EP4214783A1 - Verfahren zum festlegen einer hinsichtlich effizienz und lebensdauer optimierten betriebsstrategie eines brennstoffzellensystems eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum festlegen einer hinsichtlich effizienz und lebensdauer optimierten betriebsstrategie eines brennstoffzellensystems eines fahrzeugs

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EP4214783A1
EP4214783A1 EP21777218.5A EP21777218A EP4214783A1 EP 4214783 A1 EP4214783 A1 EP 4214783A1 EP 21777218 A EP21777218 A EP 21777218A EP 4214783 A1 EP4214783 A1 EP 4214783A1
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EP
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load profile
fuel cell
cell system
efficiency
service life
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Application number
EP21777218.5A
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Sergei Hahn
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • FCV Fuel Cell Vehicle
  • the oxidizing agent oxygen from the ambient air is usually used to in the fuel cell with hydrogen Water or water vapor to react and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.
  • the efficiency and service life of a fuel cell system depend not only on the respective load profile, but also on the respective operating parameters, such as temperature and cell voltage.
  • a specific power of the fuel cell system can be provided based on a different combination of operating parameters of the fuel cell system.
  • the selection of optimal operating parameters depends on the respective boundary conditions (environmental conditions, thermal limitations, water management) and the application.
  • the efficiency and the service life of the fuel cell system are generally influenced by the selection of the power requirement (power distribution between the battery and the fuel cell system).
  • the invention relates to a method for determining an operating strategy of a fuel cell system of a vehicle that is optimized in terms of efficiency and service life according to claim 1, a computer program product according to claim 8, a control unit according to claim 9 and a vehicle according to claim 10. Further advantages and details of the invention result from the Subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the computer program product according to the invention, the control system according to the invention and the vehicle according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always referred to alternately or can become.
  • the invention therefore relates to a method for determining an operating strategy for a fuel cell system of a vehicle that is optimized in terms of efficiency and service life, the method having the steps:
  • an operating strategy is consequently defined which is optimized for individual load profile areas of the load profile in terms of efficiency or service life and is therefore optimized overall for the entire load profile in terms of efficiency and service life.
  • efficiency means consumption efficiency.
  • the efficiency increases with decreasing hydrogen consumption.
  • the service life increases with decreasing degradation.
  • the load profile represents the power provided by the fuel cell system over the course of time or driving operation of the vehicle.
  • the load profile provided is divided into at least two individual load profile areas.
  • the division can also be made into at least three, at least four or more individual load profile areas.
  • the load profile ranges can be divided into different power ranges from zero to the maximum power of the fuel cell system. In a fuel cell system with a maximum power of 100 kW, for example, 10 power ranges can be formed in 10 kW steps, i.e. from 0 to 10 kW, from 10 kW to 20 kW etc., which when applied to the load profile result in the corresponding load profile ranges.
  • a load profile range thus allows a statement to be made as to how long the fuel cell system has been operated in a specific power range over the entire course of time or driving operation of the vehicle according to the load profile.
  • the hydrogen consumption proportions and degradation proportions of the fuel cell system in relation to the entire load profile are then determined for each load profile range.
  • the proportions of the total hydrogen consumption for the load profile and of the total degradation, or in other words aging, of the fuel cell system that occurred for the load profile are determined for each load profile range.
  • the relative consumption share and the relative degradation share of each load profile area in the overall load profile can be determined.
  • the hydrogen consumption fraction can then be compared with the degradation fraction for each load profile range.
  • the comparison allows the weighting function to be determined, i.e. the mathematical specification as to whether the efficiency or the service life of the fuel cell system in the respective load profile range should be weighted more heavily and optimized accordingly.
  • This can be determined in a particularly simple manner by comparing the relative degradation percentage and the relative hydrogen consumption percentage for each load profile range. For the respective higher relative proportion of degradation or hydrogen consumption, the service life or efficiency for the respective load profile range can then be optimized accordingly, since there is more potential for optimization with a higher relative proportion.
  • a statistical method or a method based on artificial intelligence can also be used to determine the weighting function.
  • the degradation component and the hydrogen consumption component for the load profile areas can be determined, for example, using mathematical functions. These mathematical functions can indicate the expected service life and the expected consumption for the load profile range, ie as a function of the temperature and the voltage of the fuel cell system. Alternatively or additionally, empirical data can be used to determine the degradation rate and hydrogen consumption rate. Finally, to implement the weighting function in the respective load profile range, a set of operating parameters of the fuel cell system is determined, by means of which the weighting function can be implemented during operation of the fuel cell system, ie the service life or efficiency can be optimized. The parameter sets can be determined, for example, using stored characteristic diagrams. Alternatively or additionally, however, it is possible for the parameter sets to be determined by at least one mathematical function. Finally, these specific sets of parameters are chosen for each load profile range in order to define an operating strategy over the entire load profile, thereby optimizing both the efficiency and the service life of the fuel cell system.
  • the desired parameters or operating parameters of the fuel cell system for a desired performance are not varied in the known operating methods of fuel cell systems in vehicles.
  • the desired parameters or operating parameters of the fuel cell system for a desired performance such as the temperature and the stoichiometry
  • individual applications and driving styles benefit from an individual operating strategy in order to increase the service life and the efficiency of the fuel cell system.
  • the load profile of the vehicle can be created accordingly through a statistical analysis of the journeys.
  • the load profile of the vehicle can be determined very precisely and easily processed.
  • the weighting function is selected in such a way that the efficiency and the service life are weighted relative to one another in each of the at least two load profile ranges.
  • the weighting function can weight only efficiency or lifetime with a value of 1, weight efficiency and lifetime with the same value of 0.5 for both, or weight efficiency with a non-zero value and lifetime with a non-zero value weighted, whereby the sum of both values is again 1.
  • a Pareto-optimal parameter set is determined for each of the at least two load profile ranges. In the respective load profile range, either the service life or the consumption can be burdened disproportionately.
  • the invention relates to a computer program product that can be executed in a control device in a vehicle with a fuel cell system and is set up to execute the method according to the first aspect of the invention.
  • the invention also relates to a control unit for a vehicle with a fuel cell system, the control unit being set up to carry out the method according to the first aspect of the invention.
  • the invention relates to a vehicle with a fuel cell system and the control device according to the third aspect of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic view of the sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of a recorded load profile of an exemplary embodiment of a vehicle according to the invention.
  • FIG. 1 shows a sequence of the method steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention for determining an operating strategy of a fuel cell system 2 of a vehicle 1 that is optimized in terms of efficiency and service life according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the vehicle 1 is shown schematically in FIG.
  • the vehicle 1 has a fuel cell system 2 as a drive.
  • the operation or the operating strategy of the fuel cell system 2 is specified by a control unit 3 in which a computer program product 4 is stored.
  • the control unit 3 When the computer program product 4 is executed by the control unit 3, the method shown schematically in its sequence in FIG. 1 is executed.
  • the load profile is determined while driving the vehicle 1 and is therefore specific to the driving behavior, the driving environment, etc. of the driver or drivers of the vehicle 1 and the fuel cell system 2 of the vehicle 1.
  • Such an exemplary load profile of vehicle 1 is shown in FIG.
  • the load profile maps the power provided by the fuel cell system 2 or called up by the vehicle 1 in kW over time in seconds.
  • the load profile has times with a higher power requirement and times with a lower power requirement.
  • the load profile can be divided into several load profile areas with different load areas or performance areas. This takes place in a second step 20 of the method from FIG. Furthermore, the time portion of each load profile area is determined. Accordingly, the data are determined by way of example from the table presented below for the load profile from FIG.
  • the load profile from FIG. 2 was divided into three load profile areas with different load areas. These load profile areas are subdivided into light load (SL), medium load (ML) and high load (HL). For each of the load profile areas, the temporal portion of the total load profile as well as the relative degradation portion and the relative consumption portion were determined. The degradation component and the consumption component can have been determined based on empirical data and/or mathematical functions for the respective load profile range.
  • the weighting function for the load profile range SL is determined in such a way that the degradation is reduced or the service life is increased. In return, consumption increases due to the conflict of objectives between efficiency and service life. However, since the relative proportion of degradation is significantly higher than that of consumption, it still makes sense in the SL load profile range to increase the service life at the expense of consumption.
  • the weighting functions for the load profile areas ML and HL are determined in such a way that the consumption is reduced or the efficiency is increased, while the degradation in return increases.
  • a Pareto-optimal set of parameters for implementing the weighting function is determined in each of the three load profile ranges SL, ML and HL.
  • Figure 4 shows a schematic view of a course of the expected service life over an efficiency of the fuel cell system 2 for different stoichiometric coefficients X at an operating point of 400 A.
  • the stoichiometric coefficient X indicates how much oxygen is supplied to the cathodes of the fuel cells of the fuel cell system 2.
  • a stoichiometric coefficient of 1 means that 100% of the oxygen supplied is converted in the electrochemical reaction in the fuel cell.
  • Pareto-optimal stoichiometric coefficients X lie on curve 5, which represents a front of Pareto-optimal points.
  • the stoichiometric coefficient X for a given operating point for the parameter set of a load profile range can be selected on this curve 5 .
  • other operating parameters are also selected for each load profile range.
  • a fifth step 50 the operating strategy is defined according to the parameter sets determined for the operation of the vehicle 1 or fuel cell system 2 in order to optimize the efficiency and service life of the fuel cell system 2.
  • the fuel cell system 2 of the vehicle 1 is then operated accordingly with this operating strategy. If the load profile should change, the process is repeated to determine the weighting function and the parameter sets and thus the new Redefine operational strategy. This is symbolized by the arrow connecting method step 50 to method step 10 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2), (b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird, (c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils, (d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und (e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der bestimmten Parametersätze.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystem (im Englischen Fuel Cell System (FCS)) als Antriebssystem, die im Englischen als Fuel Cell Vehicle (FCV), bezeichnet werden, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Dabei sind die Effizienz und die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems nicht nur vom jeweiligen Lastprofil, sondern auch von den jeweiligen Betriebsparametern, wie bspw. Temperatur und Zellspannung, abhängig.
Dabei kann eine bestimmte Leistung des Brennstoffzellensystems anhand einer unterschiedlichen Kombination aus Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden. Die Wahl optimaler Betriebsparameter hängt jedoch von den jeweiligen Randbedingungen (Umgebungsbedingungen, thermische Limitierung, Wassermanagement) und von dem Anwendungsfall ab.
Tendenziell verbessert eine Erhöhung der Temperatur die Reaktionskinetik und den Membranwiderstand (bei konstanten Feuchtebedingungen). Zudem wird eine weitere Anhebung des Druckniveaus möglich, sodass ein weiterer Anstieg der Leistungsdichte möglich wird. Weiterhin kann eine eventuelle Kühlungslimitierung aufgrund eines Fahrzeugkühlers entschärft werden. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass eine erhöhte Spannung und eine erhöhte Temperatur tendenziell zu einer Erhöhung der Degradationsrate führen. Eine Variation der Betriebsparameter führt folglich zu einem Zielkonflikt zwischen dem Wasserstoffverbrauch bzw. der Effizienz und der Degradation bzw. Lebensdauer des Brennstoffzellensystems.
Bei den bekannten Betriebsstrategien wird auf die Effizienz und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in der Regel über die Wahl der Leistungsanforderung Einfluss genommen (Leistungsaufteilung zwischen Batterie und Brennstoffzellensystem).
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8, ein Steuergerät nach Anspruch 9 sowie ein Fahrzeug nach Anspruch 10. Weitere Vorteile 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 Computerprogrammprodukt, dem erfindungsgemäßen Steuersystem und mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
(a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems,
(b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird,
(c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten absoluten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils,
(d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und
(e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Parametersätze.
Erfindungsgemäß wird folglich eine Betriebsstrategie festgelegt, die für einzelne Lastprofilbereiche des Lastprofils hinsichtlich Effizienz oder Lebensdauer optimiert ist und damit für das gesamte Lastprofil hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer insgesamt optimiert ist. Mit Effizienz ist mit anderen Worten eine Verbrauchseffizienz gemeint. Die Effizienz steigt also mit sinkendem Wasserstoffverbrauch. Die Lebensdauer steigt mit abnehmender Degradation.
Das Lastprofil stellt die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte Leistung über den Zeitverlauf bzw. Fährbetrieb des Fahrzeugs dar. Das bereitgestellte Lastprofil wird in zumindest zwei einzelne Lastprofilbereiche aufgeteilt. Die Aufteilung kann auch in zumindest drei, zumindest vier oder mehr einzelne Lastprofilbereiche erfolgen. Die Lastprofilbereiche können in unterschiedliche Leistungsbereiche von Null bis zur maximalen Leistung des Brennstoffzellensystems aufgeteilt werden. Bei einem Brennstoffzellensystem mit 100 kW maximaler Leistung können bspw. 10 Leistungsbereiche in 10 kW Schritten, also von 0 bis 10 kW, von 10 kW bis 20 kW usw. gebildet werden, die auf das Lastprofil angewendet die entsprechenden Lastprofilbereiche ergeben. Ein Lastprofilbereich erlaubt damit eine Aussage darüber, wie lange das Brennstoffzellensystem in einem bestimmten Leistungsbereich über den gesamten Zeitverlauf bzw. Fährbetrieb des Fahrzeugs gemäß dem Lastprofil betrieben worden ist. Für jeden Lastprofilbereich werden anschließend die Wasserstoffverbrauchsanteile und Degradationsanteile des Brennstoffzellensystems im Verhältnis zu dem gesamten Lastprofil bestimmt. Mit anderen Worten werden für jeden Lastprofilbereich die Anteile an dem für das Lastprofil insgesamt angefallenen Wasserstoffverbrauch und an der bei dem Lastprofil insgesamt aufgetretenen Degradation, oder mit anderen Worten Alterung, des Brennstoffzellensystems bestimmt. Dazu können insbesondere der relative Verbrauchsanteil und der relative Degradationsanteil jedes Lastprofilbereichs an dem gesamten Lastprofil bestimmt werden.
Anschließend kann der Wasserstoffverbrauchsanteil mit dem Degradationsanteil für jeden Lastprofilbereich verglichen werden. Der Vergleich erlaubt die Bestimmung der Gewichtungsfunktion, also die mathematische Angabe, ob die Effizienz oder die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in dem jeweiligen Lastprofilbereich stärker gewichtet und entsprechend optimiert werden soll. Dies kann auf besonders einfache Weise durch einen Vergleich des relativen Degradationsanteils und des relativen Wasserstoffverbrauchsanteils für jeden Lastprofilbereich bestimmt werden. Für den jeweils höheren relativen Anteil von Degradation oder Wasserstoffverbrauch kann dann entsprechend die Lebensdauer oder Effizienz für den jeweiligen Lastprofilbereich optimiert werden, da bei einem höheren relativen Anteil mehr Potential zur Optimierung besteht. Zur Bestimmung der Gewichtungsfunktion kann aber ebenso ein statistisches Verfahren oder ein auf künstlicher Intelligenz beruhendes Verfahren genutzt werden.
Der Degradationsanteil und der Wasserstoffverbrauchsanteil für die Lastprofilbereiche können dabei bspw. mittels mathematischer Funktionen bestimmt werden. Diese mathematischen Funktionen können die erwartete Lebensdauer und den erwarteten Verbrauch für den Lastprofilbereich, also etwa in Abhängigkeit von der Temperatur und der Spannung des Brennstoffzellensystems, angeben. Alternativ oder zusätzlich können empirische Daten zur Bestimmung des Degradationsanteils und Wasserstoffverbrauchsanteils genutzt werden. Zur Umsetzung der Gewichtsfunktion in dem jeweiligen Lastprofilbereich wird schließlich ein Parametersatz an Betriebsparamatern des Brennstoffzellensystems bestimmt, mittels derer die Gewichtungsfunktion im Betrieb des Brennstoffzellensystems umgesetzt werden kann, also die Lebensdauer oder Effizienz optimiert werden kann. Die Parametersätze können bspw. anhand von hinterlegten Kennfeldern bestimmt werden. Möglich ist aber alternativ oder zusätzlich, dass die Parametersätze durch zumindest eine mathematische Funktion bestimmt werden. Schließlich werden diese bestimmten Parametersätze für jeden Lastprofilbereich gewählt, um eine Betriebsstrategie über das gesamte Lastprofil festzulegen, wodurch sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems optimiert wird.
Gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung werden bei den bekannten Betriebsverfahren von Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen die gewünschten Parameter bzw. Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems für einen Leistungswunsch, wie z.B. die Temperatur und die Stöchiometrie, nicht variiert. Erfindungsgemäß wurde hingegen erkannt, dass individuelle Anwendungsfälle und Fahrweisen aber von einer individuellen Betriebsstrategie profitieren, um die Lebensdauer und die Effizienz des Brennstoffzellensystems zu steigern.
Es kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil des Brennstoffzellensystems während den Fahrten mit dem Fahrzeug aufgenommen wird. Das Lastprofil des Fahrzeugs kann entsprechend durch eine statistische Analyse der Fahrten erstellt werden. Das Lastprofil des Fahrzeugs kann so sehr genau ermittelt und einfach verarbeitet werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Betriebsstrategie bei einer Änderung des Lastprofils des Brennstoffzellensystems angepasst wird. Wenn sich bspw. das Lastprofil aufgrund anderer Gegebenheiten nach einem Umzug oder Eigentümerwechsel verändert, etwa von einem überwiegenden Fahren auf der Autobahn auf ein überwiegendes Fahren in der Stadt, kann die Betriebsstrategie neu hinsichtlich der Effizienz und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems optimiert werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil laufend bereitgestellt bzw. aufgenommen wird und die Lastprofilbereiche auf eine Veränderung von Wasserstoffverbrauchsanteil und Degradationsanteil hin überprüft werden. Bei hinreichender Veränderung kann eine neue Gewichtungsfunktion bestimmt werden, ein neuer Parametersatz bestimmt werden und eine neue Betriebsstrategie gemäß des neuen Parametersatzes festgelegt werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Parametersatz eine Temperatur, einen Druck und/oder eine Stöchiometrie als Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aufweist. Es hat sich gezeigt, dass sich durch Verändern dieser Betriebsparameter die Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer in einem Lastprofilbereich am einfachsten umsetzen lässt.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Lastprofil in zumindest einen Schwachlastbereich, einen Mittellastbereich und einen Hochlastbereich unterteilt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Gewichtungsfunktion derart gewählt wird, dass in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche die Effizienz und die Lebensdauer relativ zueinander gewichtet werden. Anschaulich gesprochen kann die Gewichtungsfunktion beispielsweise nur die Effizienz oder die Lebensdauer mit einem Wert von 1 gewichten, die Effizienz und Lebensdauer mit dem für beide gleichen Wert von 0,5 gewichten oder die Effizienz mit einem Wert ungleich Null und die Lebensdauer mit einem Wert ungleich Null gewichten, wobei die Summe beider Werte wiederum 1 ergibt.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass für jede der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein pareto-optimaler Parametersatz bestimmt wird. In dem jeweiligen Lastprofilbereich kann also entweder die Lebensdauer oder der Verbrauch überwiegend überproportional belastet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das in einem Steuergerät in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem ausführbar ist und dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Steuergerät für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, wobei das Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
Schließlich betrifft die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und dem Steuergerät nach dem dritten Aspekt der Erfindung.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Figur hervorgehenden Merkmale können sowohl für sich als auch in den beliebigen verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Ansicht den Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 in einer schematischen Ansicht ein aufgenommenes Lastprofil eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, und
Fig. 4 in einer schematischen Ansicht einen Verlauf der erwarteten Lebensdauer über einer Effizienz des Brennstoffzellensystems.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Ablauf der Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems 2 eines Fahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fahrzeug 1 ist schematisch in Figur 2 gezeigt. Das Fahrzeug 1 weist als Antrieb ein Brennstoffzellensystem 2 auf. Der Betrieb bzw. die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 2 wird von einem Steuergerät 3 vorgegeben, in dem ein Computerprogrammprodukt 4 gespeichert ist. Wenn das Computerprogrammprodukt 4 von dem Steuergerät 3 ausgeführt wird, wird das in Figur 1 schematisch in seinem Ablauf dargestellte Verfahren ausgeführt.
In einem ersten Schritt 10 des Verfahrens aus Figur 1 wird zunächst ein Lastprofil des Fahrzeugs 1 ermittelt und an dem Steuergerät 3 bereitgestellt. Das Ermitteln des Lastprofils erfolgt während der Fahrten mit dem Fahrzeug 1 und ist insoweit spezifisch für das Fahrverhalten, die Fahrumgebung usw. des Fahrers oder der Fahrer des Fahrzeugs 1 und das Brennstoffzellensystem 2 des Fahrzeugs 1.
Ein solches beispielhaftes Lastprofil des Fahrzeugs 1 ist in Figur 3 gezeigt. Das Lastprofil bildet die vom Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellte bzw. vom Fahrzeug 1 abgerufene Leistung in kW über der Zeit in Sekunden ab. Wie dem Lastprofil zu entnehmen ist, weist das Lastprofil Zeiten mit höherem Leistungsbedarf und Zeiten mit geringerem Leistungsbedarf auf.
Das Lastprofil lässt sich entsprechend in mehrere Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen bzw. Leistungsbereichen aufteilen. Dies erfolgt in einem zweiten Schritt 20 des Verfahrens aus Figur 1. Zusätzlich wird für jeden Lastprofilbereich ein Wasserstoffverbrauchsanteil (im Folgenden als Verbrauchsanteil bezeichnet) und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems 2 an dem gesamten Lastprofil bestimmt. Ferner wird der zeitliche Anteil jedes Lastprofilbereichs bestimmt. Entsprechend werden die Daten beispielhaft der im Folgenden dargestellten Tabelle für das Lastprofil aus Figur 2 bestimmt.
Wie der Tabelle zu entnehmen ist, wurde das Lastprofil aus Figur 2 in drei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen unterteilt. Diese Lastprofilbereiche sind vorliegend in Schwachlast (SL), Mittellast (ML) und Hochlast (HL) unterteilt. Für jedes der Lastprofilbereiche wurden der zeitliche Anteil an dem gesamten Lastprofil sowie der relative Degradationsanteil und der relative Verbrauchsanteil ermittelt. Der Degradationsanteil und der Verbrauchsanteil können dabei basierend auf empirischen Daten und/oder mathematischen Funktionen für den jeweiligen Lastprofilbereich ermittelt worden sein.
In dem auf den zweiten Schritt 20 folgenden dritten Schritt 30 des Verfahrens gemäß Figur 1 wird schließlich eine Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 2 in jedem der drei Lastprofilbereiche SL, ML und HL anhand des für jeden der drei Lastprofilbereiche SL, ML, HL bestimmten Verbrauchsanteils und Degradationsanteils bestimmt.
So ist bspw. anhand des Lastprofilbereichs SL zu erkennen, dass dieser den mit 74,24 % mit Abstand am größten zeitlichen Anteil am Lastprofil des Brennstoffzellensystems 2 ausmacht. Der relative Degradationsanteil ist mit 89,34 % sehr hoch, während der relative Verbrauchsanteil mit 38,95 % vergleichsweise gering ist, insbesondere im Hinblick auf den hohen zeitlichen Anteil des Lastprofilbereichs SL an dem gesamten Lastprofil. Entsprechend wird die Gewichtungsfunktion für den Lastprofilbereich SL derart bestimmt, dass die Degradation verringert bzw. die Lebensdauer erhöht wird. Dabei steigt aufgrund des Zielkonflikts zwischen der Effizienz und der Lebensdauer der Verbrauch im Gegenzug zwar. Da der relative Anteil der Degradation aber wesentlich höher als der des Verbrauchs ist, ist es im Lastprofilbereich SL dennoch sinnvoll, die Lebensdauer zu Ungunsten des Verbrauchs zu erhöhen.
Anders hingegen sieht es bei den Lastprofilbereichen ML und HL aus, wo die relativen Verbrauchsanteile die Degradationsanteile deutlich überwiegen. Insoweit werden die Gewichtungsfunktionen für die Lastprofilbereiche ML und HL derart bestimmt, dass der Verbrauch verringert wird bzw. die Effizienz erhöht wird, während die Degradation im Gegenzug steigt.
Schließlich wird in einem vierten Schritt 40 des Verfahrens gemäß Figur 1 je ein pareto-optimaler Parametersatz zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der drei Lastprofilbereiche SL, ML und HL bestimmt.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Verlauf der erwarteten Lebensdauer über einer Effizienz des Brennstoffzellensystems 2 für verschiedene stöchiometrische Koeffizienten X bei einem Betriebspunkt von 400 A. Der stöchiometrische Koeffizient X gibt an, wie viel Sauerstoff den Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems 2 zugeführt wird. Ein stöchiometrischer Koeffizient von 1 bedeutet dabei, dass 100% des zugeführten Sauerstoffs in der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle umgewandelt wird. Pareto-optimale stöchiometrische Koeffizienten X liegen auf der Kurve 5, die eine Front pareto-optimaler Punkte darstellt. Auf dieser Kurve 5 kann beispielsweise der stöchiometrische Koeffizient X für einen gegebenen Betriebspunkt für den Parametersatz eines Lastprofilbereichs gewählt werden. Entsprechend werden auch andere Betriebsparameter für jeden Lastprofilbereich gewählt.
In einem fünften Schritt 50 wird schließlich die Betriebsstrategie gemäß der bestimmten Parametersätze für den Betrieb des Fahrzeugs 1 bzw. Brennstoffzellensystems 2 festgelegt, um die Effizienz und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 2 zu optimieren. Das Brennstoffzellensystem 2 des Fahrzeugs 1 wird fortan entsprechend mit dieser Betriebsstrategie betrieben. Sofern sich das Lastprofil ändern sollte, wird das Verfahren wiederholt, um die Gewichtungsfunktion und die Parametersätze neu zu bestimmen und damit die Betriebsstrategie neu festzulegen. Dies wird durch den Verbindungspfeil von Verfahrensschritt 50 zu Verfahrensschritt 10 symbolisiert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Festlegen einer hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
(a) Bereitstellen eines Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2),
(b) Aufteilen des bereitgestellten Lastprofils in zumindest zwei Lastprofilbereiche mit unterschiedlichen Lastbereichen, wobei für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein Wasserstoffverbrauchsanteil und ein Degradationsanteil des Brennstoffzellensystems an dem gesamten Lastprofil bestimmt wird,
(c) Bestimmen einer Gewichtungsfunktion zur Optimierung von Effizienz oder Lebensdauer des Brennstoffzellensystems in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche anhand des für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Wasserstoffverbrauchsanteils und Degradationsanteils,
(d) Bestimmen eines Parametersatzes zur Umsetzung der Gewichtungsfunktion in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche, und
(e) Festlegung der hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer optimierten Betriebsstrategie gemäß der für jeden der zumindest zwei Lastprofilbereiche bestimmten Parametersätze.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lastprofil des Brennstoffzellensystems (2) während den Fahrten mit dem Fahrzeug (1) aufgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsstrategie bei einer Änderung des Lastprofils des Brennstoffzellensystems (2) angepasst wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Parametersatz eine Temperatur, einen Druck und/oder eine Stöchiometrie als Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (2) aufweist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Lastprofil in zumindest einen Schwachlastbereich, einen Mittellastbereich und einen Hochlastbereich unterteilt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Gewichtungsfunktion derart gewählt wird, dass in jedem der zumindest zwei Lastprofilbereiche die Effizienz und die Lebensdauer relativ zueinander gewichtet werden. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei für jede der zumindest zwei Lastprofilbereiche ein pareto-optimaler Parametersatz bestimmt wird. Computerprogrammprodukt (4), das in einem Steuergerät (3) in einem Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) ausführbar ist und dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen. Steuergerät (3) für ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (3) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist. Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) und dem Steuergerät (3) nach Anspruch 9.
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