DE102022206799A1

DE102022206799A1 - Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für eine Systemkomponente eines Zellensystems, ein Zellensystem und ein Computerprogramm

Info

Publication number: DE102022206799A1
Application number: DE102022206799.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Egger; Ingo KERKAMM; Alexander Konstandin; Felix Eberhard Hildebrand; Maxime Carre; Markus Klinsmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024008496A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für zumindest eine Systemkomponente (30, 32), insbesondere für eine Steuereinheit (26), eines Zellensystems (22), welches zumindest eine elektrochemische Zelle (24) aufweist.Es wird vorgeschlagen, dass anhand zumindest eines Modells des Zellensystems (22) in Abhängigkeit von zumindest einer Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems (22) und von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems (22) der Kalibrationsparameter ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Es sind bereits Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für eine Systemkomponente eines Zellensystems, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für zumindest eine Systemkomponente, insbesondere für eine Steuereinheit, eines Zellensystems, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass anhand zumindest eines Modells des Zellensystems in Abhängigkeit von zumindest einer Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems und in Abhängigkeit von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems der Kalibrationsparameter ermittelt wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine besonders präzise Parametrisierung des Zellensystems, vorzugsweise der zumindest einen Systemkomponente des Zellensystems, erreicht werden. Vorteilhaft kann eine Parametrisierung des Zellensystems mit einem sensortechnisch besonders geringen Aufwand realisiert werden. Es kann vorteilhaft eine besonders effiziente Regelung des Zellensystems erreicht werden. Vorteilhaft kann ein besonders effizienter Betrieb eines Zellensystems erreicht werden.
Die elektrochemische Zelle ist vorzugsweise als eine Festoxidbrennstoffzelle ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die elektrochemische Zelle als eine andere Brennstoffzelle, beispielsweise als eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder dergleichen, als eine Elektrolysezelle oder als eine Akkumulatorzelle ausgebildet ist. Beispielsweise ist alternativ auch denkbar, dass die elektrochemische Zelle in einem Elektrolyseur verwendet wird. Es ist denkbar, dass das Zellensystem lediglich eine, insbesondere die zuvor bereits genannte, elektrochemische Zelle aufweist oder dass das Zellensystem mehrere elektrochemische Zellen aufweist, beispielsweise zwei, drei oder mehrere hundert elektrochemische Zellen. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Zellen des mehrere elektrochemischen Zellen aufweisenden Zellensystems zu einem Stapel zusammengefasst und insbesondere in Serie geschaltet. Es ist auch denkbar, dass das Zellensystem mehrere, aus mehreren elektrochemischen Zellen gebildete Stapel umfasst, die vorzugsweise zu einem Modul oder einem Turm zusammengefasst sind.
Das Zellensystem weist insbesondere die Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, das Verfahren zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters für die zumindest eine Systemkomponente des Zellensystems durchzuführen. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, anhand des zumindest einen Modells in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems den zumindest einen Kalibrationsparameter zu ermitteln. Unter „vorgesehen“ soll speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Die Steuereinheit umfasst insbesondere zumindest einen Prozessor und ein Speicherelement sowie ein auf dem Speicherelement gespeichertes Betriebsprogramm. Das Speicherelement ist vorzugsweise als digitales Speichermedium, beispielsweise als eine Festplatte oder dergleichen ausgebildet. Das Zellensystem umfasst insbesondere ein Gehäuse, in welchem vorzugsweise die zumindest eine elektrochemische Zelle oder der durch mehrere elektrochemische Zellen gebildete Stapel angeordnet ist. Es ist denkbar, dass die Steuereinheit zumindest teilweise an, insbesondere zumindest teilweise in, dem Gehäuse angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass das Zellensystem eine externe Einheit aufweist, wobei die externe Einheit zumindest einen Teil der Steuereinheit umfasst. Die externe Einheit kann beispielsweise eine Cloud, ein Server oder dergleichen sein. Es ist denkbar, dass die externe Einheit anhand des zumindest einen Modells den zumindest einen Kalibrationsparameter in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems ermittelt. Es ist auch denkbar, dass die externe Einheit das Speicherelement der Steuereinheit umfasst.
Die Systemkomponente des Zellensystems ist vorzugsweise die Steuereinheit. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Systemkomponente des Zellensystems als ein Gebläse, insbesondere als ein Luftgebläse oder als ein Zirkulationsgebläse, als ein Massendurchflussregler, als ein Wärmeübertrager, als eine Durchflusssensorik, als ein Softsensor oder als eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Systemkomponente des Zellensystems ausgebildet ist. Die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems kann beispielsweise eine Durchflusskenngröße des Gebläses, insbesondere eine Durchflusskenngröße des Luftgebläses oder eine Durchflusskenngröße des Zirkulationsgebläses, ein Ventilstand eines Ventils, insbesondere eines Nadelventils, eine Druckkenngröße des Gebläses, insbesondere eine Kenngröße bezüglich eines Druckaufbaus am Gebläse oder eine Kenngröße bezüglich eines Druckabbaus am Gebläse, eine Druckkenngröße des Ventils, insbesondere eine Kenngröße bezüglich eines Druckaufbaus an dem Ventil oder eine Kenngröße bezüglich eines Druckabbaus an dem Ventil oder dergleichen sein. Der zumindest eine Kalibrationsparameter ist beispielsweise zur Kalibration der Durchflusssensorik für Luft oder Brenngas, einer Luftdurchflusssteuerung, einer Brenngasdurchflusssteuerung, einer Temperaturregelung, einer Leistungsregelung, einer Gebläsesteuerung, des Softsensors oder dergleichen vorgesehen. Das Zellensystem umfasst beispielsweise lediglich die zumindest eine Systemkomponente. Alternativ ist jedoch denkbar, dass das Zellensystem mehrere Systemkomponenten aufweist, wobei vorzugsweise anhand des zumindest einen Modells in Abhängigkeit von zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems und von zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems zumindest ein Kalibrationsparameter für zumindest eine Systemkomponente der mehreren Systemkomponenten des Zellensystems, bevorzugt jeweils zumindest ein Kalibrationsparameter für die mehreren Systemkomponenten, ermittelt werden. Es ist denkbar, dass die zumindest eine Systemkomponente des Zellensystems die Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems, in Abhängigkeit von der insbesondere anhand des Modells zusammen mit der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems der Kalibrationsparameter für die zumindest eine Systemkomponente des Zellensystems ermittelt wird, aufweist. Alternativ ist auch denkbar, dass eine weitere Systemkomponente der mehreren Systemkomponenten des Zellensystems die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems, in Abhängigkeit von der insbesondere anhand des Modells zusammen mit der Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems der Kalibrationsparameter für die zumindest eine Systemkomponente des Zellensystems ermittelt wird, aufweist.
Die Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems weist insbesondere zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems und/oder zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems auf. Bevorzugt ist die Ausgangskenngröße des Zellensystems eine Ausgangsspannung des Zellensystems, insbesondere eine Ausgangsspannung der zumindest einen elektrochemischen Zelle oder des durch die mehreren elektrochemischen Zellen gebildeten Stapels, eine elektrische Arbeit, eine elektrische Leistung oder dergleichen. Der zumindest eine Betriebsparameter des Zellensystems ist beispielsweise ein abgefragter Laststrom, eine Temperatur, insbesondere eine Gastemperatur, ein Volumenfluss, ein Luftausnutzungsgrad, ein Kraftstoffausnutzungsgrad, eine Gaszusammensetzung, einen Druck, eine Druckdifferenz oder dergleichen. Es ist denkbar, dass das Zellensystem, insbesondere die Steuereinheit oder die externe Einheit, eine Komponentenerfassungseinheit aufweist, welche insbesondere zum, bevorzugt sensorischen, Erfassen der zumindest einen Komponentenkenngröße des Zellensystems vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass das Zellensystem, vorzugsweise die Systemkomponente, insbesondere die Steuereinheit, oder die externe Einheit eine Eingabeeinheit zur Eingabe der zumindest einen Komponentenkenngröße des Zellensystems aufweist. Vorzugsweise ist die Eingabeeinheit datentechnisch mit der Steuereinheit verbunden oder verbindbar, insbesondere zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Die Eingabeeinheit kann beispielsweise als eine Tastatur, als ein Tastenfeld, als ein Touchscreen, als ein Drehregler, als ein Schieberegler, als eine Drucktaste oder dergleichen ausgebildet sein.
Das Modell kann ein deterministisches Modell, bevorzugt ein physikalisches Modell, oder ein datenbasiertes Modell sein. Das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, ist vorzugsweise ein Simulationsmodell des Zellensystems, welches bevorzugt einen Betrieb des Zellensystems im stationären Zustand beschreibt. Vorzugsweise basiert das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, auf der Finite-Elemente-Methode. Das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, weist insbesondere mehrere Eingangsgrößen und zumindest eine Ausgangsgröße auf. Bevorzugt umfassen die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems. Vorzugsweise umfassen die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, den zumindest einen Kalibrationsparameter. Bevorzugt umfassen die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems. Bevorzugt umfasst die zumindest eine Ausgangsgröße des physikalischen Modells die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems.
Das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, stellt vorzugsweise eine Abbildung dar, welche die Eingangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt zumindest den zumindest einen Kalibrationsparameter, den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems und die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems, auf den Ausgangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems, abbildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zur Ermittlung des Kalibrationsparameters das Modell, insbesondere das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, invertiert und optimiert wird, bevorzugt bezüglich des zumindest einen Kalibrationsparameters. Bevorzugt wird in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Datenerzeugungsschritt, zumindest ein Datensatz für das deterministische Modell mit Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems, vorzugsweise zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems und zu dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems, erzeugt. Beispielsweise wird der Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, mittels statistischer Versuchsplanung, beispielsweise mittels Latin Hypercube Sampling, Active Learning oder dergleichen, erzeugt. Der Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, beschreibt vorzugsweise ein Zielverhalten des Zellensystems. Vorzugsweise sind die Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, derart erzeugt, dass ein zugehöriger Systemzustand des Zellensystems durch das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, beschreibbar ist. Beispielsweise ist denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, lediglich auf stationäre Bedingungen anwendbar ist, sodass dementsprechend hinreichend stationäre Systemverhaltenskenngrößen zu verwenden sind. Es ist auch denkbar, dass die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems, vorzugsweise die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems und/oder der zumindest eine Betriebsparameter des Zellensystems, zumindest teilweise vorverarbeitet werden, beispielsweise Oszillationen oder dergleichen durch einen Filter entfernt werden. Es ist denkbar, dass mehrere Systemverhaltenskenngrößen des Zellensystems zumindest teilweise zusammengefasst werden. Es ist auch denkbar, dass die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems zur Anpassung an das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, vorzugsweise in einem Datenverarbeitungsschritt, zumindest teilweise umgerechnet wird, bevorzugt durch die Steuereinheit. Beispielsweise wird die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, insbesondere in dem Datenverarbeitungsschritt, bei Bedarf auf die Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, umgerechnet. Beispielsweise ist denkbar, dass das Zellensystem mehrere Stapel, welche jeweils mehrere elektrochemische Zellen aufweisen, aufweist, wobei eine Mittelung über die einzelnen Stapel durchgeführt wird oder dass ein erfasster Strom des Zellensystems in eine Stromdichte umgerechnet wird. Anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, wird vorzugsweise, insbesondere in dem Datenverarbeitungsschritt, der zumindest eine Kalibrationsparameter zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems ermittelt. Beispielsweise wird anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, vorzugsweise in dem Datenverarbeitungsschritt, der zumindest eine Kalibrationsparameter bestimmt, für den das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zusammen mit dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, vorhersagen. Insbesondere wird für die Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters, bevorzugt in dem Datenverarbeitungsschritt, ein Optimierungsverfahren angewandt, beispielsweise eine Bayessche Optimierung, ein Simulated-Annealing-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen. Vorteilhaft kann der zumindest eine Kalibrationsparameter besonders präzise ermittelt werden. Vorteilhaft kann eine besonders effiziente Systemregelung des Zellensystems realisiert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Modell ein, insbesondere das zuvor bereits genannte, deterministisches Modell ist, welches zum Training eines Regressionsmodells verwendet wird. Vorzugsweise wird das Regressionsmodell anhand von mittels des physikalischen Modells ermittelter Ergebnisse trainiert. Bevorzugt ist das trainierte Regressionsmodell dazu vorgesehen, das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zumindest zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters in Abhängigkeit von der zumindest Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems zu ersetzen.
Das Regressionsmodell ist insbesondere zur Verwendung in einem Optimierungsverfahren zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters oder zur direkten Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters anhand der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems vorgesehen. Das Training des Regressionsmodells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen. Vorteilhaft kann der zumindest eine Kalibrationsparameter mittels des Regressionsmodells besonders zeiteffizient und recheneffizient ermittelt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass als Daten für die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems zumindest teilweise Daten von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße zumindest eines weiteren Zellensystems, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, verwendet werden. Die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems ist insbesondere eine zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems analoge Größe. Vorzugsweise wird in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Datenbereitstellungsschritt, ein Datensatz für das datenbasierte Modell bereitgestellt, vorzugsweise mittels der Steuereinheit. Der Datensatz für das datenbasierte Modell weist vorzugsweise Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems, vorzugsweise zu zumindest einer Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems und zu zumindest einem Betriebsparameter des weiteren Zellensystems, auf, welche an dem weiteren Zellensystem, vorzugsweise in einem Betrieb des weiteren Zellensystems, erfasst wurden. Der Datensatz für das datenbasierte Modell weist Daten zu zumindest einer Systemkomponentenkenngröße einer Systemkomponente des weiteren Zellensystems auf. Der zumindest eine Betriebsparameter des weiteren Zellensystems ist insbesondere eine zu dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems analoge Größe. Die zumindest eine Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems ist insbesondere eine zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems analoge Größe. Vorzugsweise weist das weitere Zellensystem eine Erfassungseinheit zur zumindest teilweisen Erfassung der Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem auf. Die Erfassungseinheit ist vorzugsweise datentechnisch mit der Steuereinheit des Zellensystems, insbesondere mit der externen Einheit des Zellensystems, verbunden, bevorzugt zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Es ist denkbar, dass Daten zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems und/oder zu dem zumindest einen Betriebsparameter des weiteren Zellensystems, an dem weiteren Zellensystem, bevorzugt sensorisch, erfasst werden, vorzugsweise mittels der Erfassungseinheit. Die Erfassungseinheit umfasst beispielsweise zumindest eine Sensoreinheit zum zumindest teilweisen Erfassen der Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems. Die Erfassungseinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, zumindest Daten zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems, insbesondere sensorisch, an dem weiteren Zellensystem zu erfassen. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen Spannungssensor, insbesondere zum Erfassen der Daten zu der als Ausgangsspannung ausgebildeten Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem. Es ist denkbar, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest teilweise die Daten zu dem zumindest einen Betriebsparameter des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die Daten zu dem zumindest einen, insbesondere als Stellgröße oder Regelgröße ausgebildeten, Betriebsparameter des weiteren Zellensystems direkt mittels einer Steuereinheit des weiteren Zellensystems ausgelesen werden, bevorzugt von der Steuereinheit des weiteren Zellensystems bereitgestellt werden. Das datenbasierte Modell für das Zellensystem wird vorzugsweise in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem weiteren Datenverarbeitungsschritt, in Abhängigkeit von den Daten von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems dem zumindest einen weiteren Zellensystem, vorzugsweise in Abhängigkeit von den Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems und/oder in Abhängigkeit von den Daten zu der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße der zumindest einen Systemkomponente des weiteren Zellensystems, insbesondere in Abhängigkeit von dem Datensatz für das datenbasierte Modell, trainiert. Das Training des datenbasierten Modells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einer Support Vector Machine, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen. Das trainierte datenbasierte Modell ist insbesondere dazu vorgesehen, den zumindest einen Kalibrationsparameter zumindest in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems zu ermitteln, vorzugsweise in dem weiteren Datenverarbeitungsschritt. Vorteilhaft können Erfahrungswerte aus anderen Zellensystemen zur Parametrisierung des Zellensystems genutzt werden. Vorteilhaft kann eine besonders präzise Systemparametrisierung erreicht werden. Vorteilhaft kann eine besonders effiziente Systemregelung realisiert werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass anhand eines, vorzugsweise des zuvor bereits genannten, weiteren, insbesondere von dem Modell verschiedenen, Modells des Zellensystems in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems der zumindest eine Kalibrationsparameter ermittelt wird. Beispielsweise ist das weitere Modell als das datenbasierte Modell ausgebildet und das Modell als das deterministische Modell, insbesondere als das physikalische Modell. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das weitere Modell als das deterministische Modell, insbesondere als das physikalische Modell, und das Modell als das datenbasierte Modell ausgebildet ist. Ferner ist alternativ denkbar, dass im Verfahren lediglich ein Modell, insbesondere das datenbasierte Modell oder das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, verwendet wird. Vorteilhaft kann der ermittelte Kalibrationsparameter besonders zuverlässig überprüft werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass durch einen Abgleich eines anhand des Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter mit einem anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter ein resultierender Wert für den Kalibrationsparameter ermittelt wird. Es ist denkbar, dass ein resultierender Wert für den Kalibrationsparameter aus einem Mittelwert des anhand des Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter und des anhand des weiteren Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter ermittelt wird. Zusätzlich ist auch denkbar, dass der anhand des Modells ermittelte Wert für den Kalibrationsparameter und/oder der anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter mit einem Gewichtungsfaktor versehen sind/ist. Alternativ sind jedoch auch andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Rechenverfahren für die Ermittlung des resultierenden Werts für den Kalibrationsparameter aus dem anhand des Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter und dem anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter denkbar. In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Parametrisierungsschritt, wird die zumindest eine Systemkomponente, insbesondere die Steuereinheit, des Zellensystems mit dem resultierenden Wert für den Kalibrationsparameter, mit dem anhand des Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter oder mit dem anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter kalibriert. Vorteilhaft kann der Kalibrationsparameter besonders präzise ermittelt werden. Vorteilhaft kann das Zellensystem, insbesondere die zumindest eine Systemkomponente, besonders präzise kalibriert werden. Vorteilhaft kann eine besonders effiziente Systemregelung des Zellensystems realisiert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Modell ein, insbesondere das zuvor bereits genannte, deterministisches Modell und das weitere Modell ein, insbesondere das zuvor bereits genannte, datenbasiertes Modell ist. Bevorzugt wird der resultierende Wert für den Kalibrationsparameter in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Abgleichsschritt, durch einen Abgleich eines anhand des deterministischen Modells, vorzugsweise des physikalischen Modells, ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter mit einem anhand des datenbasierten Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter ermittelt. Vorteilhaft kann der ermittelte Kalibrationsparameter besonders zuverlässig überprüft werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei der Ermittlung des Kalibrationsparameters eine Alterungskenngröße des Zellensystems berücksichtigt wird. Es ist denkbar, dass die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, die Alterungskenngröße des Zellensystems umfassen. Die Alterungskenngröße beschreibt insbesondere einen Alterungszustand des Zellensystems. Beispielsweise weist die Alterungskenngröße bei einem ungealterten Zustand des Zellensystems einen Wert von 1 auf und vorzugsweise einen Wert größer 1 für einen gealterten Zustand des Zellensystems auf. Die Alterungskenngröße ist vorzugsweise eine skalare Größe. Das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, weist insbesondere eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich der Alterungskenngröße auf. Es ist denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell zumindest durch ein Herausfiltern von physikalisch irrelevanten Ergebnissen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich der Alterungskenngröße aufweist. Beispielsweise kann das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, auf einem Modell gemäß einer Veröffentlichung von Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell" (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181) basieren, welches eine Degradation des Festoxidbrennstoffzellen aufweisenden Zellensystems beschreibt, wobei ein ohmscher Anteil von inneren Spannungsverlusten mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor versehen ist. Alternativ ist beispielsweise auch denkbar, dass andere vom ohmschen Anteil verschiedene Widerstände von internen Spannungsverlusten, insbesondere die Konzentrationsverluste oder Polarisationsverluste, des Zellensystems oder ein gesamter innerer Widerstand des Zellensystems mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor multipliziert werden. Besonders bevorzugt wird in dem deterministischen Modell, insbesondere dem physikalischen Modell, ein gesamter spezifischer Flächenwiderstand des Zellensystems mit der Alterungskenngröße multipliziert. Das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, stellt vorzugsweise eine Abbildung dar, welche die Eingangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt zumindest den zumindest einen Kalibrationsparameter, den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems, die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems und die Alterungskenngröße des Zellensystems, auf den Ausgangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems, abbildet. Bevorzugt wird das Modell, insbesondere das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, zur Ermittlung der Alterungskenngröße und des zumindest einen Kalibrationsparameters invertiert und optimiert, vorzugsweise bezüglich der Alterungskenngröße und des zumindest einen Kalibrationsparameters. Anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, wird vorzugsweise, insbesondere in dem Datenverarbeitungsschritt, die Alterungskenngröße und der zumindest eine Kalibrationsparameter zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems ermittelt. Beispielsweise wird anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, vorzugsweise in dem Datenverarbeitungsschritt, der zumindest eine Kalibrationsparameter und die Alterungskenngröße bestimmt, für die das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zusammen mit dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, vorhersagen. Insbesondere wird für die Ermittlung der Alterungskenngröße und des zumindest einen Kalibrationsparameters, bevorzugt in dem Datenverarbeitungsschritt, ein, insbesondere das zuvor bereits genannte, Optimierungsverfahren angewandt, beispielsweise eine Bayessche Optimierung, ein Simulated-Annealing-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen. Es ist auch denkbar, dass das Regressionsmodell zur Ermittlung der Alterungskenngröße und des zumindest einen Kalibrationsparameters vorgesehen, insbesondere trainiert, ist. Vorteilhaft kann eine Systemregelung an einen Alterungszustand des Zellensystems angepasst werden. Vorteilhaft kann das Zellensystem in Abhängigkeit von einem Alterungszustand des Zellensystems besonders effizient geregelt werden.
Zudem wird ein, insbesondere das zuvor bereits genannte, Zellensystem mit zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, elektrochemischen Zelle und mit zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Es kann vorteilhaft ein Zellensystem mit einer besonders präzisen Steuerungskalibration zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhaft kann ein Zellensystem mit einer besonders effizienten Steuerungsregelung bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann ein besonders effizientes Zellensystem zur Verfügung gestellt werden.
Außerdem wird ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, vorgeschlagen. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf dem Speicherelement der Steuereinheit gespeichert. Alternativ ist auch denkbar, dass das Computerprogramm auf einem tragbaren Datenträger, beispielsweise auf einem USB-Stick, auf einer tragbaren Festplatte, auf einem optischen Datenträger, insbesondere auf einer CD oder dergleichen, in einer Cloud, auf einem Server oder dergleichen gespeichert ist. Insbesondere weist die Steuereinheit den Computer zur Durchführung des Computerprogramms an. Vorteilhaft kann ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für zumindest eine Systemkomponente eines Zellensystems besonders komfortabel und flexibel angepasst werden. Vorteilhaft kann das Verfahren an unterschiedlichen Zellensystemen angewandt und insbesondere besonders komfortabel an ein jeweiliges Zellensystem angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das erfindungsgemäße Zellensystem und/oder das erfindungsgemäße Computerprogramm sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren, das erfindungsgemäße Zellensystem und/oder das erfindungsgemäße Computerprogramm zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Zellensystem mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und mit zumindest einer Steuereinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für eine Systemkomponente des Zellensystems und
2 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Zellensystem 22 mit mehreren elektrochemischen Zellen 24 (in 1 ist beispielhaft lediglich eine elektrochemische Zelle 24 dargestellt). Alternativ ist auch denkbar, dass das Zellensystem 22 lediglich eine elektrochemische Zelle 24 aufweist. Die elektrochemischen Zellen 24 sind zu einem Stapel zusammengefasst. Es ist auch denkbar, dass das Zellensystem 22 mehrere, aus mehreren elektrochemischen Zellen 24 gebildete Stapel umfasst, die vorzugsweise zu einem Modul oder einem Turm zusammengefasst sind. Die elektrochemischen Zellen 24 sind in Serie geschaltet. Die elektrochemischen Zellen 24 sind als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass die elektrochemischen Zellen 24 als andere Brennstoffzellen, beispielsweise als Polymerelektrolytbrennstoffzellen oder dergleichen, als Elektrolysezellen oder als Akkumulatorzellen ausgebildet sind. Beispielsweise ist alternativ auch denkbar, dass die elektrochemischen Zellen 24 in einem Elektrolyseur verwendet werden.
Das Zellensystem 22 weist zwei Systemkomponenten 30, 32 auf. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Zellensystem 22 lediglich eine Systemkomponente 30, 32 oder mehr als zwei Systemkomponenten 30, 32 aufweist.
Das Zellensystem 22 weist zumindest eine Steuereinheit 26 auf. Eine Systemkomponente 32 der Systemkomponenten 30, 32 entspricht der Steuereinheit 26. Eine weitere Systemkomponente 30 der Systemkomponenten 30, 32 ist beispielsweise als ein Gebläse, insbesondere als ein Luftgebläse oder als ein Zirkulationsgebläse, als ein Massendurchflussregler, als ein Wärmeübertrager, als eine Durchflusssensorik, als ein Softsensor oder als eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Systemkomponente des Zellensystems 22 ausgebildet. Die Steuereinheit 26 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für die Systemkomponente 32, insbesondere die Steuereinheit 26, des Zellensystems 22 vorgesehen.
Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Steuereinheit 26 dazu vorgesehen ist, zumindest einen Kalibrationsparameter für die weitere Systemkomponente 30 des Zellensystems 22 oder zumindest einen Kalibrationsparameter für die weitere Systemkomponente 30 des Zellensystems 22 und zumindest einen Kalibrationsparameter für die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22 zu ermitteln. Beispielsweise ist alternativ denkbar, dass der zumindest eine Kalibrationsparameter beispielsweise zur Kalibration der Durchflusssensorik für Luft oder Brenngas, einer Luftdurchflusssteuerung, einer Brenngasdurchflusssteuerung, einer Temperaturregelung, einer Leistungsregelung, einer Gebläsesteuerung, des Softsensors oder dergleichen vorgesehen ist.
Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, anhand eines Modells in Abhängigkeit von zumindest einer Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 und in Abhängigkeit von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 den zumindest einen Kalibrationsparameter für die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22 zu ermitteln. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, anhand eines weiteren Modells in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 den zumindest einen Kalibrationsparameter für die Systemkomponente 32 zu ermitteln. Alternativ ist auch denkbar, dass im Verfahren lediglich das Modell oder das weitere Modell verwendet wird.
Die weitere Systemkomponente 30 des Zellensystems 22 weist die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 auf. Die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems kann beispielsweise eine Durchflusskenngröße des Gebläses, insbesondere eine Durchflusskenngröße des Luftgebläses oder eine Durchflusskenngröße des Zirkulationsgebläses, ein Ventilstand eines Ventils, insbesondere eines Nadelventils, eine Druckkenngröße des Gebläses, insbesondere eine Kenngröße bezüglich eines Druckaufbaus am Gebläse oder eine Kenngröße bezüglich eines Druckabbaus am Gebläse, eine Druckkenngröße des Ventils, insbesondere eine Kenngröße bezüglich eines Druckaufbaus an dem Ventil oder eine Kenngröße bezüglich eines Druckabbaus an dem Ventil oder dergleichen sein. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22 die Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 aufweist, oder dass die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22 und die weitere Systemkomponente 30 des Zellensystems 22 jeweils zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 aufweisen, in Abhängigkeit von denen insbesondere anhand des Modells und/oder des weiteren Modells zusammen mit der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 der Kalibrationsparameter für die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22 ermittelt wird.
Die Steuereinheit 26 weist zumindest einen Prozessor (hier nicht dargestellt) und ein Speicherelement (hier nicht dargestellt) sowie ein auf dem Speicherelement gespeichertes Betriebsprogramm auf. Das Speicherelement ist als digitales Speichermedium, beispielsweise als eine Festplatte oder dergleichen, ausgebildet.
Das Zellensystem 22 umfasst ein Gehäuse (hier nicht dargestellt), in welchem der durch die mehreren elektrochemischen Zellen 24 gebildete Stapel angeordnet ist. Es ist denkbar, dass die Steuereinheit 26 zumindest teilweise an, insbesondere zumindest teilweise in, dem Gehäuse angeordnet ist. Alternativ ist auch denkbar, dass das Zellensystem 22 eine externe Einheit (hier nicht dargestellt) aufweist, wobei die externe Einheit zumindest einen Teil der Steuereinheit 26 umfasst. Die externe Einheit kann beispielsweise eine Cloud, ein Server oder dergleichen sein. Es ist auch denkbar, dass die externe Einheit das Speicherelement der Steuereinheit 26 umfasst. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm 28 gespeichert, umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms 28 durch einen Computer diesen/diese veranlassen, das Verfahren zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters für die Systemkomponente 32, insbesondere für die Steuereinheit 26, durchzuführen. Die Steuereinheit 26 weist den Computer auf. Alternativ ist auch denkbar, dass das Computerprogramm 28 auf einem tragbaren Datenträger, beispielsweise auf einem USB-Stick, auf einer tragbaren Festplatte, auf einem optischen Datenträger, insbesondere auf einer CD oder dergleichen, in einer Cloud, auf einem Server oder dergleichen gespeichert ist.
Die Systemverhaltenskenngröße weist zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 und zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22 auf. Die Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 ist eine Ausgangsspannung des Zellensystems 22, insbesondere eine Ausgangsspannung des durch die mehreren elektrochemischen Zellen 24 gebildeten Stapels, eine elektrische Arbeit, eine elektrische Leistung oder dergleichen. Der zumindest eine Betriebsparameter des Zellensystems 22 ist beispielsweise ein abgefragter Laststrom, eine Temperatur, insbesondere eine Gastemperatur, ein Volumenfluss, ein Luftausnutzungsgrad, ein Kraftstoffausnutzungsgrad, eine Gaszusammensetzung, einen Druck, eine Druckdifferenz oder dergleichen. Es ist denkbar, dass das Zellensystem 22, insbesondere die Steuereinheit 26 oder die externe Einheit, eine Komponentenerfassungseinheit aufweist, welche insbesondere zum, bevorzugt sensorischen, Erfassen der zumindest einen Komponentenkenngröße des Zellensystems 22 vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass das Zellensystem 22, vorzugsweise die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22, insbesondere die Steuereinheit 26, oder die externe Einheit eine Eingabeeinheit zur Eingabe der zumindest einen Komponentenkenngröße des Zellensystems 22 aufweist. Vorzugsweise ist die Eingabeeinheit datentechnisch mit der Steuereinheit 26 verbunden oder verbindbar, insbesondere zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Die Eingabeeinheit kann beispielsweise als eine Tastatur, als ein Tastenfeld, als ein Touchscreen, als ein Drehregler, als ein Schieberegler, als eine Drucktaste oder dergleichen ausgebildet sein.
Das Modell ist ein deterministisches Modell, insbesondere ein physikalisches Modell. Das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, ist vorzugsweise ein Simulationsmodell des Zellensystems 22, welches bevorzugt einen Betrieb des Zellensystems 22 im stationären Zustand beschreibt. Vorzugsweise basiert das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, auf der Finite-Elemente-Methode.
Das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, weist mehrere Eingangsgrößen und zumindest eine Ausgangsgröße auf. Die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, weisen die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 auf. Die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, weisen den zumindest einen Kalibrationsparameter auf. Die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, weisen den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22 auf.
Bei der Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters wird eine Alterungskenngröße des Zellensystems 22 berücksichtigt. Die Eingangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, weisen die Alterungskenngröße des Zellensystems 22 auf. Die Alterungskenngröße beschreibt einen Alterungszustand des Zellensystems 22. Beispielsweise weist die Alterungskenngröße bei einem ungealterten Zustand des Zellensystems 22 einen Wert von 1 auf und einen Wert größer 1 für einen gealterten Zustand des Zellensystems 22 auf. Die Alterungskenngröße ist eine skalare Größe. Die zumindest eine Ausgangsgröße des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, weist die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 auf. Alternativ ist auch denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, frei von einer Alterungskenngröße ist.
Das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, weist eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich des zumindest einen Kalibrationsparameters und der Alterungskenngröße auf. Es ist denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zumindest durch ein Herausfiltern von physikalisch irrelevanten Ergebnissen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich des zumindest einen Kalibrationsparameters und der Alterungskenngröße aufweist.
Beispielsweise kann das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, auf einem Modell gemäß einer Veröffentlichung von Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell" (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181) basieren, welches eine Degradation des Festoxidbrennstoffzellen aufweisenden Zellensystems beschreibt, wobei ein ohmscher Anteil von inneren Spannungsverlusten mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor versehen ist. Alternativ ist beispielsweise auch denkbar, dass andere vom ohmschen Anteil verschiedene Widerstände von internen Spannungsverlusten, insbesondere die Konzentrationsverluste oder Polarisationsverluste, des Zellensystems 22 oder ein gesamter innerer Widerstand des Zellensystems 22 mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor multipliziert werden. Besonders bevorzugt wird in dem deterministischen Modell, insbesondere dem physikalischen Modell, ein gesamter spezifischer Flächenwiderstand des Zellensystems 22 mit der Alterungskenngröße multipliziert.
Das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, stellt eine Abbildung dar, welche die Eingangsgrößen des physikalischen Modells, insbesondere den zumindest einen Kalibrationsparameter, den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22, die zumindest eine Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 und die Alterungskenngröße des Zellensystems 22, auf den Ausgangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems 22, abbildet.
2 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters für die Systemkomponente 32 des Zellensystems 22, insbesondere für die Steuereinheit 26. Anhand des Modells des Zellensystems 22 wird in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 der zumindest eine Kalibrationsparameter ermittelt. Anhand des weiteren Modells des Zellensystems 22 wird in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 der zumindest eine Kalibrationsparameter ermittelt.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Datenerzeugungsschritt 10, wird zumindest ein Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, mit Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22, vorzugsweise zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 und zu dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22, erzeugt. Der Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, wird mittels statistischer Versuchsplanung, beispielsweise mittels Latin Hypercube Sampling, Active Learning oder dergleichen, erzeugt. Der Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, beschreibt ein Zielverhalten des Zellensystems 22.
Die Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, sind derart erzeugt, dass ein zugehöriger Systemzustand des Zellensystems 22 durch das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, beschreibbar ist. Beispielsweise ist denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, lediglich auf stationäre Bedingungen anwendbar ist, sodass dementsprechend hinreichend stationäre Systemverhaltenskenngrößen zu verwenden sind. Es ist auch denkbar, dass die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22, vorzugsweise die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 und/oder der zumindest eine Betriebsparameter des Zellensystems 22, zumindest teilweise vorverarbeitet werden, beispielsweise Oszillationen oder dergleichen durch einen Filter entfernt werden.
Es ist denkbar, dass die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 zur Anpassung an das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Datenverarbeitungsschritt 12, zumindest teilweise umgerechnet wird, bevorzugt durch die Steuereinheit 26. Beispielsweise wird die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 aus dem Datensatz für das deterministische Modell, vorzugsweise das physikalische Modell, in dem Datenverarbeitungsschritt 12 bei Bedarf auf die Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, umgerechnet.
Anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, wird in dem Datenverarbeitungsschritt 12 der zumindest eine Kalibrationsparameter und die Alterungskenngröße zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 ermittelt. Anhand des deterministischen Modells, insbesondere des physikalischen Modells, wird in dem Datenverarbeitungsschritt 12 der zumindest eine Kalibrationsparameter und die Alterungskenngröße bestimmt, für die das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zusammen mit dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22 aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 aus dem Datensatz für das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, vorhersagen. Zur Ermittlung des Kalibrationsparameters und insbesondere der Alterungskenngröße wird das Modell, vorzugsweise das deterministische Modell, bevorzugt das physikalische Modell, invertiert und optimiert. Zur Ermittlung des Kalibrationsparameters und insbesondere der Alterungskenngröße wird das Modell, vorzugsweise das deterministische Modell, bevorzugt das physikalische Modell, bezüglich des zumindest einen Kalibrationsparameters und vorzugsweise bezüglich der Alterungskenngröße invertiert und optimiert. Für die Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters und insbesondere der Alterungskenngröße in dem Datenverarbeitungsschritt 12 wird ein Optimierungsverfahren, vorzugsweise auf das invertierte Modell, angewandt, beispielsweise eine Bayessche Optimierung, ein Simulated-Annealing-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen.
Es ist auch denkbar, dass das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zum Training eines Regressionsmodells verwendet wird. Vorzugsweise wird das Regressionsmodell anhand von mittels des physikalischen Modells ermittelter Ergebnisse trainiert. Das trainierte Regressionsmodell ist dazu vorgesehen, das deterministische Modell, insbesondere das physikalische Modell, zumindest zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters und der Alterungskenngröße in Abhängigkeit von der zumindest Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22, insbesondere in dem Datenverarbeitungsschritt 12, zu ersetzen. Das Regressionsmodell ist zur Verwendung in einem Optimierungsverfahren zur Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters und der Alterungskenngröße oder zur direkten Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters und der Alterungskenngröße anhand der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 und der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 vorgesehen. Das Training des Regressionsmodells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen.
Das weitere Modell ist ein datenbasiertes Modell. Als Daten für die Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 werden zumindest teilweise Daten zumindest einer Systemverhaltenskenngröße von zumindest einem weiteren Zellensystem (hier nicht dargestellt), welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, verwendet, insbesondere bei der Ermittlung des zumindest einen Kalibrationsparameters und vorzugsweise der Alterungskenngröße anhand des weiteren Modells. Die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems ist eine zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems 22 analoge Größe. In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Datenbereitstellungsschritt 14, wird ein Datensatz für das datenbasierte Modell erzeugt. Der Datensatz für das datenbasierte Modell weist Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems, vorzugsweise zu zumindest einer Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems und zu zumindest einem Betriebsparameter des weiteren Zellensystems, auf, welche an dem weiteren Zellensystem in einem Betrieb des weiteren Zellensystems erfasst wurden. Der Datensatz für das datenbasierte Modell weist Daten zu zumindest einer Systemkomponentenkenngröße einer Systemkomponente des weiteren Zellensystems auf. Der zumindest eine Betriebsparameter des weiteren Zellensystems ist eine zu dem zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems 22 analoge Größe. Die zumindest eine Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems ist eine zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 analoge Größe.
Es ist denkbar, dass das weitere Zellensystem eine Erfassungseinheit zur zumindest teilweisen Erfassung der Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem aufweist. Die Erfassungseinheit ist vorzugsweise datentechnisch mit der Steuereinheit 26 des Zellensystems 22, insbesondere mit der externen Einheit des Zellensystems 22, verbunden, bevorzugt zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Es ist denkbar, dass Daten zu der zumindest einen Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems und/oder zu dem zumindest einen Betriebsparameter des weiteren Zellensystems, an dem weiteren Zellensystem, bevorzugt sensorisch, erfasst werden, vorzugsweise mittels der Erfassungseinheit. Die Erfassungseinheit umfasst beispielsweise zumindest eine Sensoreinheit zum zumindest teilweisen Erfassen der Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem. Die Erfassungseinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, zumindest Daten zu der Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems, insbesondere sensorisch, an dem weiteren Zellensystem zu erfassen. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen Spannungssensor, insbesondere zum Erfassen der Daten zu der als Ausgangsspannung ausgebildeten Ausgangskenngröße des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem. Es ist denkbar, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest teilweise die Daten zu dem zumindest einen Betriebsparameter des weiteren Zellensystems an dem weiteren Zellensystem zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die Daten zu dem zumindest einen, insbesondere als Stellgröße oder Regelgröße ausgebildeten, Betriebsparameter des weiteren Zellensystems direkt mittels einer Steuereinheit des weiteren Zellensystems ausgelesen werden, bevorzugt von der Steuereinheit des weiteren Zellensystems bereitgestellt werden.
Das datenbasierte Modell für das Zellensystem 22 wird in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem weiteren Datenverarbeitungsschritt 16, in Abhängigkeit von den Daten von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems, vorzugsweise in Abhängigkeit von den Daten zu der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des weiteren Zellensystems und in Abhängigkeit von den Daten zu der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße der zumindest einen Systemkomponente des weiteren Zellensystems, insbesondere in Abhängigkeit von dem Datensatz für das datenbasierte Modell, trainiert. Das Training des datenbasierten Modells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einer Support Vector Machine, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen. Mittels des trainierten datenbasierten Modells wird der zumindest eine Kalibrationsparameter in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems 22 in dem weiteren Datenverarbeitungsschritt 16 ermittelt.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Auswertungsschritt 18, wird durch einen Abgleich eines anhand des Modells, insbesondere des deterministischen Modells, vorzugsweise des physikalischen Modells, ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter mit einem anhand des weiteren Modells, insbesondere des datenbasierten Modells, ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter ein resultierender Wert für den Kalibrationsparameter ermittelt, vorzugsweise mittels der Steuereinheit 26.
Es ist denkbar, dass ein resultierender Wert für den Kalibrationsparameter aus einem Mittelwert des anhand des Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter und des anhand des weiteren Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter ermittelt wird. Zusätzlich ist auch denkbar, dass der anhand des Modells ermittelte Wert für den Kalibrationsparameter und/oder der anhand des weiteren Modells ermittelte Wert für den Kalibrationsparameter mit einem Gewichtungsfaktor versehen sind/ist. Alternativ sind jedoch auch andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Rechenverfahren für die Ermittlung des resultierenden Werts für den Kalibrationsparameter aus dem anhand des Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter und dem anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter denkbar.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Parametrisierungsschritt 20, wird die zumindest eine Systemkomponente 32, insbesondere die Steuereinheit 26, mit dem ermittelten Kalibrationsparameter kalibriert.
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 Nicht-Patentliteratur

Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell“ (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181 [0018, 0037]

Claims

Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kalibrationsparameters für zumindest eine Systemkomponente (30, 32), insbesondere für eine Steuereinheit (26), eines Zellensystems (22), welches zumindest eine elektrochemische Zelle (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass anhand zumindest eines Modells des Zellensystems (22) in Abhängigkeit von zumindest einer Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems (22) und in Abhängigkeit von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems (22) der Kalibrationsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Kalibrationsparameters das Modell invertiert und optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell ein deterministisches Modell ist, welches zum Training eines Regressionsmodells verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Daten für die zumindest eine Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems (22) zumindest teilweise Daten von zumindest einer Systemverhaltenskenngröße zumindest eines weiteren Zellensystems, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines weiteren, insbesondere von dem Modell verschiedenen, Modells des Zellensystems (22) in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemkomponentenkenngröße des Zellensystems (22) und in Abhängigkeit von der zumindest einen Systemverhaltenskenngröße des Zellensystems (22) der Kalibrationsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Abgleich eines anhand des Modells ermittelten Werts für den Kalibrationsparameter mit einem anhand des weiteren Modells ermittelten Wert für den Kalibrationsparameter ein resultierender Wert für den Kalibrationsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell ein deterministisches Modell und das weitere Modell ein datenbasiertes Modell ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Kalibrationsparameters eine Alterungskenngröße des Zellensystems (22) berücksichtigt wird.
Zellensystem (22) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (24) und mit zumindest einer Steuereinheit (26) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computerprogramm (28), umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms (28) durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.