DE102022204020A1 - Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy - Google Patents
Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022204020A1 DE102022204020A1 DE102022204020.1A DE102022204020A DE102022204020A1 DE 102022204020 A1 DE102022204020 A1 DE 102022204020A1 DE 102022204020 A DE102022204020 A DE 102022204020A DE 102022204020 A1 DE102022204020 A1 DE 102022204020A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- operating
- fuel cell
- mpci
- strategy
- mpc2
- 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
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 101710165595 Mitochondrial pyruvate carrier 2 Proteins 0.000 claims abstract description 44
- 102100025031 Mitochondrial pyruvate carrier 2 Human genes 0.000 claims abstract description 44
- 101710101698 Probable mitochondrial pyruvate carrier 2 Proteins 0.000 claims abstract description 44
- 101710165590 Mitochondrial pyruvate carrier 1 Proteins 0.000 claims abstract description 43
- 102100024828 Mitochondrial pyruvate carrier 1 Human genes 0.000 claims abstract description 43
- 101710101695 Probable mitochondrial pyruvate carrier 1 Proteins 0.000 claims abstract description 43
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 8
- 101100238324 Arabidopsis thaliana MPC4 gene Proteins 0.000 claims description 7
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 7
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 6
- 101001051031 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) Mitochondrial pyruvate carrier 3 Proteins 0.000 claims description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 230000003679 aging effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 13
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 12
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 4
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 4
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 244000068988 Glycine max Species 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
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
-
- 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
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere für ein Fahrzeug (101), mithilfe von einer kombinierten, vorzugsweise zeitskalabasierten, Betriebsstrategie (MPC), aufweisend:- Bereitstellen von mindestens zwei Betriebsstrategien (MPC1, MPC2, ..., MPCN) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100), wobei die Betriebsstrategien unterschiedliche Dynamiken (D1, D2, ..., DN) aufweisen,- Bewerten von Betriebsstrategien (MPC1, MPC2, ..., MPCN) in Abhängigkeit von korrespondierenden Dynamiken (D1, D2, ..., DN),- Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellensystems (100) gemäß einer Betriebsstrategie (MPCi) mit einer, insbesondere niedrigen, Dynamik (Di),- Bereitstellen von Rahmenbedingungen (Ri), insbesondere für Stellgrößen, Zustandsgrößen, Ergebnisgrößen usw., gemäß der Betriebsstrategie (MPCi) an eine weitere Betriebsstrategie (MPCi+1) mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik (Di+1),- Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellensystems (100) gemäß der weiteren Betriebsstrategie (MPCi+1) mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik (Di+1) unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen (Ri) gemäß der Betriebsstrategie (MPCi).The invention relates to a method for operating at least one fuel cell system (100), in particular for a vehicle (101), using a combined, preferably time scale-based, operating strategy (MPC), comprising: - Providing at least two operating strategies (MPC1, MPC2, .. ., MPCN) for operating the fuel cell system (100), the operating strategies having different dynamics (D1, D2, ..., DN), - evaluating operating strategies (MPC1, MPC2, ..., MPCN) depending on corresponding dynamics (D1, D2, ..., DN), - Operating the at least one fuel cell system (100) according to an operating strategy (MPCi) with a, in particular low, dynamic (Di), - Providing framework conditions (Ri), in particular for manipulated variables, State variables, result variables, etc., according to the operating strategy (MPCi) to a further operating strategy (MPCi+1) with a further, in particular faster, dynamic (Di+1), - operating the at least one fuel cell system (100) according to the further operating strategy (MPCi +1) with a further, in particular faster, dynamic (Di+1) taking into account general conditions (Ri) according to the operating strategy (MPCi).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für ein Fahrzeug, mithilfe von einer kombinierten, vorzugsweise zeitskalabasierten, Betriebsstrategie. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine korrespondierende Steuereinheit zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens. Zudem betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Steuereinheit.The invention relates to a method for operating at least one fuel cell system, in particular for a vehicle, using a combined, preferably time scale-based, operating strategy. The invention further relates to a corresponding computer program product. The invention further relates to a corresponding control unit for carrying out a corresponding method. The invention also relates to a corresponding fuel cell system with a corresponding control unit.
Stand der TechnikState of the art
Bei Fahrzeugen (eng. „fuel cell vehicle“ bzw. FCV) mit Antriebssystemen mit einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen (eng. „fuel cell system“ bzw. FCS) ist eine Auswahl einer Betriebsstrategie wichtig. Bekannte Betriebsstrategien sind häufig kennfeldbasiert, bezogen auf nur eine Zeitskala, nur ein Betriebsziel, z.B. Verbrauch. Unterschiedliche Betriebsstrategien weisen verschiedene Betriebszelle auf:
- - flexible Bereitstellung von elektrischer Leistung (eng. „performance“), insbesondere unter dynamischen Bedingungen, bspw. in einem mobilen Betrieb eines Fahrzeuges,
- - Minimierung von Verbrauch an Treibstoffen, insbesondere von Brennstoffen, wie z. B. Wasserstoff,
- - Sicherstellung von Funktionalitäten unter variablen (weltweiten) Betriebsbedingungen, wie z. B: Gefrierstart, Heißland-Fahrt, Bergfahrt, Fahrt mit Anhänger, etc.,
- - Sicherstellung von Funktionalitäten über eine Betriebszeit, d. h. im Neuzustand wie im gealterten Zustand,
- - Minimierung von Alterung/Degradation-Effekten in einem Brennstoffzellenstack,
- - Minimierung von Alterung/Degradation-Effekten in Batterien, insbesondere in einer HV-Batterie,
- - Minimierung von Alterung/Degradation-Effekten in weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie z.B. in einem Luftverdichter eines Luftsystems des Brennstoffzellensystems,
- - Komfortabler Betrieb in einem Fahrzeug,
- - Vermeidung von unangenehmen Geräuschen für die Insassen und auch für das Umfeld eines Fahrzeuges, etc.
- - flexible provision of electrical power (“performance”), especially under dynamic conditions, for example in mobile vehicle operation,
- - Minimizing fuel consumption, especially fuels such as: B. hydrogen,
- - Ensuring functionalities under variable (global) operating conditions, such as: B: Freeze start, hot country driving, mountain driving, driving with trailer, etc.,
- - Ensuring functionalities over an operating period, i.e. in new condition as well as in aged condition,
- - Minimization of aging/degradation effects in a fuel cell stack,
- - Minimization of aging/degradation effects in batteries, especially in an HV battery,
- - Minimization of aging/degradation effects in other components of the fuel cell system, such as in an air compressor of an air system of the fuel cell system,
- - Convenient operation in a vehicle,
- - Avoidance of unpleasant noises for the occupants and also for the surroundings of a vehicle, etc.
Herausfordernd ist es bei unterschiedlichen Betriebsstrategien und/oder Betriebszielen, die verschiedenen Systemdynamiken in einem komplexen System zu berücksichtigen, angefangen von der Sensorerfassung, Verarbeitung etc., bis hin zu Steuerung/Regelung von verschiedenen Aktoren mit unterschiedlichen Dynamiken, Totzeiten, etc.With different operating strategies and/or operating goals, it is challenging to take the different system dynamics into account in a complex system, starting from sensor detection, processing, etc., up to the control/regulation of different actuators with different dynamics, dead times, etc.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für ein Fahrzeug, mithilfe von kombinierten Betriebsstrategien. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruches. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to the first aspect, the present invention provides: a method for operating at least one fuel cell system, in particular for a vehicle, using combined operating strategies. According to the second aspect, the present invention provides: a computer program product with the features of the independent product claim. According to the third aspect, the present invention provides: a control unit with the features of the independent device claim. According to the fourth aspect, the present invention provides: a fuel cell system with the features of the independent device claim. Features and details that are described in connection with different embodiments and/or aspects of the invention naturally also apply in connection with the other embodiments and/or aspects and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual embodiments and/or aspects always is or can be mutually referenced.
Die Erfindung stellt bereit: Verfahren zum Betreiben mindestens eines oder mehrerer Brennstoffzellensystems(e), insbesondere für eine mobile Anwendung, bspw. bei einem Fahrzeug, mithilfe von einer kombinierten, vorzugsweise zeitskalabasierten, Betriebsstrategie (ein beispielhaftes regelungstechnisches Verfahren, welches eine kombinierte, vorzugsweise zeitskalabasierte, Betriebsstrategie umsetzen kann, kann bspw. sein: MPC-Verfahren (eng. model predictive control); MHE-Verfahren (eng. moving horizon estimation) o. Ä.), aufweisend folgende Aktionen/Verfahrensschritte:
- - Bereitstellen von mindestens zwei Betriebsstrategien zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, wobei die Betriebsstrategien unterschiedliche Dynamiken aufweisen,
- - Bewerten (bspw. Anordnen, Sortieren, Systematisieren, Optimieren, Zusammenstellen und/oder Gruppieren) von Betriebsstrategien in Abhängigkeit von korrespondierenden Dynamiken,
- - Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellensystems gemäß einer Betriebsstrategie mit einer, insbesondere niedrigen, Dynamik,
- - Bereitstellen von Rahmenbedingungen (Constraints/Limitierungen), insbesondere für Stellgrößen, Zustandsgrößen, Ergebnisgrößen usw., gemäß der ersten Betriebsstrategie an eine weitere Betriebsstrategie mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik,
- - Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellensystems gemäß der weiteren Betriebsstrategie mit einer zweiten, insbesondere schnelleren, Dynamik unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen gemäß der, insbesondere langsameren, Betriebsstrategie.
- - Providing at least two operating strategies for operating the fuel cell system, the operating strategies having different dynamics,
- - Evaluating (e.g. arranging, sorting, systematizing, optimizing, compiling and/or grouping) operating strategies depending on corresponding dynamics,
- - Operating the at least one fuel cell system according to an operating strategy with, in particular, low dynamics,
- - Providing framework conditions (constraints/limitations), especially for manipulated variables, state variables and result variables etc., according to the first operating strategy to a further operating strategy with a further, in particular faster, dynamic,
- - Operating the at least one fuel cell system according to the further operating strategy with a second, in particular faster, dynamic, taking into account general conditions according to the, in particular slower, operating strategy.
Die letzten drei oder die letzten vier Schritte des Verfahrens können bspw. zusammen, gleichzeitig, zeitsynchronisiert, und/oder iterativ von i=1, 2, ..., N - 1 durchgeführt werden.The last three or the last four steps of the method can, for example, be carried out together, simultaneously, time-synchronized, and/or iteratively from i=1, 2, ..., N - 1.
Eine Betriebsstrategie im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist ein optimierungsbasiertes technisches Steuerungsverfahren und/oder Regelungsverfahren, welches unterschiedliche Aktionen/Verfahrensschritte aufweisen kann, angefangen von der Sensorerfassung, Verarbeitung etc., bis hin zu Steuerung/Regelung von verschiedenen Aktoren im Brennstoffzellensystem.An operating strategy within the scope of the present disclosure is an optimization-based technical control method and/or regulation method, which can have different actions/procedural steps, starting from sensor detection, processing, etc., to control/regulation of various actuators in the fuel cell system.
Eine Betriebsstrategie kann sich auf ein Brennstoffzellensystem als Ganzes beziehen oder auf ein oder mehrere Untersysteme eines Brennstoffzellensystems, wie z. B. ein Luftsystem, ein Anodensystem, ein Kühlsystem und/oder ein elektrisches System. Eine Betriebsstrategie kann sich aber auch übergreifend auf mehrere Brennstoffzellensysteme beziehen.An operating strategy may relate to a fuel cell system as a whole or to one or more subsystems of a fuel cell system, such as: B. an air system, an anode system, a cooling system and / or an electrical system. An operating strategy can also apply across multiple fuel cell systems.
Die Betriebsstrategien im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können folgende Steuerungsverfahren und/oder Regelungsverfahren umfassen:
- - modellprädiktive Regelung von elektrischen Größen (Spannung, Strom, elektrische Leistung),
- - modellprädiktive Regelung der gasförmigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Luftsystem (zur Sauerstoffversorgung eines Brennstoffzellenstacks) und/oder einem Wasserstoffsystem (zur Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenstacks),
- - modellprädiktive Regelung der flüssigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Kühlsystem und ggf. für die Wärmeübergänge im System (Wärmeübertrager, Pumpen, etc.),
- - modellprädiktive Regelung eines Wassermangementsystems (zur Regelung der Membranfeuchte bzw. des Membranwassergehalts),
- - modellprädiktive Regelung eines kurz-, mittel- und/oder langfristigen Stack-Betriebs- und/oder Alterungsverhaltens (zur Regelung reversibler Effekte und/oder zur Durchführung von Regenerationsmaßnahmen, Anpassungen der Betriebsstrategie, Lastprofile),
- - modellprädiktive Regelung langfristiges Stack-Betriebs- und Alterungsverhalten.
- - model-predictive control of electrical variables (voltage, current, electrical power),
- - model-predictive control of the gaseous and/or fluidic flows/media, for example in an air system (for supplying oxygen to a fuel cell stack) and/or a hydrogen system (for supplying hydrogen to the fuel cell stack),
- - model-predictive control of the liquid and/or fluid flows/media, for example in a cooling system and, if necessary, for the heat transfers in the system (heat exchangers, pumps, etc.),
- - model predictive control of a water management system (to control membrane moisture or membrane water content),
- - model-predictive control of short-, medium- and/or long-term stack operating and/or aging behavior (to control reversible effects and/or to carry out regeneration measures, adjustments to the operating strategy, load profiles),
- - Model predictive control of long-term stack operating and aging behavior.
Unter einer Dynamik für die jeweilige Betriebsstrategie kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Zeitskala einer korrespondierenden Betriebsstrategie verstanden werden, die folgende Zeitparameter aufweisen kann:
- - Zeitschrittweite (Tstep), bspw. zur Berechnung der Modelle, zur Optimierung, zur Aktor-Ansteuerung, zur Sensorerfassung, und/oder
- - Zeithorizonte (Tpred), bspw. Zeitspanne der Prädiktion, die für die Betriebsführung incl. Optimierung in der jeweiligen zeitskalierten Betriebsstrategie verwendet wird.
- - Time step width (Tstep), for example for calculating the models, for optimization, for actuator control, for sensor detection, and/or
- - Time horizons (Tpred), e.g. period of prediction, which is used for operational management including optimization in the respective time-scaled operating strategy.
Unter einer Dynamik für die jeweilige Betriebsstrategie kann weiterhin eine Gütefunktion bzw. eine Kostenfunktion, die konstant und/oder variabel sein kann, und/oder eines oder mehrere Betriebsziele einer korrespondierenden Betriebsstrategie, auch abhängig von Betriebsmodi, berücksichtigt werden.Under a dynamic for the respective operating strategy, a quality function or a cost function, which can be constant and/or variable, and/or one or more operating goals of a corresponding operating strategy, also depending on operating modes, can also be taken into account.
Die Dynamiken, die in der Gesamtregelung für ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme und auch in einem Brennstoffzellenfahrzeug berücksichtigt werden können, reichen von Millisekunden bis hin zu Jahren.The dynamics that can be taken into account in the overall control for one or more fuel cell systems and also in a fuel cell vehicle range from milliseconds to years.
Mithilfe der Erfindung können verschiedene Betriebsstrategien flexibel für die verschiedenen Dynamikklassen in einem Brennstoffzellensystem oder in mehreren Brennstoffzellensystemen, mit einem oder mehreren Energiespeichern, und auch in der gesamten mobilen Fahrzeuganwendung incl. Fahrzeugbewegungssteuerung/-regelung optimiert werden.With the help of the invention, different operating strategies can be flexibly optimized for the different dynamic classes in a fuel cell system or in several fuel cell systems, with one or more energy storage devices, and also in the entire mobile vehicle application including vehicle movement control/regulation.
Das Verfahren stellt multiple zeitskalenbasierte Betriebsstrategien bereit, die nach ihrer Dynamik bewertet, sortiert, systematisiert, optimiert, zusammengestellt und/oder gruppiert werden. Betriebsstrategien für Vorgänge mit ähnlichem dynamischem Verhalten und ggf. mit entsprechenden Rahmenbedingungen (sog. Constraint-Vorgaben und/oder Limitierungen) werden der gleichen Dynamik-Klasse zugeordnet. Die Durchführung des Verfahrens zum Betreiben mehrerer Brennstoffzellensysteme können unterschiedliche Betriebsstrategien systemübergreifend sortiert, systematisiert, optimiert, zusammengestellt und/oder gruppiert werden.The method provides multiple timescale-based operational strategies that are evaluated, sorted, systematized, optimized, compiled and/or grouped according to their dynamics. Operating strategies for processes with similar dynamic behavior and, if necessary, with corresponding framework conditions (so-called constraints and/or limitations) are assigned to the same dynamic class. When carrying out the method for operating multiple fuel cell systems, different operating strategies can be sorted, systematized, optimized, compiled and/or grouped across systems.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass eine Betriebsstrategie mit einem langsameren dynamischem Verhalten ihre Vorgaben an eine Betriebsstrategie mit einem schnelleren dynamischen Verhalten übermittelt. Auf diese Weise können die Vorgaben der Betriebsstrategie mit einem langsameren dynamischen Verhalten bei der Betriebsstrategie mit einem schnelleren dynamischen Verhalten berücksichtigt werden.The idea of the invention is that an operating strategy with a slower dynamic behavior meets its specifications Operating strategy communicated with faster dynamic behavior. In this way, the specifications of the operating strategy with a slower dynamic behavior can be taken into account in the operating strategy with a faster dynamic behavior.
Mithilfe des Verfahrens können:
- - die Dynamiken der unterschiedlichen Subsysteme aufeinander optimal abgestimmt und deren Potential ausgenutzt werden,
- - eine optimierte oder sogar optimale bzw. pareto-optimale Betriebsführung zur Erreichung von unterschiedlichen Betriebszielen bereitgestellt werden, und
- - eine adaptive Betriebsführung (incl. Anpassung von Dynamiken) erreicht werden.
- - the dynamics of the different subsystems are optimally coordinated and their potential is exploited,
- - an optimized or even optimal or Pareto-optimal operational management is provided to achieve different operational goals, and
- - Adaptive operational management (including adaptation of dynamics) can be achieved.
Das Verfahren ermöglicht, zu einer (näherungsweise global) optimalen Betriebsstrategie für ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme in einer mobilen Anwendung zu gelangen, inklusive Adaption bzw. Anpassung über Lebenszeit, System- und Umgebungsbedingungen und verschiedene Anwendungsfälle.The method makes it possible to arrive at an (approximately global) optimal operating strategy for one or more fuel cell systems in a mobile application, including adaptation over lifetime, system and environmental conditions and various use cases.
Mithilfe der Erfindung können mehrere Vorteile erreicht werden:
- - Optimierung von Rechenzeit,
- - Durchführung in Echtzeit, hierzu können die jeweiligen Betriebsstrategien bspw. in einem jeweils ausreichenden Zeitraster bewertet werden,
- - Reduktion von Komplexität bei der Systemregelung,
- - Einfachere Übertragbarkeit auf Topologie-Varianten,
- - Adaptionsmöglichkeiten individuell je nach Dynamik,
- - Adaption über Lebenszeit, Anwendungsfall, System- und Umgebungsbedingungen, Infrastruktur, gesetzliche Vorgaben, etc.,
- - Berücksichtigung konstanter und variabler Rahmenbedingungen/Constraints/Limitierungen,
- - Dynamikübergreifende Berücksichtigung von Rahmenbedingungen über mehrere Ebenen,
- - Optimierte oder sogar optimale kombinierte Betriebsstrategie zur bestmöglichen Erreichung von unterschiedlichen Betriebszielen auf allen relevanten Ebenen,
- - Berücksichtigung konstanter und variabler Kostenfunktionen,
- - Betriebsmodi abhängige Kostenfunktionen bzw. Optimierungen,
- - Möglichkeit der Aufteilung auf unterschiedliche Steuergeräte. Ferner kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- - Bereitstellen von Informationen, insbesondere Zustandsgrößen, Ergebnisgrößen usw., gemäß der weiteren Betriebsstrategie an die, insbesondere langsamere, Betriebsstrategie.
- - optimization of computing time,
- - Implementation in real time, for this purpose the respective operating strategies can be evaluated, for example, in a sufficient time frame,
- - Reduction of complexity in system control,
- - Easier transferability to topology variants,
- - Adaptation options individually depending on the dynamics,
- - Adaptation over lifetime, use case, system and environmental conditions, infrastructure, legal requirements, etc.,
- - Consideration of constant and variable framework conditions/constraints/limitations,
- - Cross-dynamic consideration of framework conditions across multiple levels,
- - Optimized or even optimal combined operating strategy to best achieve different operating goals at all relevant levels,
- - Consideration of constant and variable cost functions,
- - Operating mode-dependent cost functions or optimizations,
- - Possibility of splitting between different control devices. Furthermore, the method can have at least one further step:
- - Providing information, in particular state variables, result variables, etc., in accordance with the further operating strategy to the, in particular slower, operating strategy.
Auf diese Weise kann ein Informationsfluss von der zweiten Betriebsstrategie mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik zu der, insbesondere langsameren, Betriebsstrategie mit einer, insbesondere niedrigen, Dynamik ermöglicht werden. Auf diese Weise kann die, insbesondere langsamere, Betriebsstrategie die Informationen von der weiteren, insbesondere schnelleren, Betriebsstrategie berücksichtigen und die eigene Strategie ggf. anpassen.In this way, an information flow from the second operating strategy with a further, in particular faster, dynamic to the, in particular slower, operating strategy with a, in particular low, dynamic can be made possible. In this way, the operating strategy, particularly the slower one, can take into account the information from the further, particularly faster, operating strategy and adapt its own strategy if necessary.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Bewerten der Betriebsstrategien in Abhängigkeit von korrespondierenden Dynamiken unterschiedliche Zeitschrittweite und/oder Zeithorizonte der Betriebsstrategien berücksichtigt werden. Auf diese Weise können die Dynamiken von Betriebsstrategien auf eine vorteilhafte Weise bewertet, sortiert, systematisiert, optimiert, zusammengestellt und/oder gruppiert werden.Furthermore, it can be provided that when evaluating the operating strategies depending on corresponding dynamics, different time step sizes and/or time horizons of the operating strategies are taken into account. In this way, the dynamics of operational strategies can be evaluated, sorted, systematized, optimized, compiled and/or grouped in an advantageous manner.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass beim Bewerten der Betriebsstrategien in Abhängigkeit von korrespondierenden Dynamiken unterschiedliche, insbesondere konstante und/oder variable, Gütefunktionen und/oder Betriebsziele der Betriebsstrategien berücksichtigt werden. Auf diese Weise können unterschiedlichen Betriebsziele auf allen relevanten Dynamikebenen und abhängig vom Betriebsmodi berücksichtigt werden.Furthermore, it can be provided that when evaluating the operating strategies depending on corresponding dynamics, different, in particular constant and/or variable, quality functions and/or operating objectives of the operating strategies are taken into account. In this way, different operating goals can be taken into account at all relevant dynamic levels and depending on the operating mode.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren für mehrere Brennstoffzellensysteme durchgeführt werden.The method can advantageously be carried out for several fuel cell systems.
Außerdem ist es denkbar, dass Rahmenbedingungen und/oder Informationen zwischen jeweils zwei benachbarten Betriebsstrategien ausgetauscht werden. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass Rahmenbedingungen und/oder Informationen kaskadenartig zwischen Betriebsstrategien ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann eine hierarchische Berücksichtigung von Rahmenbedingungen und/oder Informationen von Betriebsstrategie zu Betriebsstrategie in Abhängigkeit von der Dynamik der jeweiligen Betriebsstrategien ermöglicht werden.It is also conceivable that framework conditions and/or information are exchanged between two adjacent operating strategies. In other words, it is conceivable that framework conditions and/or information are exchanged between operating strategies in a cascade manner. In this way, a hierarchical consideration of framework conditions and/or information from operating strategy to operating strategy can be made possible, depending on the dynamics of the respective operating strategies.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass Rahmenbedingungen und/oder Informationen zwischen mehreren, vorzugsweise allen, nacheinander angeordneten Betriebsstrategien ausgetauscht werden. Noch weiter ist es denkbar, dass Rahmenbedingungen und/oder Informationen broadcast und/oder peer-to-peer zwischen Betriebsstrategien ausgetauscht werden. Somit kann die Verfügbarkeit von Rahmenbedingungen und/oder Informationen über mehrere Dynamikebenen ermöglicht werden.In addition, it is conceivable that framework conditions and/or information between several, preferably all, operating strategies arranged one after the other can be exchanged. It is even further conceivable that framework conditions and/or information are exchanged broadcast and/or peer-to-peer between operating strategies. This allows the availability of framework conditions and/or information across multiple dynamic levels.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the second aspect, the present invention provides: a computer program product comprising instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out a method which can run as described above. With the help of the computer program product according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben, ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the third aspect, the present invention provides: a control unit, comprising a computing unit and a storage unit in which a code is stored, which, when at least partially executed by the computing unit, carries out a method which can run as described above. With the help of the control unit according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Die Steuereinheit kann dabei als eine zentrale Steuereinheit eines Fahrzeuges, eine gemeinsame Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme, als eine lokale Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Subsysteme in einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen und/oder als eine verteilte Steuereinheit.The control unit can act as a central control unit of a vehicle, a common control unit for at least one or more fuel cell systems, as a local control unit for at least one or more subsystems in one or more fuel cell systems and/or as a distributed control unit.
Vorteilhafterweise kann bei der Steuereinheit vorgesehen sein, dass die Rechenleistung zum Durchführen des Verfahrens zumindest zum Teil an eine externe Recheneinheit ausgelagert wird, insbesondere bei Betriebsstrategien mit niedrigen Dynamiken.Advantageously, it can be provided in the control unit that the computing power for carrying out the method is at least partially outsourced to an external computing unit, in particular in the case of operating strategies with low dynamics.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Steuereinheit, welche wie oben beschrieben, ausgeführt werden kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.The present invention, according to the fourth aspect, provides: a fuel cell system comprising a control unit which can be implemented as described above. With the help of the fuel cell system according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:Preferred embodiments:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 eine beispielhafte Struktur mit multiplen zeitskalenbasierten Betriebsstrategien mit verschiedenen Dynamiken, -
2 eine weitere beispielhafte Struktur mit multiplen zeitskalenbasierten Betriebsstrategien mit verschiedenen Dynamiken, und -
3 eine beispielhafte Struktur mit multiplen zeitskalenbasierten Betriebsstrategien mit verschiedenen Dynamiken bei Anwendungen mit mehreren Brennstoffzellensystemen bzw. mehreren Bren nstoffzel lenstacks.
-
1 an exemplary structure with multiple timescale-based operating strategies with different dynamics, -
2 another exemplary structure with multiple timescale-based operating strategies with different dynamics, and -
3 an exemplary structure with multiple timescale-based operating strategies with different dynamics in applications with multiple fuel cell systems or multiple fuel cell stacks.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why they are generally. d. R. can only be described once.
Die
Das Verfahren weist dabei folgende Aktionen/Verfahrensschritte auf:
- - Bereitstellen von mindestens zwei Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN zum Betreiben des
Brennstoffzellensystems 100, wobei die Betriebsstrategien unterschiedliche Dynamiken D1, D2, ..., DN aufweisen, - - Bewerten, umfassend bspw. Anordnen, Sortieren, Optimieren, Systematisieren, Zusammenstellen und/oder Gruppieren, von Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN in Abhängigkeit von korrespondierenden Dynamiken D1, D2, ..., DN,
- - Betreiben des
mindestens einen Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Betriebsstrategie MPCi mit einer, insbesondere niedrigen, Dynamik Di, - - Bereitstellen von Rahmenbedingungen Ri (Constraints/Limitierungen), insbesondere für Stellgrößen, Zustandsgrößen, Ergebnisgrößen usw., gemäß der Betriebsstrategie MPCi an eine weitere Betriebsstrategie MPCi+1 mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik D i+1,
- - Betreiben des
mindestens einen Brennstoffzellensystems 100 gemäß der weiteren Betriebsstrategie MPC i+1 mit einer weiteren, insbesondere schnelleren, Dynamik D i+1 unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen Ri gemäß der, insbesondere langsameren, Betriebsstrategie MPCi.
- - Providing at least two operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN for operating the
fuel cell system 100, the operating strategies having different dynamics D1, D2, ..., DN, - - Evaluate, including, for example, arranging, sorting, optimizing, systematizing, compiling and/or grouping, operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN depending on corresponding dynamics D1, D2, ..., DN,
- - Operating the at least one
fuel cell system 100 according to an operating strategy MPCi with a, in particular low, dynamic Di, - - Providing framework conditions Ri (constraints/limitations), especially for Control variables, state variables, result variables, etc., according to the operating strategy MPCi to a further operating strategy MPCi+1 with a further, in particular faster, dynamic D i+1,
- - Operating the at least one
fuel cell system 100 according to the further operating strategy MPC i+1 with a further, in particular faster, dynamic D i+1, taking into account general conditions Ri according to the, in particular slower, operating strategy MPCi.
Die letzten drei oder die letzten vier Schritte des Verfahrens können bspw. zusammen, gleichzeitig, zeitsynchronisiert, und/oder iterativ von i=1, 2, ..., N - 1 durchgeführt werden.The last three or the last four steps of the method can, for example, be carried out together, simultaneously, time-synchronized, and/or iteratively from i=1, 2, ..., N - 1.
Unter einer Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann ein optimierungsbasiertes technisches Steuerungsverfahren und/oder Regelungsverfahren verstanden werden, welches unterschiedliche Aktionen/Verfahrensschritte aufweisen kann, umfassend bspw. Sensorerfassung, Verarbeitung etc., bis hin zu Steuerung/Regelung von verschiedenen Aktoren im Brennstoffzellensystem.An operating strategy MPC1, MPC2, ..., MPCN in the context of the present disclosure can be understood to mean an optimization-based technical control method and / or regulation method, which can have different actions / method steps, including, for example, sensor detection, processing, etc., up to and including control /Control of various actuators in the fuel cell system.
Eine Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN kann sich auf ein Brennstoffzellensystem 100 als Ganzes beziehen oder auf ein oder mehrere Untersysteme eines Brennstoffzellensystems 100, wie z. B. ein Luftsystem, ein Anodensystem, ein Kühlsystem und/oder ein elektrisches System. Eine Betriebsstrategie kann sich aber auch übergreifend auf mehrere Brennstoffzellensysteme 100 beziehen.An operating strategy MPC1, MPC2, ..., MPCN may relate to a
Die Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können folgende Steuerungsverfahren und/oder Regelungsverfahren umfassen:
- MPC1 modellprädiktive Regelung von elektrischen Größen (Spannung, Strom, elektrische Leistung),
- MPC2 modellprädiktive Regelung der gasförmigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Luftsystem (zur Sauerstoffversorgung eines Brennstoffzellenstacks) und/oder einem Wasserstoffsystem (zur Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenstacks),
- MPC3 modellprädiktive Regelung der flüssigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Kühlsystem,
- MPC4 modellprädiktive Regelung eines Wassermangementsystems (zur Regelung der Membranfeuchte bzw. des Membranwassergehalts),
- MPC5 modellprädiktive Regelung eines kurz-, mittel- und/oder langfristigen Stack-Betriebs- und/oder Alterungsverhaltens (zur Regelung reversibler Effekte und/oder zur Durchführung von Regenerationsmaßnahmen, Anpassungen der Betriebsstrategie, Lastprofile),
- MPC6 modellprädiktive Regelung langfristiges Stack-Betriebs- und Alteru ngsverhalten
- MPC1 model predictive control of electrical variables (voltage, current, electrical power),
- MPC2 model predictive control of the gaseous and/or fluidic flows/media, for example in an air system (to supply oxygen to a fuel cell stack) and/or a hydrogen system (to supply hydrogen to the fuel cell stack),
- MPC3 model predictive control of liquid and/or fluidic flows/media, for example in a cooling system,
- MPC4 model predictive control of a water management system (for controlling membrane moisture or membrane water content),
- MPC5 model predictive control of short-, medium- and/or long-term stack operating and/or aging behavior (to control reversible effects and/or to carry out regeneration measures, adjustments to the operating strategy, load profiles),
- MPC6 model predictive control long-term stack operating and aging behavior
Unter einer Dynamik D1, D2, ..., DN für die jeweilige Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN kann eine Zeitskala einer korrespondierenden Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN verstanden werden, umfassend bspw. folgende Zeitparameter:
- - Zeitschrittweite Tstep, bspw. zur Berechnung der Modelle, zur Optimierung, zur Aktor-Ansteuerung, zur Sensorerfassung, und/oder
- - Zeithorizonte Tpred, bspw. Zeitspanne der Prädiktion, die für die Betriebsführung incl. Optimierung in der jeweiligen zeitskalierten Betriebsstrategie verwendet wird.
- - Time step width Tstep, for example for calculating the models, for optimization, for actuator control, for sensor detection, and/or
- - Time horizons Tpred, e.g. period of prediction that is used for operational management including optimization in the respective time-scaled operating strategy.
Unter einer Dynamik D1, D2, ..., DN für die jeweilige Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN kann weiterhin eine Gütefunktion bzw. eine Kostenfunktion, die konstant und/oder variabel sein kann, und/oder eines oder mehrere Betriebsziele einer korrespondierenden Betriebsstrategie, auch abhängig von Betriebsmodi, berücksichtigt werden.Under a dynamic D1, D2, ..., DN for the respective operating strategy MPC1, MPC2, ..., MPCN can also be a quality function or a cost function, which can be constant and / or variable, and / or one or more operating goals a corresponding operating strategy, also depending on operating modes, must be taken into account.
Die Dynamiken D1, D2, ..., DN, die in der Gesamtregelung für ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme 100 und auch in einem Brennstoffzellenfahrzeug berücksichtigt werden können, reichen von Millisekunden bis hin zu Jahren.The dynamics D1, D2, ..., DN, which can be taken into account in the overall control for one or more
Vorteilhafterweise können mithilfe des Verfahrens verschiedene Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN flexibel für die verschiedenen Dynamikklassen in einem Brennstoffzellensystem 100 oder in mehreren Brennstoffzellensystemen 100, mit einem oder mehreren Energiespeichern, und auch in der gesamten mobilen Fahrzeuganwendung incl. Fahrzeugbewegungssteuerung/-regelung in einer optimierten Weise kombiniert werden.Advantageously, using the method, different operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN can be flexibly implemented for the different dynamic classes in a
Das Verfahren stellt multiple zeitskalenbasierte Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN bereit, die nach ihrer Dynamik bewertet, sortiert, optimiert, systematisiert, zusammengestellt und/oder gruppiert werden. Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN für Vorgänge mit ähnlichem dynamischem Verhalten und ggf. mit entsprechenden Rahmenbedingungen (sog. Constraint-Vorgaben und/oder Limitierungen) können der gleichen Dynamik-Klasse zugeordnet werden. Die Durchführung des Verfahrens zum Betreiben mehrerer Brennstoffzellensysteme 100 können unterschiedliche Betriebsstrategien und/oder Limitierungen systemübergreifend sortiert, systematisiert, optimiert, zusammengestellt und/oder gruppiert werden.The method provides multiple timescale-based operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN, which are evaluated, sorted, optimized, systematized, compiled and/or grouped according to their dynamics. Operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN for processes with similar dynamic behavior and, if necessary, with corresponding framework conditions (so-called constraint specifications and/or limitations) can be assigned to the same dynamic class. The implementation of the method for operating multiple
Danach kann eine Betriebsstrategie MPCi (i = 1, 2, ..., N - 1) mit einem langsameren dynamischem Verhalten ihre Vorgaben an eine Betriebsstrategie MPCi+1 mit einem schnelleren dynamischen Verhalten übermitteln, wie es in den
Mithilfe des Verfahrens können die Dynamiken D1, D2, ..., DN von unterschiedlichen Subsystemen aufeinander optimal abgestimmt werden. Mithilfe des Verfahrens kann eine optimierte oder sogar optimale bzw. pareto-optimale Betriebsführung zur Erreichung von unterschiedlichen Betriebszielen bereitgestellt werden. Mithilfe des Verfahrens kann eine adaptive Betriebsführung (incl. Anpassung von Dynamiken) erreicht werden. Das Verfahren ermöglicht außerdem inklusive Adaption bzw. Anpassung über Lebenszeit, System- und Umgebungsbedingungen und verschiedene Anwendungsfälle.Using the process, the dynamics D1, D2, ..., DN of different subsystems can be optimally coordinated with one another. With the help of the method, optimized or even optimal or Pareto-optimal operational management can be provided to achieve different operational goals. The process can be used to achieve adaptive operational management (including adjustment of dynamics). The process also enables inclusive adaptation or adaptation over lifetime, system and environmental conditions and various use cases.
Mit anderen Worten schlägt das erfindungsgemäße Konzept vor:
- - unterschiedliche Systemdynamiken D1, D2, ..., DN in unterschiedlichen Klassen 1, 2, ..., N aufzuteilen, die in unterschiedlichen bzw. multiplen Zeitskalen:
- - die Aktionen, wie z. B. Berechnung, Optimierung, Messung, Abtastung, Trajektorienplanung, Vorsteuerung, Ansteuerung, Regelung, Diagnosen, Beobachterfunktionen, Plausibilisierungen, etc. durchführen (subsummiert unter Zeitschrittweite Tstep) und
- - auch einen jeweils eigenen Horizont prädizieren (subsummiert unter Zeithorizonte Tpred) und in den jeweiligen Optimierungen berücksichtigen.
- - divide different system dynamics D1, D2, ..., DN into different classes 1, 2, ..., N, which are in different or multiple time scales:
- - the actions, such as B. carry out calculation, optimization, measurement, scanning, trajectory planning, pre-control, control, regulation, diagnoses, observer functions, plausibility checks, etc. (subsumed under time step width Tstep) and
- - also predict their own horizon (subsumed under time horizons Tpred) and take them into account in the respective optimizations.
Die Zeitschrittweite Tstep (auch Tsample genannt) und der jeweilige prädiktive Horizont Tpred (für Prädiktion) können für jede Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN bzw. jede Systemdynamik separat definiert werden.The time step width Tstep (also called Tsample) and the respective predictive horizon Tpred (for prediction) can be defined separately for each operating strategy MPC1, MPC2, ..., MPCN or each system dynamic.
Dadurch werden gezielt für die relevanten Systemdynamiken D1, D2, ..., DN nur so viel Rechenpower investiert wie notwendig.This means that only as much computing power as necessary is invested specifically for the relevant system dynamics D1, D2, ..., DN.
Eine echtzeitfähige Umsetzung in Steuergeräten 102 im Fahrzeug ist möglich. Langsamere Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN bzw. langsamere Dynamiken D1, D2, ..., DN können optional auf einen externen Server, bspw. in der Cloud, berechnet werden.Real-time implementation in
Die multiplen zeitskalenbasierten Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN werden gekoppelt, wie in den
- Die durchgezogenen Pfeile bedeuten die Vorgaben der „langsamer“ getakten Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN bzw. der Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN mit geringerer Dynamik. Diese Daten enthalten insbesondere Rahmenbedingungen Ri (Constraints/Limitierungen), insbesondere für Stellgrößen, Zustandsgrößen, Ergebnisgrößen usw., die von den Vorgängen mit geringerer Dynamik bestimmt werden.
- The solid arrows mean the specifications of the “slower” clocked operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN or the operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN with lower dynamics. This data contains in particular framework conditions Ri (constraints/limitations), in particular for manipulated variables, state variables, result variables, etc., which are determined by the processes with lower dynamics.
Die jeweils schnellere Betriebsstrategie MPC1, MPC2, ..., MPCN mit schnellerer Dynamik D1, D2, ..., DN können diese Rahmenbedingungen Ri (Constraints/Limitierungen) in ihrer Dynamik D1, D2, ..., DN nicht wesentlich beeinflussen, sodass diese als Rahmenbedingungen Ri berücksichtigt werden können.The faster operating strategy MPC1, MPC2, ..., MPCN with faster dynamics D1, D2, ..., DN cannot significantly influence these framework conditions Ri (constraints/limitations) in their dynamics D1, D2, ..., DN, so that these can be taken into account as framework conditions Ri.
Über die Rahmenbedingungen Ri hinaus können noch weitere Daten vorgegeben werden.In addition to the general conditions Ri, further data can be specified.
Es können auch Rahmenbedingungen Ri von langsamer/höherer Ebene über das „Durchreichen“ von Daten auf schnellerer/unterer Ebene weitergeben werden.Framework conditions Ri can also be passed on from a slower/higher level via “passing through” data to a faster/lower level.
Die gestrichelt dargestellten Pfeile bedeuten die Rückmeldung der „schneller“ getakteten Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN bzw. der Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN mit höherer Dynamik. Diese Daten enthalten z.B. die aktuelle Performance, auch die prädiktive Performance für einen gewissen Horizont, die auflaufenden Kosten bzw. Input-Daten für die Kostenfunktionen der verbundenen Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN, Zustände von Komponenten/Subsysteme/Systeme, die für die MPC mit langsamerer Dynamik als Information relevant sein können.The arrows shown in dashed lines mean the feedback of the “faster” clocked operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN or the operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN with higher dynamics. This data contains, for example, the current performance, also the predictive performance for a certain horizon, the accruing costs or input data for the cost functions of the connected operating strategies MPC1, MPC2, ..., MPCN, states of components/subsystems/systems may be relevant for the MPC with slower dynamics than information.
Daten können auch über mehrere Ebenen in diese Richtung durchgereicht werden.Data can also be passed on in this direction across multiple levels.
Vorteilhafterweise können nun auch Kostenfunktionen/Gütefunktionen und/oder Betriebsziele für die jeweilige Dynamiken D1, D2, ..., DN individuell angewendet werden. Somit kann eine jeweilige optimierte Betriebsführung für die jeweilige Systemdynamik D1, D2, ..., DN umgesetzt werden, obwohl Ziele für verschiedene Dynamiken D1, D2, ..., DN unterschiedlich definiert werden können.Advantageously, cost functions/quality functions and/or operating goals can now also be applied individually for the respective dynamics D1, D2, ..., DN. Thus, a respective optimized operational management can be implemented for the respective system dynamics D1, D2, ..., DN, although goals for different dynamics D1, D2, ..., DN can be defined differently.
Für die jeweiligen Betriebsstrategien MPC1, MPC2, ..., MPCN können folgende Parameter definiert werden:
- - Zeitschrittweite Tstep,
- - Zeithorizonte Prädiktion Tpred,
- - Gütefunktion bzw. Betriebsziele (bspw.: jeweilige Alterung der beteiligten Komponenten, elektrischer Leistungsverbrauch der jeweiligen Aktoren, Abweichung zwischen Soll- und Istwerten, NVH, etc.), wobei diese auch betriebsmodiabhängig definiert werden können,
- - Rahmenbedingungen R1 (Limitierungen/Constraints, bspw. Max- und Min-Limitierung von Aktoren, max. zulässige Gradienten, etc.),
- - Stellgrößen (bspw. für Aktoren, Ventilstellungen, Drehmomente von Antrieben, Heizer, etc.),
- - Zustandsgrößen (bspw. Drücke, Drehzahlen, Temperaturen, Temperaturdifferenzen, Aktivität, Konzentrationen, etc.)
- - Ergebnisgrößen (bspw. elektrische Leistung, Abwärmen, Gesamtspannung, elektrischer Verbrauch, etc.).
- - time step width Tstep,
- - time horizon prediction Tpred,
- - Quality function or operating goals (e.g.: respective aging of the components involved, electrical power consumption of the respective actuators, deviation between setpoint and actual values, NVH, etc.), whereby these can also be defined depending on the operating mode,
- - Framework conditions R1 (limits/constraints, e.g. max and min limits of actuators, max. permissible gradients, etc.),
- - Control variables (e.g. for actuators, valve positions, torques of drives, heaters, etc.),
- - State variables (e.g. pressures, speeds, temperatures, temperature differences, activity, concentrations, etc.)
- - Result variables (e.g. electrical power, waste heat, total voltage, electrical consumption, etc.).
Im Folgenden werden beispielhafte Dynamiken D1, D2, ..., DN und unterschiedliche Beispiel-Werte angegeben, die die unterschiedlichen Größenordnungen der Dynamiken D1, D2, ..., DN aufzeigen können. Die Dynamiken D1, D2, ..., DN sind davon abhängig, ob die jeweiligen zu betreibenden Systeme eher dynamisch oder eher langsam betrieben werden. Die Zeitschrittweite Tstep und die Zeithorizonte Tpred der Prädiktion können auch variabel sein, z.B. abhängig von einer konkreten Anwendung und/oder einem Betriebsmodus.Below, exemplary dynamics D1, D2, ..., DN and different example values are given, which can show the different magnitudes of the dynamics D1, D2, ..., DN. The dynamics D1, D2, ..., DN depend on whether the respective systems to be operated are operated dynamically or rather slowly. The time step width Tstep and the time horizons Tpred of the prediction can also be variable, for example depending on a specific application and/or an operating mode.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC1 kann z. B, für elektrische Größen bzw. Powernet vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC1 can e.g. B, be intended for electrical variables or Powernet.
Die Dynamik D1 des elektrischen Systems ist sehr schnell. Die Berechnung/Zeitschrittweite/Abtastung muss hochfrequent erfolgen. Der prädiktive Zeithorizont ist kurz.
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. 400 ns ..... 5 ms.
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. 4ms ....400ms.
- - Time step width Tstep e.g. 400 ns ..... 5 ms.
- - Time horizons Tpred for prediction e.g. 4ms ....400ms.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC2 kann für die gasförmigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Luftsystem (zur Sauerstoffversorgung eines Brennstoffzellenstacks) und/oder einem Wasserstoffsystem (zur Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenstacks), vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC2 can be provided for the gaseous and/or fluid flows/media, for example in an air system (for supplying oxygen to a fuel cell stack) and/or a hydrogen system (for supplying hydrogen to the fuel cell stack).
Die Dynamiken D2 für die gasförmigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien wird in unterschiedlichen Richtungen von unterschiedlichen Systemen dominiert. Beim Druckaufbau ist die Sauerstoffversorgung (Luftsystem und Kathodenpfad) langsamer als die Wasserstoffversorgung. Beim Druckabbau ist die Dynamik im Wesentlichen durch den Anodenkreis (durch Wasserstoffverbrauch und/oder Purge/Drain) limitiert und der Kathodenpfad meist schneller.The dynamics D2 for the gaseous and/or fluidic flows/media is dominated by different systems in different directions. When pressure builds up, the oxygen supply (air system and cathode path) is slower than the hydrogen supply. When pressure is reduced, the dynamics are essentially limited by the anode circuit (due to hydrogen consumption and/or purge/drain) and the cathode path is usually faster.
Zudem ist es außerordentlich wichtig, die zulässige max. Druckdifferenz über die Membran (d.h. zwischen Kathoden- und Anodenseite) einzuhalten. Die genannten Punkte führen dazu dass die zwei Gassysteme deshalb vorzugsweise mit gleichen Dynamiken D2 und damit mit gleicher Zeitskala gerechnet werden und deshalb auch in einer Betriebsstrategie MPC2 zusammengefasst werden können (denkbar wäre natürlich auch zwei unterschiedliche Betriebsstrategien MPC2 mit gleicher Zeitskala).
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. 10ms .... 100ms.
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. 200ms .... 1500ms.
- - Time step width Tstep e.g. 10ms .... 100ms.
- - Time horizons Tpred for prediction e.g. 200ms .... 1500ms.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC3 kann für die flüssigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien, bspw. in einem Kühlsystem und ggf. für die Wärmeübergänge im System (Wärmeübertrager, Pumpen, etc.) vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC3 can be provided for the liquid and/or fluid flows/media, for example in a cooling system and possibly for the heat transfers in the system (heat exchangers, pumps, etc.).
Die Dynamik D3 ist hierbei langsamer als für die gasförmigen und/oder fluidischen Strömungen/Medien.
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. 100 ms .... 500ms.
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. 1s ....20s.
- - Time step width Tstep e.g. 100 ms .... 500ms.
- - Time horizons Tpred for the prediction e.g. 1s ....20s.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC4 kann für Wassermanagement bzw. Membranfeuchte/-wassergehalt vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC4 can be intended for water management or membrane moisture/water content.
Der Wassergehalt bzw. Feuchtegehalt der Membran bzw. das Wassermanagement ist entscheidend für die gute Funktionalität des Stacks und für die Vermeidung von zu starker Alterung. Da der Brennstoffzellenstapel bzw. die einzelnen Brennstoffzellen auch interne Wasserspeichermöglichkeiten haben, ergeben sich dadurch etwas langsamere Dynamiken D4 bzw. auch Trägheits-Effekte, die es erfordern einen zurückliegenden Betriebszeitraum mit zu betrachten, um eine Prädiktion vornehmen zu können.
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. 500ms ....5s.
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. 3s ....200s.
- - Time step width Tstep e.g. 500ms ....5s.
- - Time horizons Tpred for the prediction e.g. 3s...200s.
Die Betriebsstrategie MPC4 kann bspw. auf die Austrittsfeuchte des Stacks am Kathodenausgang regeln.The MPC4 operating strategy can, for example, regulate the exit moisture of the stack at the cathode output.
Aufgrund starker Kopplung von Wassermangement mit der Stacktemperatur können auch die Betriebsstrategie MPC3 mit der Betriebsstrategie MPC4 zusammengefasst werden (vgl.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC5 kann für mittelfristiges Stack-Betriebs-und Alterungsverhalten vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC5 can be intended for medium-term stack operating and aging behavior.
Diese Betriebsstrategie MPC5 ist für die Beurteilung und die Anpassung des mittelfristigen Stack-Betriebs- und Alterungsverhalten zuständig. Der Stack bzw. auch die Stacks (bei Multistacksystemen) haben sowohl reversible als auch irreversible Alterungseffekte. Die reversiblen Effekte, die zu Leistungseinbußen bzw. Verschlechterung des Betriebs führen, können rückgängig gemacht werden. Dies kann durch entsprechende Betriebspunkte, Lastprofile geschehen (die sowieso vorkommen beim Fahren) oder auch durch gezielte Regenerationsfunktionen (die speziell getriggert werden und zu einer temporären Änderung des Gesamtbetriebs führen können).This operating strategy MPC5 is responsible for assessing and adapting the medium-term stack operating and aging behavior. The stack or stacks (in multi-stack systems) have both reversible and irreversible aging effects. The reversible effects that lead to loss of performance or deterioration in operation can be reversed. This can be done through appropriate operating points, load profiles (which occur when driving anyway) or through targeted regeneration functions (which are specifically triggered and can lead to a temporary change in overall operation).
Diese Betriebsstrategie MPC5 kann sozusagen variable Rahmenbedingungen R5 aufgrund von reversiblen Effekten an die schnelleren Betriebsstrategien MPC1 bis MPC4 weitergeben, wobei dies sowohl eine Verschärfung der Rahmenbedingungen R5, als auch eine Lockerung der Rahmenbedingungen R5 (z.B. nach Regeneration) bedeuten kann.
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. Minute(n)...stunde(n).
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. Stunden ....Tage.
- - Time step width Tstep e.g. minute(s)...hour(s).
- - Time horizons Tpred for prediction e.g. hours...days.
Eine mögliche Betriebsstrategie MPC6 kann für langfristiges Stack-Betriebs- und Alterungsverhalten vorgesehen sein.A possible operating strategy MPC6 can be intended for long-term stack operating and aging behavior.
Diese Betriebsstrategie MPC6 ist für die Beurteilung und die Anpassung der langfristigen Stack-Betriebs-und Alterungsverhalten zuständig. Der Stack bzw. auch die Stacks (bei Multistacksystemen) altern/degradieren auch irreversible. This operating strategy MPC6 is responsible for assessing and adapting the long-term stack operating and aging behavior. The stack or stacks (in multi-stack systems) also age/degrade irreversibly.
Diese Effekte können nicht mehr rückgängig gemacht werden. Das Betriebsverhalten der Brennstoffzellensysteme aber auch der übergeordneten Systeme z.B. Leistungsverzweigung zwischen Batterie und Brennstoffzellensysteme muss angepasst werden.
- - Zeitschrittweite Tstep z.B. Stunden ... Tage.
- - Zeithorizonte Tpred für die Prädiktion z.B. Woche(n).... Monate.
- - Time step width Tstep e.g. hours ... days.
- - Time horizons Tpred for the prediction e.g. week(s)...months.
In der
für verschiedene Dynamiken D1, D2, ..., DN im System mit mehreren Brennstoffzellensystemen 100 abgebildet. Die Struktur aus der
for different dynamics D1, D2, ..., DN in the system with several
Wenn jedoch durch ein Subsystem, bspw. durch ein Luftsystem, mehrere Brennstoffzellensysteme 100 versorgt werden, dann kann eine Betriebsstrategie MPCi für die korrespondierende Dynamikklasse Di vorgesehen werden.However, if several
Wie es die
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can, if it makes technical sense, be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022204020.1A DE102022204020A1 (en) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022204020.1A DE102022204020A1 (en) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022204020A1 true DE102022204020A1 (en) | 2023-10-26 |
Family
ID=88238410
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022204020.1A Pending DE102022204020A1 (en) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022204020A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10233821A1 (en) | 2002-07-25 | 2004-02-05 | Daimlerchrysler Ag | Controlling energy supply of mobile device with electric drive motor(s) and hybrid energy supply system involves deriving difference between fuel cell system and storage battery power components |
DE102020202132A1 (en) | 2020-02-19 | 2021-08-19 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for operating a fuel cell system |
DE102020212654A1 (en) | 2020-10-07 | 2022-04-07 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Device and computer-implemented method for determining a state of a fuel cell system |
-
2022
- 2022-04-26 DE DE102022204020.1A patent/DE102022204020A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10233821A1 (en) | 2002-07-25 | 2004-02-05 | Daimlerchrysler Ag | Controlling energy supply of mobile device with electric drive motor(s) and hybrid energy supply system involves deriving difference between fuel cell system and storage battery power components |
DE102020202132A1 (en) | 2020-02-19 | 2021-08-19 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for operating a fuel cell system |
DE102020212654A1 (en) | 2020-10-07 | 2022-04-07 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Device and computer-implemented method for determining a state of a fuel cell system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE112008003031B4 (en) | The fuel cell system | |
DE102014225189A1 (en) | Fuel cell system and method for controlling the same | |
DE102014215828A1 (en) | Drive control method and system of a fuel cell system | |
DE102015207678A1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING HYDROGEN FLUSHING | |
WO2019121132A1 (en) | Method and test bench for carrying out a test run for a fuel cell | |
DE102015209155A1 (en) | Fuel cell system and method for controlling the same | |
EP2941675B1 (en) | Method for the computerized control and/or regulation of a technical system | |
EP3488480A1 (en) | Regulated gas conditioning process for a reaction gas of a fuel cell | |
EP2913502A1 (en) | Method for operating a combustion engine coupled with a generator and device for carrying out the method | |
DE102020108243A1 (en) | Method and control unit for controlling a non-linear technical process | |
DE112008002735T5 (en) | The fuel cell system | |
DE102022200374A1 (en) | Fuel cell system and method for operating a fuel cell system | |
DE102022204020A1 (en) | Method for operating at least one fuel cell system using a combined operating strategy | |
DE102005000611A1 (en) | Fuel cell system for automobiles has a diagnostic facility with a controller to maintain electrical power during diagnosis phase | |
DE102015004677B4 (en) | Method for regulating the output of a fuel cell system | |
EP3552292B1 (en) | Energy storage apparatus and use thereof | |
DE102020107001A1 (en) | Method and device for determining the status of an on-board electrical system of a vehicle | |
DE102015210086A1 (en) | Method for controlling an air flow in a fuel cell | |
EP2564459A1 (en) | Method for controlling energy management in a fuel cell system | |
EP2130259B1 (en) | Fuel cell system and method for regulating a fuel cell system | |
DE102020210082B4 (en) | Device and computer-implemented method for operating a fuel cell system | |
DE102023111180B4 (en) | Method for identifying a law for the feedforward control of a control parameter of a powertrain from measurement data | |
DE102014009865A1 (en) | Method for cooling a fuel cell | |
AT524858B1 (en) | Creation method for creating at least one individual system model for a fuel cell system for modeling relationships between system input parameters and system output parameters | |
DE102022101330B4 (en) | Control device and method for operating an internal combustion engine, operator device for operating a power supply system, internal combustion engine arrangement and power supply system with an internal combustion engine arrangement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |