch mögliche Leistung der Brennstoffzelle beschränkt werden: $P_{F C, a v g, m a x R e i c h w e i t e} = m i n \cdot (m a x (P_{F C, a v g, m a x R e i c h w e i t e}, P_{F C, m i n}), P_{F C, m a x})$
Parallel wird in Schritt S104 die durch eine Betriebsstrategie, die eine Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltenergiespeichers vorgibt, eingestellte durchschnittliche Leistung P_{FC,avg,Betnebsstrategie} des Brennstoffzellensystems wenigstens aus dem aktuellen Ladezustand SOC_BAT des Hochvoltenergiespeichers (SOC=state of charge) und dem Energieinhalt W_BAT des Hochvoltenergiespeichers, aus dem Durchschnittsverbrauch B_avg und der Durchschnittsgeschwindigkeit V_avg des Fahrzeugs, sowie dem Gradienten g_soc der Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltenergiespeichers der Betriebsstrategie bestimmt. $P_{F C, a v g, B e t r i e b s s t r a t e g i e} = v_{a v g} \cdot (B_{a v g} - \frac{g_{s o c} \cdot w_{B a t}}{s o c})$
Nach Definition der Betriebsstrategie durch den Nutzer in Schritt S105 wird in Schritt S106 entschieden, mit welcher durchschnittlichen Leistung P_FC die weiteren Berechnungen durchgeführt werden. Wurde die Betriebsstrategie mit minimalem Wasserstoffverbrauch gewählt, wird die durchschnittliche Leistung P_FC gleich der zuvor bestimmten zugehörigen durchschnittlichen Leistung P_{FC, avg,Betriebsstrategie} gesetzt. Soll stattdessen die maximal mögliche Reichweite R angezeigt oder gefahren werden, wird die durchschnittliche Leistung P_FC gleich der zuvor bestimmten Leistung P_{FC,avg,maxReichweite} gesetzt.
Im Block S120 wird dann die nutzbare Energie W_FC,nutzbar des Brennstoffzellensystems bestimmt.
Dazu wird in Schritt S108 die Regressionsgerade der nutzbaren Brennstoffzellenenergie W_FC,nutzbar bestimmt. Die Steigung g_FC dieser Geraden kann aus einem Quotienten einer Differenz der bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung P_FC,min, P_FC,max des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie W_FC,Pmin, W_FC,Pmax des Brennstoffzellensystems und einer Differenz der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung P_FC,min, P_FC,max des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Der virtuelle Nullpunkt W₀ dieser Geraden berechnet sich aus der verfügbaren Energie W_FC,P_min bei der minimal möglichen Leistung P_FC,min des Brennstoffzellensystems und subtrahiert davon die Steigung g_FC multipliziert mit der minimal möglichen Leistung P_FC,min. $g_{F C} = \frac{W (P_{F C, m i n}) - W (P_{F C, m a x})}{P_{F C, m i n} - P_{F C, m a x}} u n d W_{0} = W (P_{F C, m i n}) - g_{F C} \cdot P_{F C, m i n}$
In Schritt S110 wird die aus dem Brennstoffvorrat erzeugbare elektrische Energie W_FC,H2 des Brennstoffzellensystems aus der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung P_FC , der Steigung g_FC der Regressionsgeraden und deren virtuellen Nullpunkt W₀ bestimmt. $W_{F C, H 2} = W_{0} + g_{F C} \cdot P_{F C}$
In Schritt S112 wird die Anschaltzeit t_ON,FC des Brennstoffzellensystems aus der aus dem Brennstoffvorrat erzeugbaren elektrischen Energie W_FC,H2 und der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung P_FC bestimmt. $t_{O N, F C} = \frac{W_{F C, H 2}}{P_{F C}}$
Parallel wird in Schritt S114 die mögliche Betriebszeit des Fahrzeugs t_op,Fzg aus dem Energieinhalt W_BAT des Hochvoltenergiespeichers, aus der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung P_FC, aus dem Durchschnittsverbrauch B_avg und der Durchschnittsgeschwindigkeit V_avg des Fahrzeugs bestimmt. $t_{o p, F z g} = \frac{w_{B a t}}{P_{B a t, a v g}}, w o b e i P_{B a t, a v g} = m a x (1, v_{a v g} \cdot B_{a v g} - P_{F C})$
Die berechnete durchschnittliche Batterieleistung P_Bat,avg sollte dabei auf einen Wert größer oder gleich Eins beschränkt werden, um in Fällen, bei denen die durchschnittliche Brennstoffzellenleistung P_FC,avg beispielsweise vergleichbar oder größer ist als der aktuelle Verbrauch, eine Division durch einen sehr kleinen Wert oder sogar Null und damit unrealistisch hohe Fahrzeugbetriebszeiten zu vermeiden.
Eine nutzbare Energie W_FC,nutzbar des Brennstoffzellensystems wird so in Schritt 116 aus der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung P_FC und der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems t_OPFC, welche entweder gleich der maximal möglichen Anschaltzeit der Brennstoffzelle I_ON,FC, oder der möglichen Betriebszeit des Fahrzeugs t_op,Fzg ist, je nachdem, welche von beiden kleiner ist, bestimmt. $W_{F C, n u t z b a r} = t_{o p, F C} \cdot P_{F C}, w o b e i t_{o p, F C} = m i n (t_{O N, F C}, t_{o p, F z g})$
Mit dieser nutzbaren Energie des Brennstoffzellensystems W_FC,nutzbar kann dann in Schritt S118 die Berechnung der Reichweite R für die ausgewählte Betriebsstrategie erfolgen: $R = \frac{(W_{B a t} + W_{F C, n u t z b a r})}{B_{a v g}}$
Bezugszeichenliste

R: Reichweite
Bavg: Durchschnittsenergieverbrauch des Fahrzeugs
Vavg: Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs
top,Fzg: Betriebszeit Fahrzeug
PFC,min: Minimal mögliche Leistung des Brennstoffzellensystems
PFC,max: Maximal mögliche Leistung des Brennstoffzellensystems
PFC,avg,maxReichweite: Durchschnittliche Leistung des Brennstoffzellensystems zum Erreichen der maximalen Reichweite
PFC,avg,Betriebsstrategie: Durchschnittliche Leistung des Brennstoffzellensystems durch die Betriebsstrategie
PFC: Durchschnittliche Leistung des Brennstoffzellensystems
WFC,Pmin: Erzeugbare elektrische Energie des Brennstoffzellensystems bei Betrieb mit minimaler Leistung
WFC,Pmax: Erzeugbare elektrische Energie des Brennstoffzellensystems bei Betrieb mit maximaler Leistung
WFC,nutzbar: nutzbare Energie des Brennstoffzellensystems
WFC,H2: Aus dem Brennstoffvorrat erzeugbare Energie des Brennstoffzellensystems
top,FC: Betriebszeit des Brennstoffzellensystems
tON,FC: Mögliche Anschaltzeit des Brennstoffzellensystems
gFC: Gradient der Regressionsgeraden der durch das Brennstoffzellensystem erzeugbaren Energie
W0: Virtueller Nullpunkt der Regressionsgeraden der erzeugbaren Energie durch das Brennstoffzellensystem
WBat: Energieinhalt des Hochvoltenergiespeichers
PBAT,avg: Durchschnittliche Leistung des Hochvoltenergiespeichers
SOCBat: Aktueller Ladezustand des Hochvoltenergiespeichers
gSOC: Zulässiger Gradient der Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltenergiespeichers der Betriebsstrategie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015226229 A1 [0006]
DE 102012216115 A1 [0006]
WO 2020069796 A1 [0006]
DE 102017011664 A1 [0007, 0008, 0009]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Hochvoltenergiespeicher und einem Brennstoffzellensystem, wobei eine Reichweite (R) des Fahrzeugs für eine vorgebbare Betriebsstrategie bestimmt wird, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems über eine Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltenergiespeichers steuert, wobei, ausgehend von einer für eine maximal mögliche Reichweite erforderlichen Leistung (P_{FC,avg,maxReichweite}) des Brennstoffzellensystems und/oder ausgehend von einer für die Betriebsstrategie durchschnittlichen Leistung (P_{FC,avg,Betriebsstrategie}) des Brennstoffzellensystems, eine nutzbare Energie (W_FC,nutzbar) des Brennstoffzellensystems für einen an Bord des Fahrzeugs befindlichen Brennstoffvorrat bestimmt wird und wobei die Reichweite (R) aus einer Summe an nutzbarer Energie (W_FC,nutzbar) des Brennstoffzellensystems und einem Energieinhalt (W_Bat) des Hochvoltenergiespeichers sowie dem Durchschnittsverbrauch (B_avg) des Fahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die für eine maximal mögliche Reichweite erforderliche Leistung (P_{FC,avg,maxReichweite}) des Brennstoffzellensystems wenigstens aus dem Energieinhalt (W_Bat) des Hochvoltenergiespeichers, aus einem Durchschnittsverbrauch (B_avg) und einer Durchschnittsgeschwindigkeit (v_avg) des Fahrzeugs, aus einer minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems und einer bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie (W_FC,P_min, W_FC,Pmax) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aus der ausgewählten Betriebsstrategie resultierende durchschnittliche Leistung (P_{FC,avg,Betriebsstrategie}) des Brennstoffzellensystems, wenn diese mit Hilfe der vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Ladezustandskennlinie des Hochvoltspeichers gesteuert wird, wenigstens aus einem Gradienten (g_soc) der Soll-Ladezustandskennlinie, einem aktuellen Ladezustand (SOC_Bat) des Hochvoltenergiespeichers und dem Energieinhalt (W_Bat) des Hochvoltenergiespeichers, aus dem Durchschnittsverbrauch (B_avg) und der Durchschnittsgeschwindigkeit (v_avg) des Fahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine nutzbare Energie (W_FC,nutzbar) des Brennstoffzellensystems wenigstens aus einer Betriebszeit (t_op.FC) des Brennstoffzellensystems und einer durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung (P_FC) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Betriebszeit (t_op,FC) des Brennstoffzellensystems als Minimum aus einer maximal möglichen Anschaltzeit (t_ON,FC) des Brennstoffzellensystems und einer möglichen Betriebszeit (t_op,Fzg) des Fahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Betriebszeit (t_op,Fzg) des Fahrzeugs wenigstens aus dem Energieinhalt (W_Bat) des Hochvoltenergiespeichers, aus dem Durchschnittsverbrauch (B_avg) und der Durchschnittsgeschwindigkeit (v_avg) des Fahrzeugs und der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung (P_FC) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die maximal mögliche Anschaltzeit (t_ON,FC) des Brennstoffzellensystems wenigstens aus einer aus dem Brennstoffvorrat erzeugbaren Energie (W_FC,H2) des Brennstoffzellensystems und der durchschnittlichen Leistung (P_FC) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die aus dem Brennstoffvorrat erzeugbare elektrische Energie (W_FC,H2) wenigstens aus der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems und der bei der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie (W_FC,Pmin, W_FC,Pmax) des Brennstoffzellensystems über eine Bestimmung einer Regressionsgeraden und der durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung (P_FC) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Regressionsgerade wenigstens aus einem Gradienten (g_FC) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, welcher aus einem Quotienten einer Differenz einer bei einer minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energie (W_FC,Pmin, W_FC,Pmax) des Brennstoffzellensystems und einer Differenz der minimal möglichen und maximal möglichen Leistung (P_FC,min, P_FC,max) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird.