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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage der Reichweite eines hybrid, durch eine Brennstoffzelle und eine über die Brennstoffzelle wiederaufladbare Batterie angetrieben ist.
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Aus
FR 3 119 040 A1 ist ein Verfahren zur Reichweitenvorhersage für ein Kraftfahrzeug bekannt, das ein neuronales Netz einsetzt, um basierend auf Trainingsdaten und unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern, darunter die Art der von dem Fahrzeug befahrenen Straße, aber auch für den persönlichen Fahrstil eines Fahrers spezifische Merkmale wie das Schaltverhalten oder die Schnelligkeit der Fahrpedalbetätigung, den Kraftstoffverbrauch abzuschätzen und vorherzusagen, wie weit mit dem mitgeführten Kraftstoffvorrat noch gefahren werden kann. Die Qualität einer solchen Voraussage hängt kritisch von der Verfügbarkeit geeigneter Trainingsdaten ab; das Modell kann daher erst dann eine brauchbare Vorhersage liefern, wenn es über einen ausreichenden Fundus an Daten zu einem einzelnen Fahrer verfügt, und die Genauigkeit der Vorhersage ist nur schwerlich einzuschätzen.
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Bei einem Hybridfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb (FCEV oder FCHEV) ist eine Reichweitenvorhersage zusätzlich dadurch erschwert, dass der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle stark von deren Ausgangsleistung abhängt. Wenn, etwa bei häufigem Beschleunigen und Bremsen im Stadtverkehr, der mittlere Verbrauch des Fahrzeugs höher ist als die optimale Leistung der Brennstoffzelle, kann diese bei einer höheren als der optimalen Last betrieben werden, um eine übermäßige Entladung der Batterie zu verhindern, und ein in diesem Zustand gemessener Kraftstoffverbrauch kann in die Zukunft extrapoliert werden, um zu einer zutreffenden Reichweitenvorhersage zu gelangen.
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Wenn jedoch, typischerweise beim Fahren auf einer Autobahn oder allgemein einer Schnellstraße, die kreuzungsfreies Fahren mit geringen Geschwindigkeitsänderungen ermöglicht, der mittlere Verbrauch des Fahrzeugs kleiner ist, als der optimalen Leistung der Brennstoffzelle entspricht, dann ist es unwirtschaftlich, diese kontinuierlich bei einer dem mittleren Verbrauch entsprechenden Ausgangsleistung laufen zu lassen. Vielmehr wird die Brennstoffzelle eine Zeitlang bei der optimalen Leistung arbeiten, wobei mit der nicht zum Fahren benötigten Energie die Batterie aufgeladen wird, und sobald deren Ladestand eine vorgegebene obere Schwelle erreicht hat, wird die Brennstoffzelle ausgeschaltet, und es wird solange nur mit Batteriestrom gefahren, bis der Ladestand eine untere Schwelle erreicht hat, bei der die Brennstoffzelle wieder in Betrieb genommen wird. Wenn für eine Reichweitenvorhersage derselbe Algorithmus verwendet wird wie für den oben beschriebenen Fall des Stadtverkehrs, dann führt dies bei laufender Brennstoffzelle zu einer zu niedrigen, bei ausgeschalteter Brennstoffzelle zu einer zu hohen Reichweitenvorhersage.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das eine verbesserte Reichweitenvorhersage bei einem FCEV ermöglicht.
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Die Aufgabe wird einem Aspekt der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verfahren zur Reichweitenvorhersage bei einem durch eine Brennstoffzelle und eine über die Brennstoffzelle wiederaufladbare Batterie hybrid angetriebenen Kraftfahrzeug mit den Schritten
- a) Entscheiden, ob sich das Kraftfahrzeug auf einer Schnellstraße befindet oder nicht,
- b) Prognostizieren der Reichweite nach einem ersten Algorithmus, wenn entschieden wird, dass sich das Kraftfahrzeug nicht auf einer Schnellstraße befindet,
- c) Prognostizieren der Reichweite nach einem zweiten Algorithmus, wenn entschieden wird, dass sich das Kraftfahrzeug auf einer Schnellstraße befindet,
wobei der zweite Algorithmus eine Tiefpassfilterung mit einer längeren Zeitkonstante als der erste Algorithmus umfasst.
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Die längere Zeitkonstante reduziert die auf den variablen Betriebszustand der Brennstoffzelle zurückzuführenden Schwankungen des Vorhersagewerts. Um voll wirksam zu sein, sollte die Zeitkonstante wenigstens so lang sein wie eine beim Fahren auf einer Schnellstraße erwartete Umschaltperiode zwischen einem Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Effizienz und einem Betrieb der Brennstoffzelle mit niedriger Leistung, insbesondere einem Ausschaltzustand der Brennstoffzelle.
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Um Konsistenz zwischen den Vorhersageergebnissen des ersten und des zweiten Algorithmus sicherzustellen, kann der zweite Algorithmus das Anwenden einer Tiefpassfilterung auf die nach dem ersten Algorithmus prognostizierte Reichweite umfassen.
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Die Entscheidung, ob sich das Kraftfahrzeug auf einer Schnellstraße befindet oder nicht, kann auf einer oder mehreren der folgenden Informationen basieren:
- - einer mittleren Geschwindigkeit des Fahrzeugs;
- - einer Varianz der Geschwindigkeit des Fahrzeugs;
- - Häufigkeit und/oder Intensität der Betätigung einer Bremse des Fahrzeugs;
- - Informationen eines Navigationssystems.
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Um ein häufiges Umschalten zwischen erstem und zweitem Algorithmus zu verhindern - insbesondere wenn die Entscheidung nicht auf Informationen eines Navigationssystems, sondern auf der Anwendung heuristischer Regeln basiert - ist es zweckmäßig, dass aus den Informationen eine Kenngröße berechnet wird, ein Hystereseintervall zwischen zwei Grenzwerten der Kenngröße definiert wird und entschieden wird, dass das Fahrzeug sich auf einer Schnellstraße befindet, wenn die Kenngröße das Hystereseintervall in einer ersten Richtung verlässt, und entschieden wird, dass sich das Fahrzeug nicht auf einer Schnellstraße befindet, wenn die Kenngröße das Hystereseintervall in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung verlässt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, das, wenn es von einem Bordcomputer eines Kraftfahrzeugs ausgeführt wird, diesen veranlasst, das Verfahren wie oben beschrieben auszuführen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems eines FCEV;
- 2 die Abhängigkeit des Wirkungsgrads einer Brennstoffzelle von ihrer Ausgangsleistung;
- 3 den Zusammenhang zwischen zurückgelegter Wegstrecke und prognostizierter Reichweite; und
- 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Blockdiagramm des Antriebssystems eines FCEV. Ein Elektromotor 1 treibt ein oder mehrere nicht dargestellte Räder des FCEV an; es kann jedem Rad ein eigener Elektromotor 1 zugeordnet sein. Der Elektromotor 1 ist gespeist durch eine Batterie 2 und eine Brennstoffzelle 3; ein Steuereinheit, typischerweise ein auch für andere Steuerungsaufgaben an dem FCEV eingesetzter Bordcomputer 4, regelt über eine Anordnung von Schaltern 5 die Verteilung der von der Brennstoffzelle 3 bereitgestellten elektrischen Leistung auf den Motor 1 und die Batterie 2 sowie den Beitrag von Brennstoffzelle 3 und Batterie 2 zum momentanen Leistungsbedarf des Motors 1 bzw. die jeweiligen Beiträge der Brennstoffzelle 3 und der Batterie 2 zur durch eine Leistungsanforderung des Fahrers, typischerweise über ein Fahrpedal 6, bestimmten Leistung des Motors 1.
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In gleicher Weise wie mit dem Fahrpedal 6 kann der Bordcomputer 4 auch mit einem Bremspedal 12 und/oder einem Lenkrad 13 verbunden sein, um das Ausmaß von deren Betätigung durch den Fahrer zu erfassen.
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Der Bordcomputer 4 ist mit diversen, an sich bekannten Messinstrumenten 7 zum Überwachen des Ladezustands der Batterie 2, z.B. durch Messen eines Ladestroms vom der Brennstoffzelle 3 zur Batterie 2 und eines Entladestroms von der Batterie 2 zum Motor 1, verbunden. Die Steuereinheit 4 benötigt diese Information, um die Leistung der Brennstoffzelle 3 regeln zu können, typischerweise um bei niedrigem Ladestand der Batterie 2 die Brennstoffzelle 3 zu so betreiben, dass sie bei möglichst hohem Wirkungsgrad die vom Motor benötigte Antriebsleistung und noch einen Überschuss zum Laden der Batterie 2 liefert, und bei hohem Ladestand die Brennstoffzelle 2 mit minimaler oder verschwindender Leistung zu betreiben, so dass die zum Fahren benötigte Energie allein oder im Wesentlichen allein von der Batterie 2 geliefert wird.
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Die Brennstoffzelle 3 bezieht benötigten Kraftstoff, d.h. Wasserstoff, aus einem Kraftstofftank 9. Ein Ventil 10 in einer Versorgungsleitung vom Kraftstofftank 9 zur Brennstoffzelle 3 ist von dem Bordcomputer 4 steuerbar, um den Betrieb der Brennstoffzelle 3 zu unterbrechen oder ihre Leistung zu drosseln, wenn die Batterie 2 ausreichend geladen ist. Der Bordcomputer 4 ist ferner mit einem Sensor 11 zum Erfassen des Füllstands des Kraftstofftanks 9 verbunden.
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Die Menge an elektrischer Energie, die aus dem Inhalt des Kraftstofftanks 9 gewonnen werden kann, ist keine eindeutige Funktion des Füllstands, sondern hängt von den Bedingungen der Umwandlung in der Brennstoffzelle 3 ab, insbesondere von deren Ausgangsleistung. Der Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung P und Wirkungsgrad η ist in 2 gezeigt: Es gibt einen Wert der Ausgangsleistung Popt, an dem der Wirkungsgrad ein Maximum ηmax annimmt. Um energieeffizientes Fahren zu ermöglichen, sollte Popt möglichst genau dem über alle möglichen Fahrbedingungen langfristig gemittelten Leistungsbedarf des Fahrzeugs entsprechen; dann könnte dieser im Idealfall vollständig gedeckt werden, indem die Brennstoffzelle kontinuierlich mit dem optimalen Wirkungsgrad ηmax arbeitet, und temporärer Mehr- oder Minderbedarf könnte über die Batterie 2 gepuffert werden. Voraussetzung dafür wäre allerdings, dass die Phasen des Mehr- oder Minderbedarfs so kurz sind, dass in ihnen die Batterie 2 nicht vollständig ent- oder aufgeladen wird. Eine so große Batterie würde aber die Fahrzeugmasse und damit wiederum den Energieverbrauch des Fahrzeugs erhöhen. Die Batterie 2 ist daher so dimensioniert, dass es im Betrieb des Fahrzeugs Situationen auftreten werden, in denen andauernder Betrieb der Brennstoffzelle bei Popt zu einer übermäßigen Entladung der Batterie 2 führen würde. Solche - insbesondere bei fortgesetztem Fahren im Stadtverkehr zu erwartenden - Situationen können bei mäßiger Einbuße an Wirkungsgrad vermieden werden, indem mit abnehmendem Ladestand der Batterie die Leistung P der Brennstoffzelle auf einen Wert P1 > Popt hochgeregelt wird.
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Eine Vorhersage der Reichweite des Fahrzeugs kann unter diesen Bedingungen vom Bordcomputer 4 getroffen werden, indem dieser mittels eines ersten Algorithmus aus in der Vergangenheit gemessenen streckenbezogenen Kraftstoffverbräuchen und dem vom Sensor 11 erfassten Füllstand des Tanks 9 eine Reichweite errechnet. Eine genaue Beschreibung des ersten Algorithmus erübrigt sich hier, da Algorithmen zum Berechnen einer Reichweite anhand eines Tankfüllstands und eines streckenbezogenen Kraftstoffverbrauchs für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor allgemein bekannt und gebräuchlich sind und alle diese dem Fachmann bekannten Algorithmen hier als erster Algorithmus eingesetzt werden können. Während das Fahrzeug sich im Stadtverkehr bewegt, liefert der erste Algorithmus so eine prognostizierte Reichweite s*, die während der Fahrt jeweils um die gefahrene Wegstrecke s abnimmt, wie in 3 für einen Wegabschnitt s1-s2 dargestellt.
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Da Popt dem mittleren Leistungsbedarf des Fahrzeugs entspricht, tritt unvermeidlich - insbesondere beim Fahren außerorts oder auf einer Autobahn - auch der Fall auf, dass der tatsächliche Leistungsbedarf kleiner ist und bei fortgesetztem Betrieb mit Popt erzeugte elektrische Energie nicht mehr in der Batterie gespeichert werden kann. In diesem Fall ist es effizienter, dass der Bordcomputer 4 die Brennstoffzelle 3 zwischen Nullleistung und Betrieb bei Popt hin- und herzuschaltet, als die Brennstoffzelle 3 kontinuierlich bei einer niedrigeren Leistung mit suboptimalem Wirkungsgrad zu betreiben. Die Umschaltung kann jeweils bei einer vorgegebenen oberen und unteren Schwelle des Ladestands erfolgen; hier kann es jedoch zweckmäßiger sein, eine Periode T für das Umschalten fest vorzugeben und allenfalls den Anteil der Periode, in dem die Brennstoffzelle ausgeschaltet ist oder mit Popt in Betrieb ist, abhängig vom Ladestand zu variieren.
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Wenn das Fahrzeug von Stadt- zu Autobahnverkehr wechselt, so hat dies zunächst die Folge, dass weniger Leistung fürs Fahren verbraucht wird, als die Brennstoffzelle 3 liefert, und der Ladestand der Batterie 2 ansteigt. Der vom Sensor 11 erfasste Kraftstoffverbrauch bleibt jedoch hoch, und wenn basierend darauf die Reichweite s* nach demselben ersten Algorithmus wie oben berechnet wird, ist das Ergebnis zu niedrig, wie in 3 als gestrichelte Linie ab s2 dargestellt. Sobald jedoch ab einer Wegstelle s3 die Batterie 2 soweit geladen ist, dass die Brennstoffzelle abgeschaltet wird, kehren sich die Verhältnisse um; es wird kein Kraftstoff mehr verbraucht, und bis eine Wegstelle s4 erreicht wird, an der die Brennstoffzelle 3 wieder in Betrieb genommen wird, erreicht die Reichweitenvorhersage einen fehlerhaft zu hohen Wert.
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Um diesen Effekt zu unterdrücken, überwacht der Bordcomputer 4 , ob sich das Fahrzeug im Stadtverkehr oder auf einer Schnellstraße (einer Autobahn oder einer anderen energieeffizientes Fahren ermöglichenden Straße) befindet, und korrigiert in letzterem Fall das Ergebnis des ersten Algorithmus durch Anwenden eines Tiefpassfilters darauf. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters ist bemessen, um Schwankungen des Vorhersageergebnisses mit der Periode T oder kürzer zu unterdrücken; d. h. indem das Vorhersageergebnis des ersten Algorithmus über eine Zeitspanne gemittelt wird, die deutlich länger ist als T, werden Schwankungen, die auf den veränderlichen Betriebszustand der Brennstoffzelle 3 zurückgehen, unterdrückt.
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Zum Entscheiden, ob sich das Fahrzeug im Stadtverkehr oder auf einer Schnellstraße befindet, kann der Bordcomputer 4 verschiedene Verfahren einsetzen. So ist z.B. denkbar, ihn mit einem herkömmlichen Fahrzeugnavigationssystem zu verbinden, um Information über die Art der befahrenen Straße von dort zu empfangen. Alternativ kann aus der Art und Weise, in der das Fahrzeug gelenkt wird, auf die Art der Straße rückgeschlossen werden. Beispielsweise kann der Bordcomputer die Fahrgeschwindigkeit und/oder Bewegungen des Lenkrads, des Brems- oder des Fahrpedals überwachen und eine mittlere Fahrgeschwindigkeit, eine Varianz der Fahrgeschwindigkeit oder für Ausmaß und/oder Geschwindigkeit dieser Bewegungen von Lenkrad, Brems- oder Fahrpedal in der unmittelbaren Vergangenheit repräsentative Mittelwerte berechnen und feststellen, dass das Fahrzeug sich auf einer Schnellstraße befindet, wenn der Mittelwert oder eine aus mehreren dieser Mittelwerte abgeleitete Größe einen vorgegebenen unteren Schwellwert unterschreitet. Umgekehrt wird festgestellt, dass es sich nicht mehr auf einer Schnellstraße befindet, wenn der Mittelwert einen oberen Grenzwert überschreitet, der höher ist als der untere.
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4 fasst das vom Bordcomputer ausgeführte Verfahren zusammen: die Berechnung der Reichweite nach dem ersten Algorithmus wird fortlaufend wiederholt (S1). Es wird entschieden, ob das Fahrzeug sich auf einer Schnellstraße befindet oder nicht (S2). Wenn nicht, dann wird das Ergebnis des ersten Algorithmus als Reichweite s* auf einem Anzeigeinstrument 8 (S. 1) des Fahrzeugs ausgegeben (S4). Wenn ja, wird es in eine Mittelwertberechnung (S3) eingegeben, die über eine Zeitspanne >T mittelt, und das Ergebnis dieser Mittelwertberechnung wird als Reichweite s* auf dem Anzeigeinstrument 8 ausgegeben (S4).
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Bezugszeichen
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Batterie
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Bordcomputer
- 5
- Schalter
- 6
- Fahrpedal
- 7
- Messinstrument
- 8
- Anzeigeinstrument
- 9
- Tank
- 10
- Ventil
- 11
- Sensor
- 12
- Bremspedal
- 13
- Lenkrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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