DE102022209687A1 - Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems, ein Energiesystem und Verwendung des Energiesystems - Google Patents

Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben eines hybriden Energiesystems (1), welches einen Energiewandler (2) und eine Energiespeichereinheit (3) aufweist, wobei eine von dem Energiesystem (1) geforderte Leistung aus dem Energiewandler (2) und/oder der Energiespeichereinheit (3) bereitgestellt wird, und wobei die Energiespeichereinheit (3) von dem Energiewandler (2) aufgeladen wird, wenn der Energiewandler (2) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei beim Betreiben des Energiesystems (1) ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (2) optimiert wird, und wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (2) eine Soll-Optimierung (5) mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems (1) und eine Ist-Optimierung (6) mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems (1) durchgeführt wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch, ein entsprechendes Energiesystem nach dem unabhängigen Systemanspruch sowie bevorzugte Verwendungen des Energiesystems nach dem unabhängigen Verwendungsanspruch.
• Stand der Technik
• Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Dabei werden Brennstoffzellensysteme (BZS) im Fahrzeug typischerweise mit einer zusätzlichen Traktionsbatterie hybridisiert. Die Aufteilung der Leistung zwischen Batterie und BZS hat dabei einen maßgeblichen Einfluss auf den Wasserstoffverbrauch und die Degradationsrate der Brennstoffzellen.
• Die Kühlung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen im Fahrzeug ist technologisch herausfordernd, da sie aufgrund ihrer geringen Betriebstemperatur eine große Kühlfläche benötigen, um den Wärmestrom an die Umgebung abführen zu können. Bei unzureichenden Fahrgeschwindigkeiten kann es deshalb erforderlich sein, zusätzliche Luft aktiv mittels Kühlerlüfter durch den Kühler zu fördern. Dies ist jedoch mit einem zusätzlichen Leistungsbedarf verbunden, der vom Brennstoffzellensystem gedeckt werden muss und die thermische Belastung des Kühlsystems weiter erhöht. Entsprechend kann es von Vorteil sein, die Betriebstemperatur anzuheben, um diese Limitierung zu umgehen. Darüber hinaus führen höhere Temperaturen bei gleichen Feuchtebedingungen zu einer Reduzierung der Überspannungen in den Zellen, wodurch eine höhere Effizienz des Brennstoffzellensystems erreicht werden kann. Dies führt zu einer Temperaturabhängigkeit des optimalen Wirkungsgrads im Betrieb. Allerdings geht eine Erhöhung der Betriebstemperatur im Allgemeinen mit einem Anstieg der Degradationsrate der Brennstoffzellen einher. Die optimale Wahl des Temperaturniveaus ist damit eine Abwägung zwischen Systemeffizienz und Degradationsrate.
• Um einen möglichst geringen Wasserstoffverbrauch im Betrieb zu erreichen, können optimierungsbasierte Betriebsstrategien verwendet werden. Eine bekannte Methode ist die Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS). Mit diesem Verfahren ist es möglich, die lokale verbrauchsoptimale Batteriezellensystem-Leistung zu ermitteln, was sich in einer Reduktion des Wasserstoffverbrauchs im Fahrzyklus gegenüber einer konventionellen Betriebsstrategie niederschlägt. Dabei wird die zugehörige Hamilton-Funktion lokal in Abhängigkeit einer Steuergröße, z. B. einer einstellbaren Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, minimiert. Die Hamilton-Funktion verbindet den Kraftstoffmassenstrom des Energiewandlers, bspw. den Wasserstoffmassenstrom des Brennstoffzellensystems, oder die Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, und die mit einem Regelparameter gewichtete Stromentnahme oder Leistung der Energiespeichereinheit, bspw. der Batterie. Der Gewichtungsfaktor für die Batterieleistung heißt dabei Lagrange-Multiplikator.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches sowie gemäß einem dritten Aspekt bevorzugte Verwendungen des Energiesystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verwendungsanspruches vor. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
• Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Energiesystems, welches einen Energiewandler und eine Energiespeichereinheit aufweist, wobei eine von dem Energiesystem geforderte (elektrische oder mechanische) Leistung aus dem Energiewandler und/oder der Energiespeichereinheit bereitgestellt wird, und wobei die Energiespeichereinheit von dem Energiewandler aufgeladen wird, wenn der Energiewandler mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei beim Betreiben des Energiesystems ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers optimiert wird, und wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers eine Soll-Optimierung mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems und eine Ist-Optimierung mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems durchgeführt wird. Das Verfahren dient somit zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiesystems, und kann als ein zweistufiges ECMS-Verfahren (Equivalent Consumption Minimization Strategy) bezeichnet werden.
• Mit dessen Hilfe ist beispielsweise möglich, sowohl die optimale Betriebstemperatur und die dafür erforderliche Kühlerlüfterleistung als auch die optimale Sollleistung des Brennstoffzellensystems zu ermitteln. Dabei können auch zusätzliche Kosten für eine temperaturabhängige Degradation herangezogen werden. Dadurch werden Betriebspunkte, die mit einer hohen Schädigung der Brennstoffzellen verbunden sind, bestraft. Im ersten Schritt kann eine Optimierung der stationären Betriebstemperatur und der dafür notwendigen Kühlerlüfterleistung durchgeführt werden. Diese werden sodann als Sollwerte festgelegt.
• Das erfindungsgemäße Energiesystem kann unterschiedliche Leistungsquellen aufweisen. Als Energiewandler sind dabei bspw. ein Brennstoffzellensystem (chemische Energie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt) oder ein Verbrennungsmotor (chemische Energie wird dabei in mechanische Energie umgewandelt) denkbar. Im Falle eines Brennstoffzellensystems als Energiewandler wird die geforderte Leistung als elektrische Leistung bereitgestellt. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Energiewandler wird die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung bereitgestellt.
• Als Energiespeichereinheit ist bspw. eine Batterie (bspw. eine Traktionsbatterie) denkbar, die in Form einer modular aufgebauten, insbesondere wieder aufladbaren, Batterie ausgeführt sein kann. Im Falle eines Brennstoffzellensystems als Energiewandler wird die geforderte Leistung auch von der Energiespeichereinheit als elektrische Leistung bereitgestellt. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Energiewandler wird eine elektrische Leistung von der Energiespeichereinheit an eine Elektromaschine, bspw. in Form eines Riemenstartergenerators, bereitgestellt, um die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung bereitzustellen. Dabei ist es denkbar, dass die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung dem Verbrennungsmotor oder direkt an einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges bereitgestellt wird.
• Das erfindungsgemäße Energiesystem kann vorzugsweise in mobilen Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, wie z. B. einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug, oder in stationären Anwendungen, bspw. in einer Generatoranlage, eingesetzt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren stellt dabei auf einen zweistufigen Ansatz für die Ermittlung der optimalen Betriebstemperatur sowie der optimalen Sollleistung des Kühlerlüfters und des Brennstoffzellensystems ab. Dabei ist die erste Stufe die Soll-Optimierung, in dieser ersten Stufe wird aus den Eingangsgrößen zumindest eine mögliche Ausgangsgröße für die Brennstoffzellenleistung berechnet, woraufhin in der zweiten Stufe, also der Ist-Optimierung, die optimalen Werte, beispielsweise die optimale Brennstoffzellenleistung für die aktuell vorliegenden Betriebsbedingungen ermittelt werden.
• Eingangsgrößen der Soll-Optimierung sind dabei Soll-Betriebstemperaturen, Soll-Brennstoffzellenleistungen, sowie Soll-Kühlerluftleistungen. Aus diesen Eingangsgrößen werden in Abhängigkeit des Soll-Ladezustands und der Umgebungstemperaturen Ausgangsgrößen, Wasserstoffmassenströme, die erwartete Degradation und der Brennstoffzellensystem-Wärmestrom, berechnet, um daraus eine mögliche Soll-Leistung bilanzieren zu können. Diese werden dann zu einer Hamilton-Matrix überführt, welche minimiert wird, um eine optimale Soll-Brennstoffzellensystemleistung und eine Soll-Betriebstemperatur zu erhalten. Diese werden dann in der Ist-Optimierung weiter optimiert und an den Ist-Zustand angepasst.
• Im Rahmen der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die Soll-Optimierung stationär und die Ist-Optimierung dynamisch durchgeführt werden.
• Vorliegend wird unter stationär verstanden, dass die verwendeten Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen der Soll-Optimierung im Großen und Ganzen zeitlich nicht verändert werden. Diese können zwar während einer Nutzungsphase angepasst werden, allerdings ist der zeitliche Abstand so groß, dass die Werte als im Wesentlichen stationär anzusehen sind.
• Als dynamisch wird eine zeitliche Veränderung der Eingangs- und Ausgangswerte verstanden, sodass die Ist-Optimierung für die aktuell vorliegenden Betriebsbedingungen, also den Ist-Zustand, durchgeführt wird. Die Ist-Optimierung nimmt dabei die Werte der Soll-Optimierung an und passt diese an die Ist-Situation an. Dadurch kann bei der Leistungsbestimmung auf lediglich kurzzeitige Ereignisse der Eingangsgrößen reagiert werden, um ein Optimierung herbeizuführen. Dadurch können Schäden am Brennstoffzellensystem verhindert werden, sodass die Degradation verlangsamt wird oder zumindest nicht beschleunigt wird.
• Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Leistung des Energiewandlers mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems, insbesondere des gesamten Energiesystems, berücksichtigt wird. Die mindestens eine physikalische Ist-Größe des gesamten Energiesystems umfasst vorteilhafterweise Informationen, wie (statische) Eigenschaften und (dynamische) Betriebsparameter, über alle Leistungsquellen des Energiesystems, d. h. Informationen über die Energiespeichereinheit und über den Energiewandler. Die (statischen) Eigenschaften des Energiesystems können technische Daten des Energiesystems, insbesondere der Energiespeichereinheit und des Energiewandlers, wie z. B. aktuelle Leistungsgrenzen des Energiewandlers und der Energiespeichereinheit und/oder der aktuellen Speicherkapazität der Energiespeichereinheit usw., umfassen. Die (dynamischen) Betriebsparameter des Energiesystems können das Systemverhalten, wie z. B. den Kraftstoffverbrauch des Energiewandlers und die Stromentnahme aus der Energiespeichereinheit, abbilden.
• Die mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems, umfassend (statische) Eigenschaften und (dynamische) Betriebsparameter, kann in Abhängigkeit von den Begebenheiten innerhalb des Systems, bspw. Feuchtigkeit, Druck, Temperatur usw., und/oder mit der Zeit, bspw. aufgrund von Alterung, variieren. Die mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems kann im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise prädiktiv vorausgesagt werden.
• Mithilfe der Erfindung kann einerseits der Optimierungsaufwand im Rahmen des ECMS-Verfahrens reduziert und andererseits die Robustheit im Betrieb des Energiesystems verbessert werden. Der Optimierungsaufwand kann durch eine gute Anpassung der Regelparameter, sogar in erster Näherung, reduziert werden. Eine Verbesserung der Robustheit kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem auf sich ändernde Systemgrößen (bedingt durch Alterung, Degradation, Systemzustand) mit einer unverzüglichen, feinfühligen Adaption der Regelparameter durch die Ist-Optimierung reagiert wird. Zusätzlich wird auch die Robustheit gegenüber unterschiedlichen Fahrzyklen verbessert.
• Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folglich:
• - Robuster Betrieb auch bei veränderlichen Systemgrößen (z. B. aufgrund von Alterung, Degradation, Systemzustand),
• - Kausaler Zusammenhang der Regelparameter und der Systemgrößen,
• - Kein oder reduzierter Optimierungsaufwand für die ECMS-Regelparameter,
• - Minimierung des Kraftstoffverbrauchs des Energiewandlers, Maximierung der Leistung des Energiewandlers sowie Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Energiesystems,
• - Flexible Anpassung an die aktuelle Betriebssituation, bspw. an die aktuelle Fahrsituation und/oder an den Fahrer,
• - Einfache Berücksichtigung prädiktiver Daten bei den Systemgrößen.
• Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass bei der Ist-Optimierung mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems mindestens eine Eigenschaft und/oder mindestens einen Betriebsparameter der Energiespeichereinheit und des Energiewandlers zum aktuellen Zeitpunkt verwendet wird. Auf diese Weise können die Eigenschaften und/oder die Betriebsparameter des gesamten Energiesystems berücksichtigt werden. Somit kann der Betrieb des Energiesystems stets an aktuelle Begebenheiten innerhalb des gesamten Systems, bspw. bedingt durch Alterung, Degradation, Systemzustand usw. der Komponenten, angepasst werden.
• Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass als Energiewandler ein Brennstoffzellensystem oder ein Verbrennungsmotor verwendet wird, und/oder dass als Energiespeichereinheit eine Batterie, vorzugsweise eine modular aufgebaute Batterie, insbesondere eine wieder aufladbare Batterie, verwendet wird. Im Falle eines Brennstoffzellensystems als Energiewandler wird die geforderte Leistung auch von der Energiespeichereinheit als elektrische Leistung bereitgestellt. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Energiewandler wird eine elektrische Leistung von der Energiespeichereinheit an eine Elektromaschine, bspw. in Form eines Riemenstartergenerators, bereitgestellt, um die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung bereitzustellen. Dabei ist es denkbar, dass die geforderte Leistung als eine mechanische Leistung dem Verbrennungsmotor oder direkt an einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges bereitgestellt wird.
• Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass bei der Soll-Optimierung eine minimale Kühlerlüfterleistung und/oder eine maximale Kühlerlüfterleistung berücksichtigt wird. Dies ermöglicht eine feinere und besser abgestimmte Ermittlung der optimierten Leistung für das Brennstoffzellensystem.
• Auch ist es denkbar, dass bei der Ist-Optimierung mindestens eine der folgenden physikalischen Ist-Größen des Energiesystems verwendet wird:
• - Kraftstoffverbrauch ṁ oder Leistung des Energiewandlers,
• - minimale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers,
• - maximale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle maximale Ist-Leistung, des Energiewandlers,
• - minimale Kühlerluftleistung des Energiewandlers,
• - maximale Kühlerluftleistung des Energiewandlers,
• - Ist-Ladezustand des Energiespeichers,
• - Ist-Umgebungstemperatur
• - Ist-Betriebstemperatur
• - Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere die aktuelle Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit.
• Somit kann die mindestens eine physikalische Größe des Energiewandlers, umfassend aktuelle (statische) Eigenschaften und/oder (dynamische) Betriebsparameter des Energiewandlers, berücksichtigt werden.
• Im Rahmen der Erfindung ist es optional möglich, dass in der Ist-Optimierung die Soll-Betriebstemperatur des Energiewandlers aus der Soll-Optimierung und die Kühlerlüfterleistung verwendet wird. Dies ermöglicht eine feinere und besser abgestimmte Ermittlung der optimierten Ist-Leistung für das Brennstoffzellensystem.
• Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems mindestens eine der folgenden Größen umfasst:
• - Stromentnahme oder Leistung aus der Energiespeichereinheit,
• - Nennkapazität der Energiespeichereinheit,
• - Leerlaufspannung der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit eines Ladezustands der Energiespeichereinheit,
• - (aktuelle) maximale Entladeleistung der Energiespeichereinheit,
• - (aktuelle) maximale Ladeleistung der Energiespeichereinheit,
• - (aktueller) Innenwiderstand der Energiespeichereinheit für eine Entladerichtung,
• - (aktueller) Innenwiderstand der Energiespeichereinheit für eine Laderichtung,
• - (aktueller) minimaler Ladezustand der Energiespeichereinheit,
• - (aktueller) maximaler Ladezustand der Energiespeichereinheit.
• Somit kann die mindestens eine physikalische Größe des Energiewandlers, umfassend aktuelle (statische) Eigenschaften und/oder (dynamische) Betriebsparameter der Energiespeichereinheit, berücksichtigt werden.
• Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben des Energiesystems vorsehen, dass die mindestens eine physikalische Größe des Energiesystems prädiktiv ermittelt wird. Bei mobilen Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, können für eine prädiktive Ermittlung Wetterdaten, Navigationsdaten, Erfahrungswerte, Benutzereinstellungen, Fahrtenbücher und/oder Kalenderdaten berücksichtigt werden. Die Wetterdaten und/oder die Navigationsdaten können z. B. aus einem Navigationssystem des Fahrzeuges und/oder aus einem verbunden mobilen Gerät eines Benutzers, wie z. B. einem Smartphone, und/oder über einen externen Dienst erhalten oder aktiv abgefragt werden. Wenn bspw. eine steigende Strecke auf der Route des Fahrzeuges ermittelt wird, auf der der Energiewandler unterstützt werden sollte, kann ein Boosten des Energiewandlers geplant werden. Auf einer abfallenden Strecke kann wiederum der Energiewandler mehr Leistung produzieren als für den Betrieb des Fahrzeuges erforderlich ist, sodass ein Laden der Energiespeichereinheit geplant werden kann. Erfahrungswerte können Daten über den Fahrstil und/oder die Gewohnheiten eines Benutzers umfassen. Mithilfe der Erfahrungswerte kann vorausgesagt werden, wann der Benutzer welche Strecken abfährt und wann ein Boosten der Energiespeichereinheit gewünscht oder wann eine Lastpunktanhebung des Energiewandlers möglich ist. Benutzereinstellungen können wertvolle Informationen darüber liefern, wann und wie die Leistung im Energiesystem aufgeteilt werden kann. Fahrtenbücher können ebenfalls helfen, den Fahrstil, die Fahrdaten und/oder die Gewohnheiten eines Benutzers zu erfassen, die hilfreich beim Voraussagen über die Aufteilung der Leistung im Energiesystem sein können. Kalenderdaten können ebenfalls hilfreich sein, um Voraussagen über die Aufteilung der Leistung im Energiesystem treffen zu können. Bei stationären Anwendungen, z. B. in Generatoranlagen, können für eine prädiktive Ermittlung Wetterdaten, Erfahrungswerte, Benutzereinstellungen, und/oder Kalenderdaten berücksichtigt werden.
• Der zweite Aspekt der Erfindung ist ein Energiesystem, welches einen Energiewandler und eine Energiespeichereinheit aufweist, wobei das Energiesystem ausgestaltet ist, eine Leistung aus dem Energiewandler und/oder der Energiespeichereinheit anzufordern, um die Energiespeichereinheit aufzuladen, wenn der Energiewandler mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei eine Steuereinheit zum Betreiben des Energiesystems vorgesehen ist, um einen Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers zu optimieren, und wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers eine Soll-Optimierung mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems und eine Ist-Optimierung mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems durchzuführen.
• Mithilfe des erfindungsgemäßen Energiesystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
• In einem Steuergerät wird die Hamilton-Funktion lokal minimiert, um eine optimale Leistung des Energiewandlers, bspw. des Brennstoffzellensystems, oder um einen optimalen Kraftstoffverbrauch des Energiewandlers, bspw. einen optimalen Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems, zu erhalten. Somit kann der Wirkungsgrad im Betrieb des Energiesystems optimiert werden.
• Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit dazu ausgeführt sein, das Energiesystem nach einem Verfahren zu betreiben, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
• Demnach kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Soll-Optimierung stationär und die Ist-Optimierung dynamisch durchzuführen. Dies führt zu einer optimierten Leistungsbereitstellung in dem Brennstoffzellensystem.
• Im Rahmen der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die minimale Kühlerlüfterleistung und/oder maximale Kühlerlüfterleistung bei der Soll-Optimierung zu berücksichtigen.
• Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die folgenden physikalischen Größen bei der Ist-Optimierung zu verwenden:
• - Kraftstoffverbrauch ṁ oder Leistung des Energiewandlers,
• - minimale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers,
• - maximale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle maximale Ist-Leistung, des Energiewandlers,
• - minimale Kühlerluftleistung des Energiewandlers,
• - maximale Kühlerluftleistung des Energiewandlers,
• - Ist-Ladezustand des Energiespeichers,
• - Ist-Umgebungstemperatur
• - Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere die aktuelle Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit.
• Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Speichereinheit vorgesehen ist, in welcher die mindestens eine physikalische Soll-Größe des Energiesystems und/oder die mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems in Form einer Kennlinie oder eines Kennfeldes hinterlegt ist. Somit kann für die Regelung der Leistungsaufteilung eine gemessene Ist-Größe, bspw. ein Referenzladezustand der Energiespeichereinheit, auf eine einfache Weise mit einer einstellbaren Soll-Größe, bspw. Zielleistung des Energiewandlers, verbunden werden.
• Die vorliegende Erfindung sieht des Weiteren die Verwendung eines Energiesystems in einer mobilen Umgebung, bspw. in einem Fahrzeug, oder in einer stationären Umgebung, bspw. in einer Generatoranlage, vor.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist die Erfindung in den folgenden Figuren gezeigt:
• 1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiesystems,
• 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 3 ein Diagramm der optimierten Wasserstoffverbrauch-Degradationskurve bei verschiedenen Gewichtungsfaktoren,
• 4 ein Diagramm einer optimierten Betriebstemperatur des Energiesystems.
• In 1 ist ein hybrides Energiesystem 1 mit einem Energiewandler 2, hier eine Brennstoffzelle, und eine Energiespeichereinheit 3, hier eine Batterie, gezeigt. Dabei ist das Energiesystem 1 ausgestaltet, eine Leistung aus dem Energiewandler 2 und/oder der Energiespeichereinheit 3 anzufordern, um die Energiespeichereinheit 3 aufzuladen, wenn der Energiewandler 2 mehr als die geforderte Leistung bereitstellt. Ferner ist eine Steuereinheit 4 zum Betreiben des Energiesystems 1 vorgesehen, um einen Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers 2 zu optimieren, und wobei die Steuereinheit 4 dazu ausgebildet ist, beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers 2 eine Soll-Optimierung 5 mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems 1 und eine Ist-Optimierung 6 mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems 1 durchzuführen.
• Ferner sieht das Energiesystem 1 eine Speichereinheit 7 vor, in welcher die mindestens eine physikalische Soll-Größe des Energiesystems 1 und/oder die mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems 1 in Form einer Kennlinie oder eines Kennfeldes hinterlegt ist.
• 2 zeigt ein Verfahren 100 zum Betreiben eines hybriden Energiesystems 1 mit dem Energiewandler 2 und der Energiespeichereinheit 3. Dabei wird eine von dem Energiesystem 1 geforderte Leistung aus dem Energiewandler 2 und der Energiespeichereinheit 3 bereitgestellt, wobei die Energiespeichereinheit 3 von dem Energiewandler 2 aufgeladen wird, wenn der Energiewandler 2 mehr als die geforderte Leistung bereitstellt. Für den Betrieb des Energiesystems 1 wird ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung gemäß einem in 2 dargestellten Verfahren 100 optimiert, wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers 2 eine Soll-Optimierung 5 mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems 1 und eine Ist-Optimierung 6 mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems 1 durchgeführt wird. Das Verfahren 100 dient somit zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiesystems 1, und kann als ein zweistufiges ECMS-Verfahren (Equivalent Consumption Minimization Strategy) bezeichnet werden.
• Die Steuereinheit 4 führt die Soll-Optimierung 5 der physikalischen Soll-Größe des Energiesystems 1 stationär und die Ist-Optimierung 6 der physikalischen Ist-Größe des Energiesystems 1 dynamisch durch.
• Dabei wird bei der Ist-Optimierung mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems 1 mindestens eine Eigenschaft und/oder mindestens ein Betriebsparameter der Energiespeichereinheit 3 und des Energiewandlers 2 zum aktuellen Zeitpunkt verwendet. Bei dem vorliegenden Beispiel werden die physikalischen Ist-Größen
• -aktuelle maximale Ist-Leistung des Energiewandlers 2,
• - (maximale) Kühlerluftleistung des Energiewandlers 2,
• - Ist-Ladezustand des Energiespeichers,
• - Ist-Umgebungstemperatur, sowie
• - Ist-Betriebstemperatur,
• - aktuelle Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit,
verwendet.
• Ferner wird zur Optimierung der Betriebstemperatur des Energiesystems 1 bei der Soll-Optimierung durch die Steuereinheit 4 eine minimale Kühlerlüfterleistung P_KL und/oder eine maximale Kühlerlüfterleistung P_KL berücksichtigt.
• Gemäß 2 resultiert aus der Soll-Optimierung eine Soll-Betriebstemperatur des Energiewandlers 2, diese und die Kühlerlüfterleistung P_KL werden als Daten in der Ist-Optimierung verwendet, um den Wasserstoffverbrauch ṁ_n2 oder die Leistung, sowie die Betriebstemperatur Ts zu optimieren.
• In einem speziellen Ausführungsbeispiel sieht das zweistufige ECMS-Verfahren vor, dass sowohl die optimale Betriebstemperatur als auch die optimale Soll-Leistung P_Soll des Kühlerlüfters und des Brennstoffzellensystems ermittelt wird. Als optimal werden Ergebnisse bewertet, die eine vorgegebene Kostenfunktion minimieren. Die Kosten umfassen dabei den Wasserstoffmassenstrom ṁ_H2 sowie optional mit einem Faktor w gewichtete Kosten für die Degradation c_Degradation. Beide Terme sind dabei sowohl von der aktuellen Brennstoffzellensystem-Leistung P_BZS als auch von der Betriebstemperatur T_S abhängig. Die allgemeine Form der Kostenfunktion sieht dabei folgendermaßen aus: $$\text{C}=\text{m}{\cdot }_{\text{H2}}\left({\text{P}}_{\text{BZS}},{\text{T}}_{\text{S}}\right)+\text{w}\cdot {\text{c}}_{\text{Degradation}}\left({\text{P}}_{\text{BZS}},{\text{T}}_{\text{S}}\right)$$

  

C

Kostenfunktion

ṁH2

Wasserstoffmassenstrom

PBZS

Brennstoffzellensystem-Leistung

TS

Betriebstemperatur

w

Gewichtungsfaktor

cDegradation

Degradation

• Im ECMS werden diese Kosten um einen weiteren Term erweitert, sodass das Laden und Entladen der Batterie mit einem Strom I_Bat in einen äquivalenten Wasserstoffmassenstrom ṁ_äquivaient überführt wird. Die sich daraus ergebende Hamilton-Funktion H hat folglich die allgemeine Form: $$\text{H}=\text{C}+{\dot{\text{m}}}_{\ddot{\text{a}}\text{quivalent}}$$

  

  $$\text{H}=\text{m}{\cdot }_{\text{H2}}\left({\text{P}}_{\text{BZS}},{\text{T}}_{\text{S}}\right)+\text{w}\cdot {\text{c}}_{\text{Degradation}\text{,H2}}\left({\text{P}}_{\text{BZS}},{\text{T}}_{\text{S}}\right)+\mathrm{\mu }\left(t\right)\cdot {\text{I}}_{\text{Bat}}\left({\text{P}}_{\text{BZS}},{\text{T}}_{\text{S}}\right)$$

  

H

Hamilton Funktion

C

Kostenfunktion

ṁH2

Wasserstoffmassenstrom

PBZS

Brennstoffzellensystem-Leistung

TS

Betriebstemperatur

w

Gewichtungsfaktor

cDegradation

Degradation

µ(t)

Faktor

IBat

Batteriestrom

• Dadurch kann der Ladezustand der Batterie (SOC) in einem vorgegebenen Bereich gehalten werden. Bei einer Abweichung vom gewünschten SOC wird der Faktor µ(t) entsprechend adaptiert. Eine Minimierung der stationären Hamilton-Funktion 160, und der dynamischen Hamilton-Funktion 220 führt dabei zu kostenoptimalen Ausgangsgrößen. Auf dieser Basis wird nun die zweistufige ECMS realisiert.
• Gemäß 2 wird in der ersten Stufe, der Soll-Optimierung 5, 110, aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen berechnet. Hierfür werden in einem Initialisierungsschritt 120 aus den vektoriell vorliegenden Eingangsgrößen der möglichen Soll-Betriebstemperaturen Ts, der Brennstoffzellensystem-Leistung P_BZS und der möglichen Kühlerlüfter-Leistung P_KL eine Eingangsgrößenmatrix gebildet. Die dreidimensionale Matrix enthält dabei alle Kombinationen der jeweiligen Vektorelemente. Unter Verwendung eines hinterlegten einfachen Modells können in einem zweiten Schritt die möglichen Ausgangsgrößen, wie Wasserstoffmassenstrom ṁ_H2, die erwartete Degradation c_Degradation und der Brennstoffzellensystem-Wärmestrom Qp_BZS, berechnet 130 werden. Dies kann beispielsweise anhand von Kennfeldern erfolgen. Die Ausgangsgrößen sind dabei abhängig vom Ladezustand der Batterie (SOC) und der Umgebungstemperatur T_Umg. Demnach ist auch die Kühlkapazität des Fahrzeugs abhängig von der Umgebungstemperatur T_Umg.
• In der folgenden Plausibilisierung 140 muss überprüft werden, ob die Ausgangsgrößen im stationären Fall plausibel sind. D. h. die Kühlkapazität des Fahrzeugs muss die folgende Bedingung erfüllen: $${\text{Qp}}_{\text{K}\ddot{\text{u}}\text{hler}\text{,max}}\ge {\text{Qp}}_{\text{BZS}}$$

  

QpKühler,max

maximaler Wärmestrom des Kühlers

QpBZS

Wärmestrom der Brennstoffzelle

• Zusätzlich muss die Leistungsbilanz erfüllt werden, ohne dass bestehende Grenzwerte für die Batterieleistung verletzt werden: $$P_{\text{Soll}}+P_{\text{KL}}-P_{\text{Bat}\text{,max}}\le P_{{}_{\text{BZS}}}\le P_{\text{soll}}+P_{\text{KL}}-P_{\text{Bat}\text{,min}}$$

  

PSoll

Soll-Leistung

PKL

Kühlerlüfterleistung

PBat,max

maximale Leistung der Batterie

PBZS

Leistung des Brennstoffzellensystems

PBat,min

minimale Leistung der Batterie

• Im Anschluss der Plausibilisierung 140 können anhand der reduzierten Ausgangsgrößen die Funktionswerte der Hamilton-Funktion H gemäß der obigen Gleichung 150 bestimmt werden. Eine Minimierung 160 der Funktion führt auf die optimale Solltemperatur T_S,Soll, Kühlerlüfterleistung P_KL und Brennstoffzellen-Leistung P_BZS im stationären Fall. Allerdings werden in diesem Schritt nur die Solltemperatur und die erforderliche Kühlerlüfter-Leistung P_KL als Sollgrößen übernommen.
• In einer zweiten Stufe, der Ist-Optimierung 6, 170, wird nun die Brennstoffzellen-Leistung, die optimale Leistung P_opt für die aktuell vorliegenden Betriebsbedingungen, ermittelt. D. h. die aktuell optimale Leistung des Brennstoffzellensystems P_BZS wird in Abhängigkeit der derzeitigen Ist-Betriebstemperatur T_S,Ist bestimmt.
• Die Ausgangsdaten der Soll-Optimierung bilden hier somit die Initialisierungsdaten der Ist-Optimierung im Initialisierungsschritt 180. Auch hier werden mittels eines hinterlegten Modells und in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie SOC(t), der Ist-Betriebstemperatur T_S,Ist(t) und der Ist-Umgebungstemperatur T_Umg(t), die möglichen Ausgangsgrößen erzeugt 190, die anschließend einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden 200.
• Im Schritt der Plausibilisierung 200 wird die Leistungsbilanz zum Ist-Zeitpunkt gezogen: $$P_{\text{Soll}}+P_{\text{KL}}-P_{\text{Bat}\text{,max}}\le P_{{}_{\text{BZS}}}\le P_{\text{soll}}+P_{\text{KL}}-P_{\text{Bat}\text{,min}}$$

  

PSoll

Sollleistung

PKL

Kühlerlüfterleistung

PBat,max

maximale Leistung der Batterie

PBZS

Leistung des Brennstoffzellensystems

PBat,min

minimale Leistung der Batterie

• Im Anschluss der Plausibilisierung 200 der Ist-Optimierung werden anhand der reduzierten Ist-Ausgangsgrößen die Funktionswerte der Hamilton-Funktion H gemäß der obigen Gleichung 210 bestimmt. Eine Minimierung 220 der Hamilton Funktion führt auf die optimale Soll-Brennstoffzellen-Leistung P_BZS,Soll im dynamischen Fall.
• Aus dem Verfahren 100 zum Betreiben des hybriden Energiesystems 1 mit einer Soll-Optimierung 5, 110 und einer Ist-Optimierung 6, 180 resultiert eine besonders optimierte Betriebsstrategie. Durch die durchgeführte Soll- und Ist-Optimierung 5, 110, 6, 180 kann der Verlauf der Wasserstoffverbrauchs-Degradations-Kurve in Abhängigkeit der Gewichtung w, siehe 3, in der Hamilton-Funktion an den optimalen Verlauf derart angepasst werden, dass die Abweichungen nur in einigen Punkten der Gewichtungen überhaupt erkennbar sind.
• Ferner kann bei dem Verfahren 100 zum Betreiben des hybriden Energiesystems 1 mit einer Soll-Optimierung 5, 110 und einer Ist-Optimierung 6, 180 die Betriebstemperatur T_S,Ist bei der Optimierung berücksichtigt werden. Daraus resultiert ein gewichtungsabhängiges Temperaturverhalten, wie in 4 dargestellt. Mit zunehmender Gewichtung der Degradationskosten, findet eine Absenkung der maximalen Betriebstemperatur Ts statt, wodurch die Lebensdauer auf Kosten des Wasserstoffverbrauchs erhöht werden kann.
• Damit kann eine Optimierung der Betriebstemperatur auf einfache Weise realisiert werden. Aufgrund des geringen Rechenbedarfs des Verfahrens 100 ist eine Integration in die Steuereinheit 4 problemlos möglich.

Claims (14)

1. Verfahren (100) zum Betreiben eines hybriden Energiesystems (1), welches einen Energiewandler (2) und eine Energiespeichereinheit (3) aufweist, wobei eine von dem Energiesystem (1) geforderte Leistung aus dem Energiewandler (2) und/oder der Energiespeichereinheit (3) bereitgestellt wird, und wobei die Energiespeichereinheit (3) von dem Energiewandler (2) aufgeladen wird, wenn der Energiewandler (2) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei beim Betreiben des Energiesystems (1) ein Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (2) optimiert wird, und wobei beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (2) eine Soll-Optimierung (5) mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems (1) und eine Ist-Optimierung (6) mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems (1) durchgeführt wird.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Optimierung (110) stationär und die Ist-Optimierung (170) dynamisch durchgeführt werden.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ist-Optimierung (170) mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems (1), mindestens eine Eigenschaft und/oder mindestens ein Betriebsparameter der Energiespeichereinheit (3) und des Energiewandlers (2) zum aktuellen Zeitpunkt verwendet wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiewandler (2) ein Brennstoffzellensystem oder ein Verbrennungsmotor verwendet wird, und/oder dass als Energiespeichereinheit (3) eine Batterie, vorzugsweise eine modular aufgebaute Batterie, insbesondere eine wieder aufladbare Batterie, verwendet wird.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Soll-Optimierung eine minimale Kühlerlüfterleistung und/oder eine maximale Kühlerlüfterleistung berücksichtigt wird.
6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ist-Optimierung mindestens eine der folgenden physikalischen Ist-Größen des Energiesystems (1) verwendet wird: - Kraftstoffverbrauch rri oder Leistung des Energiewandlers (2), - minimale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers (2), - maximale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers (2), - minimale Kühlerluftleistung des Energiewandlers (2), - maximale Kühlerluftleistung des Energiewandlers (2), - Ist-Ladezustand des Energiespeichers, - Ist-Umgebungstemperatur, - Ist-Betriebstemperatur - Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere die aktuelle Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit.
7. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ist-Optimierung die Soll-Betriebstemperatur des Energiewandlers (2) aus der Soll-Optimierung und die Kühlerlüfterleistung verwendet wird.
8. Energiesystem (1), welches einen Energiewandler (2) und eine Energiespeichereinheit (3) aufweist, wobei das Energiesystem (1) ausgestaltet ist, eine Leistung aus dem Energiewandler (2) und/oder der Energiespeichereinheit (3) anzufordern, um die Energiespeichereinheit (3) aufzuladen, wenn der Energiewandler (2) mehr als die geforderte Leistung bereitstellt, wobei eine Steuereinheit (4) zum Betreiben des Energiesystems (1) vorgesehen ist, um einen Kraftstoffverbrauch oder eine Leistung des Energiewandlers (2) zu optimieren, und wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, beim Optimieren des Kraftstoffverbrauchs oder der Leistung des Energiewandlers (2) eine Soll-Optimierung (5) mit mindestens einer physikalischen Soll-Größe des Energiesystems (1) und eine Ist-Optimierung (6) mit mindestens einer physikalischen Ist-Größe des Energiesystems (1) durchzuführen.
9. Energiesystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, das Energiesystem (1) nach einem Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zu betreiben.
10. Energiesystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, die Soll-Optimierung (5) stationär und die Ist-Optimierung (6) dynamisch durchzuführen.
11. Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, die minimale Kühlerlüfterleistung und/oder maximale Kühlerlüfterleistung bei der Soll-Optimierung zu berücksichtigen.
12. Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, die folgenden physikalischen Größen bei der Ist-Optimierung zu verwenden: - Kraftstoffverbrauch ṁ oder Leistung des Energiewandlers (2), - minimale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers (2), - maximale Ist-Leistung, insbesondere die aktuelle minimale Ist-Leistung, des Energiewandlers (2), - minimale Kühlerluftleistung des Energiewandlers (2), - maximale Kühlerluftleistung des Energiewandlers (2), - Ist-Ladezustand des Energiespeichers, - Ist-Umgebungstemperatur - Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere die aktuelle Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit.
13. Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (7) vorgesehen ist, in welcher die mindestens eine physikalische Soll-Größe des Energiesystems (1) und/oder die mindestens eine physikalische Ist-Größe des Energiesystems (1) in Form einer Kennlinie oder eines Kennfeldes hinterlegt ist.
14. Verwendung eines Energiesystems (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 in einer mobilen Umgebung, insbesondere in einem Fahrzeug, oder in einer stationären Umgebung, insbesondere in einer Generatoranlage.

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