WO2021139936A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2021139936A1
WO2021139936A1 PCT/EP2020/084837 EP2020084837W WO2021139936A1 WO 2021139936 A1 WO2021139936 A1 WO 2021139936A1 EP 2020084837 W EP2020084837 W EP 2020084837W WO 2021139936 A1 WO2021139936 A1 WO 2021139936A1
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Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system which comprises at least one component that degrades, ages and / or wears out during operation of the fuel cell system, which affects the actual service life of the component.
  • the German patent application DE 102016201 596 A1 discloses a method for monitoring the aging of an electrical circuit component with the following steps: determining at least one aging-specific parameter, determining an associated parameter-specific reaction threshold, and triggering a reaction at least in response to the specific parameter exceeding the reaction threshold and adjusting the response threshold and / or response.
  • a method for planning a vehicle diagnosis on a vehicle is known from the German patent application DE 102012 211 189 A1, comprising: estimating an operating behavior of the vehicle on a route to be traveled with the vehicle, and planning the vehicle diagnosis based on a probability, the estimated operating behavior of the vehicle corresponds to an operating behavior suitable for vehicle diagnosis.
  • a method for operating an on-board network in a motor vehicle is known from the German patent application DE 102016 220957 A1, in which an operating strategy for the on-board network is developed, at least one criterion being taken into account, with values being stored for each criterion in a sequence according to their priority , whereby it is first checked whether selected values for the at least one criterion are to be adhered to by an energy requirement for a further journey according to the selected criterion is compared to the existing energy resources and, in the event that the energy requirement exceeds the energy resources, the value of at least one of the at least one criterion is degraded at least once in accordance with the assigned sequence and this process is repeated for as long, until the energy demand is covered by the resources.
  • the object of the invention is to optimize the operation of a fuel cell system which comprises at least one component that degrades, ages and / or wears out during operation of the fuel cell system, which affects the actual service life of the component.
  • a method for operating a fuel cell system that includes at least one component that degrades, ages and / or wears out during operation of the fuel cell system, which affects the actual service life of the component
  • the object is achieved by using one of several different operating strategies for Operating the fuel cell system is specifically selected as a function of a currently expected service life of the component in order to achieve a requested service life of the fuel cell system, the degradation, aging and / or wear of the component being recorded and / or estimated during operation of the fuel cell system.
  • oxygen from the ambient air is generally used as the oxidizing agent in order to react with hydrogen to form water or water vapor in the fuel cell and to deliver electrical power through electrochemical conversion.
  • the ambient air is to be supplied to the fuel stack by means of an air delivery system or an air compression system, that is, a corresponding, in particular variable, air mass flow and a corresponding pressure level are necessary for this.
  • the compression / compression of the air often takes place via a thermal flow machine.
  • Energy recovery of the can optionally be used for air compression, which can be carried out in one or more stages outflowing moist air can be realized by means of a turbine, for example by means of an electrically driven turbocharger.
  • thermal flow machines high speeds result from the requirements, particularly with regard to the pressure or mass flow to be provided.
  • Another essential requirement when used in a fuel cell system is that the conveyed air is free of oil.
  • the rotor is preferably supported by means of gas bearings, which are also referred to as air bearings.
  • gas bearings which are also referred to as air bearings.
  • Different types of gas or air bearings can be used.
  • a circulation of hydrogen is required in the anode path. In many cases this is done with the aid of a hydrogen recirculation pump.
  • a gas is also compressed here.
  • the claimed method can also be used here.
  • the at least one component is a gas bearing or an air bearing. It is true that gas bearings are very good in terms of friction during operation, since they have less friction losses than mechanical bearings due to their aerodynamic effect. In the case of a gas or air bearing, pure gas friction or air friction occurs. However, gas bearings are only able to start-stop to a limited extent.
  • various operating strategies are adapted in order to comply with the requirements / specifications on which the design of the gas bearings or the compressor is based, such as the number of start-stop processes subject to friction and the specified maximum number of operating hours.
  • the invention preferably relates to Fuel cell systems that are used in mobile applications.
  • the method can also be transferred to stationary systems, if necessary with adapted parameters, provided that a start-stop operation is provided.
  • the idea can also be transferred to other applications with gas bearings.
  • the idea can also be easily transferred to other components that are subject to degradation mechanisms or wear mechanisms and whose degradation or wear can be quantified or estimated in different operating states or operating strategies.
  • the damage / degradation / wear can include different mechanisms, for example mechanical, tribological, chemical, thermal and others.
  • a preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a previous load profile of the components is recorded in order to estimate the expected service life of the component.
  • the previous load profile of the component includes, for example, a current number of operating hours of the component.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a number of occurrences of at least one process is recorded which influences the service life of the component. This is, for example, the number of start-stop processes in the operation of the fuel cell system.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a duration of at least one process is recorded which influences the service life of the component. This is, for example, the duration of frictional operation of the gas bearing at a speed that is lower than the idling speed or the lift-off speed.
  • Characteristic values for the degradation can be Example can be calculated using a model or an equation. Other parameters, such as temperatures, can be taken into account.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a gradient of a frequency of occurrence of an aging process / degradation process / damage process is recorded during the operation of the component. If it is possible to observe or record the aging process / degradation process / damage process directly, it can also be useful, according to a further preferred exemplary embodiment, to record the gradient of the aging process / degradation process / damage process during operation of the component.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the design limits of the component are adapted as a function of the actual service life of the component. It is also possible to shift the limit of intervention, for example to cover any uncertainties. It is also possible to introduce several limits / threshold values in order to change the operating strategy of varying degrees.
  • the adaptation of the operating strategy can also be made dependent on the operating time. The adaptations can, for example, be carried out in a targeted manner at lower thresholds as the operating time progresses, because there is not so much service life left for compensation.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the number of start-stop processes of the component is counted in order to estimate the currently expected service life of the component. A mean value can then be calculated from this, for example. The mean value formed in this way can be compared with a reference system that has been designed for a defined service life.
  • the component is a compressor which, when required, is operated at a relatively low speed in order to carry out a start-stop process prevent.
  • Relatively low speed in the context of compressors equipped with gas bearings, can mean that the relatively low speed is ten thousand revolutions per minute, twenty thousand revolutions per minute, or over thirty thousand revolutions per minute. It should be noted that compressors that are equipped with gas bearings reach speeds of one hundred thousand revolutions per minute or more during operation in a fuel cell system.
  • the invention further relates to a computer program product with program code means which is set up to carry out a previously described method when the computer program is carried out on a computing unit.
  • the invention also relates to a system for operating a fuel cell system according to a method described above.
  • the essence of the invention is to use the requirements and specifications on which the design is based with regard to the occurrence of degradation processes or wear processes and the previous load profile in order to select the variable operating strategy so that the component is complete or within the lifetime requirements remains at least approximately within the specified limits.
  • the damage processes that occur for example number, duration, key figure and others, threshold values and gradient monitoring are also used.
  • the compressor's gas bearing there is mechanical wear caused by friction.
  • the requirements on which the design is based are, for example, a maximum number of start-stops, with increased friction occurring because the speed is lower than the lift-off speed of the gas bearing.
  • the requirements on which the design is based include, for example, a maximum number of operating hours.
  • the previous load profile includes, for example, the number of previous friction starts and / or the current number of operating hours.
  • components can be designed with an optimized lead or an optimized reserve and are therefore more cost-effective.
  • the compensation of different driving profiles is made possible, namely through a variable adaptation of the operating strategy depending on previous load profiles.
  • a flexible adaptation of the design limits is made possible if new findings, for example from testing or field data, result in a different design lifespan. This also enables flexible adaptation of the operating strategy.
  • the flexible adaptation of the design limits is advantageously based on connectivity / cloud / server.
  • FIG. 1 shows an exemplary representation of a vehicle with a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram in which a friction or a friction coefficient is plotted against a speed
  • FIG. 3 shows a Cartesian coordinate diagram in which a number of degradation processes is plotted over a service life in the form of three exemplary courses. Description of the exemplary embodiments
  • FIG. 1 shows a vehicle 10 which is equipped with a fuel cell system 22 and at least one alternative energy store 26.
  • the fuel cell system 22 and the alternative energy store 26 can each provide all or part of the energy for a drive train 12 of the vehicle 10.
  • the alternative energy store 26 can typically also recuperate energy.
  • further drive trains 12 can be installed for further axles of the vehicle 10, which is not shown.
  • the fuel cell system 22 is connected to a control unit 80, which is equipped with known monitoring and diagnostic functions and, in particular, is also set up to switch the fuel cell system 22 on or off to the drive train 12 of the vehicle 10, the control unit 80 also performing the switch-off procedure of the fuel cell system 22 can trigger and perform.
  • a control unit 80 which is equipped with known monitoring and diagnostic functions and, in particular, is also set up to switch the fuel cell system 22 on or off to the drive train 12 of the vehicle 10, the control unit 80 also performing the switch-off procedure of the fuel cell system 22 can trigger and perform.
  • the at least one alternative energy store 26 for example a traction battery or a supercapacitor, is connected to a further control device, this being occupied with known monitoring and diagnostic functions and also being set up to connect or connect the alternative energy store 26 to the drive train 12 of the vehicle 10 to switch off.
  • the further control device can also be equipped and referred to as a battery management system. In principle, it is also conceivable to save the additional control device and also to accommodate the control, monitoring and diagnostic functions for the at least one alternative energy store 26 in control device 80.
  • the drive train 12 of the vehicle 10 comprises a transmission 14 with at least one electric machine 16.
  • the electric machine 16 represents the drive for the driven axle 18.
  • the at least one electric machine 16 is assigned an inverter 20; position 62 is intended to indicate bidirectionality, that is, the at least one electric machine 16 operates in both generator and motor mode.
  • the components of the drive system 12 of the vehicle 10 are identified in FIG. 1 by a dash-dotted line.
  • the vehicle 10 also includes the fuel cell system 22.
  • the fuel cell system 22 also includes a subsystem 30 for conveying air. In this there is an air filter 38 and a mass flow sensor 40 connected downstream thereof.
  • the air delivery subsystem 30 also includes a compressor 42 which is driven by a compressor drive 44 designed as an electric drive.
  • an intermediate cooler 46 is arranged in the air delivery subsystem 30, with which the heated air is cooled again after the compressor 42 before it flows to a fuel cell stack 50 after passing through the intermediate cooler 46 of the fuel cell system 22.
  • the fuel cell stack 50 is in turn tempered by a cooling circuit 52, the components of which are only indicated schematically in the illustration according to FIG.
  • the fuel cell stack 50 includes a positive pole 54 and a negative pole 56.
  • the inverter 20 of the drive train 12 is electrically connected to a fuel cell converter 64.
  • the illustration according to FIG. 1 also shows that the vehicle 10 includes at least one alternative energy store 26.
  • the alternative energy store 26 can be designed as at least one high-voltage battery or as an arrangement of supercapacitors.
  • the alternative energy store 26 is electrically connected to both the drive train 12 and to the air delivery subsystem 30 via a high-voltage converter 60.
  • the high Voltage converter 60 can be operated bidirectionally, indicated by reference numeral 62.
  • the vehicle 10 includes a conventional 12-volt vehicle battery 28, which is connected to the drive train 12 of the vehicle 10 via a low-voltage converter 58.
  • the fuel cell system 22 in the embodiment variant shown has a bypass flap 32 via which the air supplied by the air delivery subsystem 30 can be guided past the fuel cell stack 50.
  • a pressure control flap 34 on the outflow side in the fuel cell system 22.
  • the fuel cell stack 50 is connected to a shut-off valve 36. Since the fuel cell system 22 embodied in the topology shown there in FIG. 1 has a bypass flap 32, a further possibility for controlling and regulating the same is available. However, this is only one possible implementation; the proposed method can also be used in a fuel cell system 22 which is designed without a bypass flap 32.
  • the component is in particular a compressor which comprises at least one gas bearing.
  • the component has been tested, validated and approved with the specified parameters.
  • the maximum service life of the component is referred to as toperateDesignMax.
  • the time can refer to various references, for example a vehicle operating time, a fuel cell operating time, etc.
  • NoOfDegradProcessDesignMax A maximum number of degradation processes is referred to as NoOfDegradProcessDesignMax.
  • the number of damaging start and stop processes, in particular with mixed friction, can be used for this. If the speed of the gas bearing is less than a lift-off speed, mixed friction, which is undesirable in itself, occurs.
  • Characteristic values for the degradation for example calculated using a model or using equations, which take into account other variables, for example temperature, can also be used as evaluation variables. This is then called, for example, CharacteristicValOfDegradProcessDesignMax instead of NoOfDegradProcessDesignMax. Simplified and used in the following the descriptive quantity "number".
  • Additional diagnostic functions can be used to assess whether degradation is to be expected in the current process.
  • the cumulative load profile is now considered in the respective specific application.
  • the load profile is recorded over the lifetime in a local control device, for example in an in-vehicle control device, or server / cloud-based and, if necessary, evaluated or compressed.
  • a current service life is referred to as toperateAct.
  • a number of degradation processes are referred to as NoOfDegradProcessAct.
  • Alternative sizes can also be used here.
  • the load profile is usually also converted to an equivalent load so that a comparable characteristic value is available. Different and several characteristic values can be used for this, which are referred to as CharacteristicValOfDegradProcessAct.
  • FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram with an x-axis 101 and a y-axis 102.
  • a speed n of the compressor with the gas bearing in revolutions per minute is plotted on the x-axis 101.
  • a curve 103 shows the course of the friction over the speed during operation of the compressor.
  • a transition area is indicated by an arrow 104.
  • To the right of the transition area 104 is an area 106 of pure fluid friction.
  • a dashed arrow 107 indicates an idling speed by way of example.
  • the critical area for degradation / wear is the mixed friction area 105.
  • FIG. 3 shows a Cartesian coordinate diagram with an x-axis 131 and a y-axis 132.
  • the current service life tOperateAct is plotted on the x-axis 131.
  • 138 denotes the maximum service life tOperateDesignMax.
  • the number of degradation processes or degradation processes is plotted on the y-axis.
  • 134 denotes a current number of degradation processes NoOfDegradProcessAct.
  • 135 denotes an associated delta ⁇ NoOfDegradProcessAct.
  • 136 denotes an associated gradient.
  • 137 denotes the maximum number of degradation processes NoOfDegradProcessDesignMax.
  • a dash-dotted diagonal 133 which starts from the coordinate origin, denotes an exemplary curve EqualDistributionDegradProcessDesign, which results when the load is evenly divided between the defined service life and the defined degradation.
  • three courses 141, 142, 143 are plotted in the Cartesian coordinate diagram of FIG.
  • NoOfDegradProcessDesignAct f (tOperateAct) or
  • the gradient shows how the course of harmful processes has increased in the past to the current period.
  • the current gradient gradAct can be compared with the mean design gradient gradDesign and can also be used for the control.
  • Adapting the operating strategy or switching from one operating strategy to another operating strategy depends on the current deviation ⁇ NoOfDegradProcessAct and the current gradAct gradient (which contains information about the previous course) and on the comparison with the design data, for example grad Design.
  • characteristic values CharacteristicValOfDegradProcess [param] can also be used.
  • the adaptation of the operating strategy can also be made dependent on the operating time tOperate.
  • the adaptations can take place specifically at lower thresholds as the operating time progresses, because then there is not so much service life left to compensate
  • NoOfDegradProcesslnterventionl f (tOperate)
  • NoOfDegradProcesslntervention2 f (tOperate). illustrated.
  • the table shows an example that provides two intervention thresholds, where threshold 2 is greater than threshold 1.
  • A stands for gradAct
  • FIG. 3 shows the parameters described above on the basis of the three example curves 141 to 143, which could result over the lifetime.
  • the courses or curves 141, 142, 143 are also referred to as curve NoOfDegradProcess_l, curve NoOfDegradProcess_2 and curve NoOfDegradProcess_3.
  • NoOfDegradProcess_3 does not require any adaptation of the operating strategy for reasons of degradation. For other reasons, however, a change in the operating strategy could still be carried out, which then feeds back to the course considered here.
  • NoOfDegradProcess_2 exceeds the mean design curve in the course and by operating strategy adaptation the number of degradation processes can also be limited here and the specification can be approximated be respected. With an adjusted control limit (as described above), a further improvement could also be achieved here.
  • control and analysis of the data can take place locally using a control device / on-board computer or externally via cloud / server / connectivity.
  • NoOfDegradProcessDesignMax depends on the type and design of the gas storage facility, the gas and the operating conditions. The value can therefore vary over a wide range. In an example considered in the project (air compressor), the values are in the range 50,000 to 420,000.
  • Strategy or strategy 1 Immediate oxygen depletion in the cathode path and, after time tl, a rapid shutdown of the compressor.
  • Strategy or strategy 2 After the stack has been switched off (oxygen depletion), the compressor continues to operate in bypass mode for some time t2 (for example during the traffic light phase). A bypass around the cathode path of the stack is used for this purpose, for example.
  • the operation of the compressor in idle mode is not critical with regard to degradation and the energy requirement for this is small and can still be optimized.
  • Strategy or strategy 3 The fuel cell system continues to operate with a low output Pmin and Popt and, in addition to the on-board power supply, the battery is also charged up to an SOC threshold 1. The compressor is then operated in bypass mode for some time t3.
  • Strategy or strategy 4 The fuel cell system continues to operate with a low output Pmin and Popt and, in addition to the on-board power supply, the battery is also charged up to an SOC threshold 2. The compressor then continues to operate in bypass mode for an extended time t4.
  • the design limits can be adjusted if new findings, for example from testing or field observation, are available and result in a different design lifespan. Also the functions for degradation detection and estimation or the determination of the
  • Characteristic values CharacteristicValOfDegradProcess [param] can be updated accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (22), das mindestens eine Komponente (42) umfasst, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems (22) degradiert, altert und/oder verschleißt, was sich auf die tatsächliche Lebensdauer der Komponente (42) auswirkt. Um den Betrieb des Brennstoffzellensystems (22) zu optimieren, wird eine von mehreren unterschiedlichen Betriebsstrategien (141,142,143) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (22) in Abhängigkeit von einer aktuell erwarteten Lebensdauer der Komponente (42) gezielt ausgewählt, um eine angeforderte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems (22) zu erreichen, wobei die Degradation, Alterung und/oder der Verschleiß der Komponente (42) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (22) erfasst und/oder abgeschätzt werden/wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Komponente umfasst, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems degradiert, altert und/oder verschleißt, was sich auf die tatsächliche Lebensdauer der Komponente auswirkt.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102016201 596 Al ist ein Verfahren zum Überwachen einer Alterung einer elektrischen Schaltungskomponente mit den Schritten bekannt: Bestimmen mindestens eines alterungsspezifischen Parameters, Bestimmen einer zugehörigen parameterspezifischen Reaktionsschwelle, und Auslösen einer Reaktion zumindest in Antwort auf Überschreiten der Reaktionsschwelle durch den bestimmten Parameter sowie Anpassen der Reaktionsschwelle und/oder Reaktion. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 211 189 Al ist ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugdiagnose an einem Fahrzeug bekannt, umfassend: Schätzen eines Betriebsverhaltens des Fahrzeugs auf einer mit dem Fahrzeug zu fahrenden Route, und Planen der Fahrzeugdiagnose basierend auf einer Wahrscheinlichkeit, wobei das geschätzte Betriebsverhalten des Fahrzeugs einem für die Fahrzeugdiagnose geeigneten Betriebsverhalten entspricht. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102016 220957 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine Bedienstrategie für das Bordnetz entwickelt wird, wobei mindestens ein Kriterium berücksichtigt wird, wobei für jedes Kriterium Werte in einer Reihenfolge entsprechend ihrer Priorität hinterlegt sind, wobei zunächst überprüft wird, ob ausgewählte Werte für das mindestens eine Kriterium einzuhalten sind, indem ein Energiebedarf für eine Weiterfahrt gemäß dem ausgewählten Kriterium den vorhandenen Energieressourcen gegenübergestellt wird und für den Fall, dass der Energiebedarf die Energieressourcen übersteigt, der Wert mindestens eines von dem mindestens einen Kriterium entsprechend der zugeordneten Reihenfolge wenigstens einmal degradiert wird und dieser Vorgang solange wiederholt wird, bis der Energiebedarf durch die Ressourcen gedeckt ist.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Komponente umfasst, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems degradiert, altert und/oder verschleißt, was sich auf die tatsächliche Lebensdauer der Komponente auswirkt, zu optimieren.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Komponente umfasst, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems degradiert, altert und/oder verschleißt, was sich auf die tatsächliche Lebensdauer der Komponente auswirkt, dadurch gelöst, dass eine von mehreren unterschiedlichen Betriebsstrategien zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einer aktuell erwarteten Lebensdauer der Komponente gezielt ausgewählt wird, um eine angeforderte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu erreichen, wobei die Degradation, Alterung und/oder der Verschleiß der Komponente im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst und/oder abgeschätzt werden/wird. Bei Fahrzeugen, die antriebsmäßig mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet sind, wird in der Regel als Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser beziehungsweise Wasserdampf zu reagieren und durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Umgebungsluft ist mittels eines Luftfördersystems beziehungsweise Luftverdichtungssystems dem Brennstoffstapel zuzuführen, das heißt, dazu ist entsprechender, insbesondere variabler, Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau notwendig. Die Komprimierung/Kompression der Luft findet häufig über eine thermische Strömungsmaschine statt. Dabei kann optional zur Luftverdichtung, die einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein kann, eine Energierückgewinnung der abströmenden feuchten Luft mittels einer Turbine realisiert werden, zum Beispiel durch einen elektrisch angetriebenen Turbolader. Aus den Anforderungen, insbesondere im Hinblick auf den bereitzustellenden Druck beziehungsweise Massenstrom resultieren bei thermischen Strömungsmaschinen hohe Drehzahlen. Ölfreiheit der geförderten Luft ist eine weitere wesentliche Anforderung beim Einsatz in einem Brennstoffzellensystem. Beide Anforderungen resultieren darin, dass die Lagerung des Rotors vorzugsweise mittels Gaslagern ausgeführt wird, die auch als Luftlager bezeichnet werden. Dabei sind verschiedene Gaslagertypen oder Luftlagertypen einsetzbar. Des Weiteren wird im Anodenpfad eine Umwälzung von Wasserstoff benötigt. Dies wird in vielen Fällen mit Hilfe einer Wasserstoff- Rezirkulationspumpe durchgeführt. Auch hierbei findet eine Verdichtung eines Gases statt. Auch hier kann das beanspruchte Verfahren angewendet werden. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsverfahren handelt es sich bei der mindestens einen Komponente um ein Gaslager oder Luftlager. Gaslager sind zwar hinsichtlich Reibung im Betrieb sehr gut, da sie aufgrund der aerodynamischen Wirkung weniger Reibungsverluste haben als mechanische Lager. Bei einem Gaslager oder Luftlager tritt reine Gasreibung beziehungsweise Luftreibung auf. Allerdings sind Gaslager nur begrenzt start-stopp-fähig. Ein Absenken der Drehzahl unter eine Abhebedrehzahl führt zu einer signifikanten Reibung, wobei es zum Kontakt zwischen einer Rotorwelle und einer Lagerauflage beziehungsweise einem Lagerring kommt, was zu Mischreibung führt. Dieser kritische Betriebsbereich tritt bei jedem Start- beziehungsweise bei jedem Stopp-Vorgang auf, sofern er aus dem Stillstand beziehungsweise bis zum Stillstand des Rotors erfolgt. Durch die erhöhte Reibung bei Start und Stopp kommt es zu erhöhter Alterung/Degradation der Lager und damit zu einer Verminderung der Lebensdauer beziehungsweise zum Ausfall der Lager. Zur Vermeidung zu häufiger Start- Stopps kann der Verdichter beziehungsweise die Welle-Rotor-Einheit mit Leerlaufdrehzahl weiter gedreht werden. Dies führt jedoch energetisch zu signifikanten Verlusten, wenn die Stopp-Phase relativ lange andauert, zum Beispiel bei einem Verkehrstau. Gemäß dem beanspruchten Verfahren werden verschiedene Betriebsstrategien adaptiert, um die für das Design der Gaslager beziehungsweise des Verdichters zugrunde gelegten Anforderungen/Spezifikationen, wie die Anzahl reibungsbehafteter Start- Stopp-Vorgänge und die vorgegebene maximale Betriebsstundenzahl, einzuhalten. Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf Brennstoffzellensysteme, die in mobilen Applikationen verwendet werden. Das Verfahren ist jedoch auch auf stationäre Anlagen übertragbar, gegebenenfalls mit angepassten Parametern, sofern hierbei ein Start- Stopp- Betrieb vorgesehen ist. Die Idee kann prinzipiell auch auf weitere Anwendungen mit Gaslagern übertragen werden. Zudem ist die Idee auch für andere Komponenten einfach übertragbar, die Degradationsmechanismen beziehungsweise Verschleißmechanismen unterliegen und deren Degradation beziehungsweise Verschleiß bei verschiedenen Betriebszuständen beziehungsweise Betriebsstrategien quantifizierbar oder abschätzbar ist. Dabei können die Schädigungen/Degradation/Verschleiß unterschiedliche Mechanismen umfassen, zum Beispiel mechanische, tribologische, chemische, thermische und andere.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein vorausgegangenes Lastprofil der Komponenten erfasst wird, um die erwartete Lebensdauer der Komponente abzuschätzen. Das vorausgegangene Lastprofil der Komponente umfasst zum Beispiel eine aktuelle Betriebsstundenzahl der Komponente.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl des Auftretens mindestens eines Vorgangs erfasst wird, der die Lebensdauer der Komponente beeinflusst. Hier handelt es sich zum Beispiel um die Anzahl von Start- Stopp- Vorgängen im Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer mindestens eines Vorgangs erfasst wird, der die Lebensdauer der Komponente beeinflusst. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um die Dauer eines reibbehafteten Betriebs des Gaslagers mit einer Drehzahl, die kleiner als die Leerlaufdrehzahl beziehungsweise die Abhebedrehzahl ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennzahl und/oder ein Schwellwert im Betrieb der Komponente erfasst werden/wird. Kennwerte für die Degradation können zum Beispiel über ein Modell oder über eine Gleichung berechnet werden. Dabei können weitere Größen, wie Temperaturen, berücksichtigt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient einer Häufigkeit eines Auftretens eines Alterungsprozesses/Degradationsprozesses/Schädigungsprozesses im Betrieb der Komponente erfasst wird. Wenn es möglich ist, den Alterungsprozess/Degradationsprozess/Schädigungsprozess direkt zu beobachten beziehungsweise zu erfassen, kann es gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel auch sinnvoll sein, den Gradienten des Alterungsprozesses/Degradationsprozesses/Schädigungsprozesses im Betrieb der Komponente zu erfassen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Auslegungsgrenzen der Komponente in Abhängigkeit von der tatsächlichen Lebensdauer der Komponente adaptiert werden. Dabei ist es auch möglich, die Grenze des Eingreifens zu verschieben, zum Beispiel um eventuelle Unsicherheiten abzudecken. Es ist auch möglich, mehrere Grenzen/Schwellwerte einzuführen, um eine unterschiedlich starke Änderung der Betriebsstrategie durchzuführen. Die Adaption der Betriebsstrategie kann auch noch abhängig gemacht werden von der Betriebszeit. Die Adaptionen können zum Beispiel können bei fortschreitender Betriebszeit gezielt bei niedrigeren Schwellen erfolgen, weil da nicht mehr so viel Lebensdauer zur Kompensation übrig bleibt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Start- Stopp-Vorgängen der Komponente gezählt wird, um die aktuell erwartete Lebensdauer der Komponente abzuschätzen. Daraus kann dann zum Beispiel ein Mittelwert gebildet werden. Der so gebildete Mittelwert kann mit einem Referenzsystem verglichen werden, das für eine definierte Lebensdauer ausgelegt wurde.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Verdichter ist, der bei Bedarf mit einer relativ geringen Drehzahl betrieben wird, um einen Start- Stopp-Vorgang zu verhindern. Relativ geringe Drehzahl kann im Zusammenhang mit Verdichtern, die mit Gaslagern ausgestattet sind, bedeuten, dass die relativ geringe Drehzahl zehntausend Umdrehungen pro Minute, zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute oder über dreißigtausend Umdrehungen pro Minute beträgt. Dabei ist zu beachten, dass Verdichter, die mit Gaslagern ausgestattet sind, im Betrieb in einem Brennstoffzellensystem Drehzahlen von einhunderttausend Umdrehungen pro Minute oder mehr erreichen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein vorab beschriebenes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren.
Kern der Erfindung ist, die für das Design zugrunde gelegten Anforderungen und Spezifikationen hinsichtlich dem Auftreten von Degradations- Prozessen beziehungsweise Verschleiß-Prozessen und das vorausgegangene Lastprofil zu verwenden, um die variable Betriebsstrategie so zu wählen, dass die Komponente innerhalb der Lebenszeit-Anforderungen komplett oder zumindest näherungsweise innerhalb der spezifizierten Grenzen bleibt. Dazu werden hinsichtlich den auftretenden Schädigungsprozessen, zum Beispiel Anzahl, Dauer, Kennzahl und andere, auch Schwellwerte und eine Gradientenüberwachung benutzt.
Beim Beispiel Gaslager des Verdichters handelt es sich um mechanischen Verschleiß durch Reibeffekte. Bei den für das Design zugrunde gelegten Anforderungen handelt es sich zum Beispiel um eine maximale Anzahl Start- Stopps, wobei verstärkt Reibung auftritt, weil die Drehzahl kleiner als die Abhebedrehzahl des Gaslagers ist. Darüber hinaus umfassen die für das Design zugrunde gelegten Anforderungen zum Beispiel eine maximale Anzahl von Betriebsstunden. Das vorausgegangene Lastprofil umfasst zum Beispiel die Anzahl von vorausgegangenen Reibstarts und/oder die aktuelle Betriebsstundenzahl. Das beanspruchte Verfahren und gegebenenfalls das beanspruchte System liefert unter anderem folgende Vorteile: Einhalten von Lebensdauer- Anforderungen hinsichtlich Degradation. Dadurch kann der Einsatz einer verschleißanfälligen Technologie ermöglicht werden, wie zum Beispiel Gaslager, die nur eine begrenzte Degradation ertragen können. Darüber hinaus können Komponenten mit einem optimierten Vorhalt beziehungsweise einer optimierten Reserve ausgelegt werden und sind damit kostengünstiger. Zudem wird die Kompensation von unterschiedlichen Fahrprofilen ermöglicht, und zwar durch eine variable Anpassung der Betriebsstrategie in Abhängigkeit von zurückliegenden Lastprofilen. Darüber hinaus wird eine flexible Adaption der Design-Grenzen ermöglicht, wenn neuer Erkenntnisse, zum Beispiel aus Erprobung oder Felddaten, eine andere Design-Lebensdauer zur Folge haben. Dadurch wird auch eine flexible Anpassung der Betriebsstrategie ermöglicht. Die flexible Adaption der Design-Grenzen erfolgt vorteilhaft Connectivity/Cloud/Server-basiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine beispielhafte Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem;
Figur 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem eine Reibung beziehungsweise ein Reibkoeffizient über einer Drehzahl aufgetragen ist; und
Figur 3 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem eine Anzahl von Degradationsvorgängen über einer Lebensdauer in Form von drei beispielhaften Verläufen aufgetragen ist. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Darstellung der Figur 1 ist nur eine mögliche Topologie eines Brennstoffzellensystems 22 mit mindestens einem alternativen Energiespeicher 26 als Beispiel zur Erläuterung des Verfahrens dargestellt. Es wird hier explizit darauf hingewiesen, dass neben der in Figur 1 dargestellten Fahrzeugtopologie viele andere Ausführungsmöglichkeiten eines Brennstoffzellensystems 22 mit mindestens einem alternativen Energiespeicher 26 verwirklicht werden können.
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das mit einem Brennstoffzellensystem 22 und mindestens einem alternativen Energiespeicher 26 ausgestattet ist. Das Brennstoffzellensystem 22 und der alternative Energiespeicher 26 können jeweils die volle Energie oder einen Teil der Energie für einen Antriebsstrang 12 des Fahrzeugs 10 bereitstellen. Der alternative Energiespeicher 26 kann darüber hinaus typischerweise auch Energie zurück rekuperieren. Zusätzlich zu dem Antriebsstrang 12 einer Achse 18 können noch weitere Antriebsstränge 12 für weitere Achsen des Fahrzeugs 10 verbaut sein, was nicht dargestellt ist.
Das Brennstoffzellensystem 22 ist mit einem Steuergerät 80 verbunden, wobei dieses mit bekannten Überwachungs- und Diagnosefunktionen ausgestattet und insbesondere auch dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem 22 zum Antriebsstrang 12 des Fahrzeugs 10 zu- oder wegzuschalten, wobei das Steuergerät 80 auch die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems 22 auslösen und durchführen kann.
Der mindestens eine alternative Energiespeicher 26, zum Beispiel eine Traktionsbatterie oder ein Superkondensator, ist mit einem weiteren Steuergerät verbunden, wobei dieses mit bekannten Überwachungs- und Diagnosefunktionen belegt und außerdem dazu eingerichtet ist, den alternativen Energiespeicher 26 zum Antriebsstrang 12 des Fahrzeugs 10 zu- oder wegzuschalten. Das weitere Steuergerät kann auch als Batteriemanagementsystem ausgestattet und bezeichnet werden. Es ist prinzipiell auch denkbar, das weitere Steuergerät einzusparen und auch die Steuerung, die Überwachung sowie die Diagnosefunktion für den mindestens einen alternativen Energiespeicher 26 im Steuergerät 80 unterzubringen. Figur 1 ist zu entnehmen, dass der Antriebsstrang 12 des Fahrzeugs 10 ein Getriebe 14 mit mindestens einer Elektromaschine 16 umfasst. Die Elektromaschine 16 stellt den Antrieb für die angetriebene Achse 18 dar. Der mindestens einen Elektromaschine 16 ist ein Inverter 20 zugeordnet; durch Position 62 soll eine Bidirektionalität angedeutet werden, das heißt, die mindestens eine Elektromaschine 16 arbeitet sowohl im Generator- als auch im Motormodus. Die Komponenten des Antriebssystems 12 des Fahrzeugs 10 sind in Figur 1 durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet.
Das Fahrzeug 10 umfasst darüber hinaus das Brennstoffzellensystem 22. Dieses umfasst mindestens einen Energiespeicher 24, der als F -Tank ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 22 umfasst darüber hinaus ein Subsystem 30 Luftförderung. In diesem befindet sich ein Luftfilter 38 und ein diesem nachgeschalteter Massenstromsensor 40. Das Subsystem 30 Luftförderung umfasst darüber hinaus einen Verdichter 42, der durch einen als Elektroantrieb ausgebildeten Verdichterantrieb 44 angetrieben ist. Darüber hinaus ist im Subsystem 30 Luftförderung ein Zwischenkühle 46 angeordnet, mit welchem nach dem Verdichter 42 die erwärmte Luft wieder abgekühlt wird, bevor sie nach Passage des Zwischenkühlers 46 des Brennstoffzellensystems 22 einem Brennstoffzellenstapel 50 zuströmt. Der Brennstoffzellenstapel 50 ist seinerseits durch einen Kühlkreislauf 52 temperiert, dessen Komponenten in der Darstellung gemäß Figur 1 nur schematisch angedeutet sind. Ausgangsseitig umfasst der Brennstoffzellenstapel 50 einen Pluspol 54 sowie einen Minuspol 56.
Der Inverter 20 des Antriebsstrangs 12 ist elektrisch mit einem Brennstoffzellenkonverter 64 verbunden.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht des Weiteren hervor, dass das Fahrzeug 10 mindestens einen alternativen Energiespeicher 26 umfasst. Der alternative Energiespeicher 26 kann als mindestens eine Hochvoltbatterie oder als eine Anordnung von Superkondensatoren ausgeführt sein. Wie aus der Darstellung gemäß Figur 1 hervorgeht, ist der alternative Energiespeicher 26 über einen High- Voltage- Konverter 60 sowohl mit dem Antriebsstrang 12 als auch mit dem Subsystem 30 Luftförderung elektrisch verbunden. Der High- Voltage- Konverter 60 ist bidirektional betreibbar, angedeutet durch Bezugszeichen 62.
Darüber hinaus umfasst das Fahrzeug 10 eine konventionelle 12-Volt- Fahrzeugbatterie 28, die über einen Low- Voltage- Konverter 58 mit dem Antriebsstrang 12 des Fahrzeugs 10 verbunden ist.
Hervorzuheben ist, dass das Brennstoffzellensystem 22 in der dargestellten Ausführungsvariante über eine Bypass- Klappe 32 verfügt, über welche die vom Subsystem 30 Luftförderung gelieferte Luft am Brennstoffzellenstapel 50 vorbeigeführt werden kann. Darüber hinaus befindet sich im Brennstoffzellensystem 22 abströmseitig eine Drucksteuerklappe 34. Eingangsseitig ist der Brennstoffzellenstapel 50 mit einem Absperrventil 36 verbunden. Da das in Figur 1 in der dort dargestellten Topologie ausgebildete Brennstoffzellensystem 22 über eine Bypass- Klappe 32 verfügt, steht eine weitere Möglichkeit zur Steuerung und Regelung desselben zur Verfügung. Dies stellt jedoch nur eine Ausführungsmöglichkeit dar; das vorgeschlagene Verfahren ist auch bei einem Brennstoffzellensystem 22, welches ohne Bypass-Klappe 32 ausgeführt ist, anwendbar.
Im Folgenden werden Definitionen und Parameter zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens angegeben. Dabei handelt es sich um die Spezifikation von Grenzen beziehungsweise Auslegungsgrößen für das Design einer betrachteten Komponente. Bei der Komponente handelt es sich insbesondere um einen Verdichter, der mindestens ein Gaslager umfasst. Mit den angegebenen Parametern ist die Komponente erprobt, validiert und freigegeben.
Die maximale Lebensdauer der Komponente wird mit toperateDesignMax bezeichnet. Die Zeit kann sich dabei je nach Spezifikation auf verschiedene Referenzen beziehen, zum Beispiel eine Fahrzeug-Betriebszeit, eine Brennstoffzellen-Betriebszeit et cetera.
Eine maximale Anzahl von Degradationsprozessen wird mit NoOfDegradProcessDesignMax bezeichnet. Bei einem Verdichter mit Gaslager können hierfür die Anzahl der schädigenden Start- und Stopp-Vorgänge, insbesondere mit Mischreibung, verwendet werden. Wenn die Drehzahl des Gaslagers kleiner als eine Abhebedrehzahl ist, dann tritt die an sich unerwünschte Mischreibung auf.
Alternative Größen, wie eine zurückgelegte Streckenlänge in dem reibungsbehafteten Betrieb, sowie die Anzahl reibbehafteter Umdrehungen und ähnliches könnten ebenfalls verwendet werden.
Auch Kennwerte für die Degradation, zum Beispiel über ein Modell oder über Gleichungen berechnet, die weitere Größen berücksichtigen, zum Beispiel die Temperatur, können als Bewertungsgrößen verwendet werden. Das wird dann zum Beispiel als CharacteristicValOfDegradProcessDesignMax anstatt NoOfDegradProcessDesignMax bezeichnet. Vereinfacht und im Folgenden die anschauliche Größe "Anzahl" verwendet.
Um zu beurteilen, ob beim aktuellen Vorgang mit einer Degradation zu rechnen ist, können zusätzliche Diagnosefunktionen zum Einsatz kommen.
Nun wird das kumulierte Lastprofil in der jeweiligen konkreten Applikation betrachtet. Das Lastprofil wird über Lebenszeit in einem lokalen Steuergerät, zum Beispiel in einem fahrzeuginternen Steuergerät, oder Server/Cloud-basiert mit aufgezeichnet und gegebenenfalls ausgewertet beziehungsweise komprimiert. Eine aktuelle Lebensdauer wird mit toperateAct bezeichnet. Eine Anzahl von Degradationsprozessen wird mit NoOfDegradProcessAct bezeichnet. Auch hier können alternative Größen verwendet werden. Das Lastprofil wird üblicherweise auch auf eine äquivalente Belastung umgerechnet, damit ein vergleichbarer Kennwert verfügbar ist. Es können hierfür verschiedene und mehrere Kennwerte verwendet werden, die als CharacteristicValOfDegradProcessAct bezeichnet werden.
In Figur 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 101 und einer y-Achse 102 dargestellt. Auf der x-Achse 101 ist eine Drehzahl n des Verdichters mit dem Gaslager in Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Auf der y-Achse 102 ist eine Reibung beziehungsweise ein Reibungskoeffizient im Betrieb des Verdichters mit dem Gaslager in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Eine Kurve 103 zeigt den Verlauf der Reibung über der Drehzahl im Betrieb des Verdichters. Durch einen Pfeil 104 ist ein Übergangsbereich angedeutet. Links von dem Übergangsbereich 104 ist durch ein Rechteck ein Mischreibungsbereich 105 angedeutet. Rechts vom Übergangsbereich 104 ist ein Bereich 106 der reinen Fluidreibung. Durch einen gestrichelten Pfeil 107 ist eine Leerlaufdrehzahl beispielhaft angegeben. Der kritische Bereich für Degradation/Verschleiß ist der Bereich der Mischreibung 105.
In Figur 3 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 131 und einer y-Achse 132 dargestellt. Auf der x-Achse 131 ist die aktuelle Lebensdauer tOperateAct aufgetragen. 138 bezeichnet die maximale Lebensdauer tOperateDesignMax. Auf der y-Achse ist die Anzahl von Degradationsvorgängen beziehungsweise Degradationsprozessen aufgetragen. 134 bezeichnet eine aktuelle Anzahl von Degradationsprozessen NoOfDegradProcessAct. 135 bezeichnet ein zugehöriges Delta ÄNoOfDegradProcessAct. 136 bezeichnet einen zugehörigen Gradienten. 137 bezeichnet die maximale Anzahl von Degradationsprozessen NoOfDegradProcessDesignMax.
Eine strichpunktierte Diagonale 133, die vom Koordinatenursprung ausgeht, bezeichnet eine beispielhafte Kurve EqualDistributionDegradProcessDesign, die sich ergibt, wenn die Belastung gleichmäßig auf die definierte Lebensdauer und die definierte Degradation aufgeteilt wird. Darüber hinaus sind in dem kartesischen Koordinatendiagramm der Figur 3 drei Verläufe 141, 142, 143 aufgetragen.
Zur Steuerung der Adaption/Umschaltung der Betriebsstrategie werden die im Folgenden beschriebenen Größen verwendet. Wird die Belastung gleichmäßig auf die definierte Lebensdauer und die definierte Degradation aufgeteilt, erhält man die Kurve EqualDistributionDegradProcessDesign beziehungsweise
NoOfDegradProcessDesignAct = f(tOperateAct) beziehungsweise
NoOfDegradProcessDesignAct =
NoOfDegradProcessDesignMax/toperateDesignMax*tOperateAct beziehungsweise
NoOfDegradProcessDesignAct = gradDesign*tOperateAct wobei gradDesign den mittleren Gradienten der Belastung darstellt, die der Spezifikation beziehungsweise der Auslegung des Designs entspricht. gradDesign = NoOfDegradProcessDesignMax/ toperateDesignMax
Wie oben bereits erwähnt, können stattdessen auch Kennwerte verwendet werden
CharacteristicValOfDegradProcess[param]
Die aktuelle Abweichung zwischen der konkreten Applikation im Vergleich zur Spezifikation ergibt sich zu
ÄNoOfDegradProcessAct = NoOfDegradProcessAct - NoOf Degrad Process Des ign Act alternativ auch D CharacteristicValOf Degrad Process[param]
Der aktuelle Gradient (gemittelt über einen zurückliegenden Zeitraum bis aktuell) ist gradAct und kann zum Beispiel wie folgt berechnet werden gradAct = (NoOfDegradProcessAct - NoOf Degrad ProcessOld) / (tOperateAct- tOperateOld) oder auch durch andere Berechnungsmöglichkeit ermittelt werden.
Der Gradient zeigt, wie der Verlauf von schädlichen Prozessen in einem zurückliegenden bis aktuellen Zeitraum ansteigt.
Der aktuelle Gradient gradAct kann mit dem mittleren Design-Gradienten gradDesign verglichen und auch für die Steuerung verwendet werden.
Wenn nun ÄNoOfDegradProcessAct > 0, das heißt, die bisherige Belastung bis zum aktuellen Zeitpunkt ist größer als die für das Design angenommene Belastung, dann kann beziehungsweise wird die Betriebsstrategie adaptiert. Möglich ist auch die Grenze des Eingreifens zu verschieben, zum Beispiel um eventuelle Unsicherheit abzudecken, das heißt allgemeiner formuliert.
Wenn
ÄNoOfDegradProcessAct > NoOfDegradProcesslntervention dann Adaption der Betriebsstrategie.
Es ist auch möglich, mehrere Grenzen/Schwellwerte einzuführen, um eine unterschiedlich starke Änderung der Betriebsstrategie durchzuführen.
Ein Adaptieren der Betriebsstrategie beziehungsweise ein Umschalten von einer Betriebsstrategie auf eine andere Betriebsstrategie hängt ab von der aktuellen Abweichung ÄNoOfDegradProcessAct und vom aktuellen Gradienten gradAct (der Informationen über den zurückliegenden Verlauf enthält) und vom Vergleich zu den Auslegungsdaten/Designdaten, zum Beispiel grad Design. Hierbei können auch Kennwerte CharacteristicValOfDegradProcess[param] verwendet werden.
Die Adaption der Betriebsstrategie kann auch noch abhängig gemacht werden von der Betriebszeit tOperate. Die Adaptionen können bei fortschreitender Betriebszeit gezielt bei niedrigeren Schwellen erfolgen, weil dann nicht mehr so viel Lebensdauer zu Kompensation übrig bleibt
Das ist in der folgenden Tabelle beispielhaft durch NoOfDegradProcesslnterventionl = f(tOperate) NoOfDegradProcesslntervention2 = f(tOperate). veranschaulicht.
In der Tabelle ist ein Beispiel veranschaulicht, das zwei Intervention-Schwellen vorsieht, wobei die Schwelle 2 größer als die Schwelle 1 ist.
Figure imgf000016_0001
A steht für gradAct
B steht für grad Design
C steht für ANoOfDegradProcessAct D steht für NoOfDegradProcesslnterventionl
E steht für NoOfDegradProcesslntervention2
OS steht für Operation Strategy
Betriebsstrategie bedeutet, auf den Verdichter bezogen, hier eine
Betriebsstrategie hinsichtlich
Start-Stopp- und Fahrzeug an/aus weil diese Prozesse hier relevant sind für die Degradation.
Figur 3 zeigt die oben beschriebenen Parameter anhand der drei Beispielverläufe 141 bis 143, die sich über die Lebenszeit ergeben könnten. Die Verläufe oder Kurven 141, 142, 143 werden auch als Kurve NoOfDegradProcess_l, Kurve NoOfDegradProcess_2 und Kurve NoOfDegradProcess_3 bezeichnet.
Dabei wird in Kurve NoOfDegradProcess_ 2 aufgrund Überschreitung einer Schwelle durch die Variable ÄNoOfDegradProcessAct und eines hohen Gradienten gradAct eine Adaption beziehungsweise Umschaltung der Betriebsstrategie vorgenommen, damit die Anzahl der Degradationsvorgänge limitiert wird und die Spezifikation noch eingehalten werden kann.
NoOfDegradProcess_3 benötigt keine Anpassung der Betriebsstrategie aus Degradationsgründen. Aus anderen Gründen könnte jedoch trotzdem eine Änderung der Betriebsstrategie durchgeführt werden, die dann rückkoppelt auf den hier betrachteten Verlauf.
NoOfDegradProcess_2 überschreitet im Verlauf die mittlere Design-Kurve und durch Betriebsstrategie-Adaption kann auch hier die Anzahl der Degradationsvorgänge begrenzt werden und die Spezifikation näherungsweise eingehalten werden. Mit angepasster Eingriffsgrenze (wie oben beschrieben) könnte hier auch noch eine weitere Verbesserung erzielt werden.
Die Steuerung und die Analyse der Daten, besonders des Lastprofils, kann lokal mittels eines Steuergerätes/Bordcomputer oder extern über Cloud/Server/Connectivity erfolgen.
Wird dies für das Gaslager von Gasverdichtern übertragen, so kann dies beispielsweise wie folgt umgesetzt/definiert werden. NoOfDegradProcessDesignMax ist abhängig von Art und Auslegung des Gaslagers, des Gases und der Betriebsbedingungen. Der Wert kann deshalb in einem großen Bereich variieren. Bei einem im Projekt betrachteten Beispiel (Luftverdichter) liegen die Werte im Bereich 50000 bis 420000.
Die jeweils möglichen detaillierten Start- Stopp-Strategien hängen von der jeweiligen Systemtopologie und von den verwendeten Komponenten/Technologien ab. Das in der Tabelle veranschaulichte Beispiel kann wie folgt detailliert werden.
Strategie oder Strategy 1: Sofortige Sauerstoff-Verarmung im Kathodenpfad und nach Zeit tl eine schnelle Abschaltung Verdichter.
Strategie oder Strategy 2: Der Verdichter wird nach Abschaltung des Stacks (Sauerstoff-Verarmung) im Bypass- Betrieb einige Zeit t2 weiterbetrieben (zum Beispiel bei Ampelphase). Dazu wird zum Beispiel ein Bypass um den Kathodenpfad des Stacks genutzt. Der Betrieb des Verdichters im Leerlauf ist unkritisch hinsichtlich Degradation und der Energiebedarf dazu ist klein und kann noch optimiert werden.
Strategie oder Strategy 3: Das Brennstoffzellensystem wird mit einer kleinen Leistung Pmin und Popt weiterbetrieben und dabei wird außer der Bordnetzversorgung auch die Batterie bis zu einer SOC-Schwelle 1 geladen. Danach wird der Verdichter im Bypass- Betrieb einige Zeit t3 weiterbetrieben. Strategie oder Strategy 4: Das Brennstoffzellensystem wird mit einer kleinen Leistung Pmin und Popt weiterbetrieben und dabei wird außer der Bordnetzversorgung auch die Batterie bis zu eine SOC-Schwelle 2 geladen. Danach wird der Verdichter im Bypass- Betrieb eine verlängerte Zeit t4 weiterbetrieben. Beim Abstellen des Fahrzeugs, insbesondere bei kurzen
Abstellzeiten, zum Beispiel, wenn die Diagnosefunktion einen Art "Lieferverkehr- Modus" erkennt), wird der Nachlauf verlängert, das heißt, der Verdichter wird einige Minuten weiterbetrieben und erst, wenn der Fahrer nicht mehr weiterfährt, dann abgeschaltet
Zusätzlich können im Fall von vernetzten Fahrzeugen (Cloud/Server-Anbindung, Connectivity vorhanden) die Design-Grenzen angepasst werden, sofern neue Erkenntnisse, zum Beispiel aus Erprobung oder Feldbeobachtung, vorliegen und eine andere Design-Lebensdauer zur Folge haben. Auch die Funktionen zur Degradationserkennung und -abschätzung beziehungsweise die Ermittlung der
Kennwerte CharacteristicValOfDegradProcess[param] können entsprechend aktualisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (22), das mindestens eine Komponente (42) umfasst, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems (22) degradiert, altert und/oder verschleißt, was sich auf die tatsächliche Lebensdauer der Komponente (42) auswirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine von mehreren unterschiedlichen Betriebsstrategien (141,142,143) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (22) in Abhängigkeit von einer aktuell erwarteten Lebensdauer der Komponente (42) gezielt ausgewählt wird, um eine angeforderte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems (22) zu erreichen, wobei die Degradation, Alterung und/oder der Verschleiß der Komponente (42) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (22) erfasst und/oder abgeschätzt werden/wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorausgegangenes Lastprofil der Komponente (42) erfasst wird, um die aktuell erwartete Lebensdauer der Komponente (42) abzuschätzen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl des Auftretens mindestens eines Vorgangs erfasst wird, der die Lebensdauer der Komponente (42) beeinflusst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer mindestens eines Vorgangs erfasst wird, der die Lebensdauer der Komponente (42) beeinflusst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennzahl und/oder ein Schwellwert im Betrieb der Komponente (42) erfasst werden/wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient einer Häufigkeit eines Auftretens eines Alterungsprozesses/Degradationsprozesses/Schädigungsprozesses im Betrieb der Komponente (42) erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auslegungsgrenzen der Komponente (42) in Abhängigkeit von der tatsächlichen Lebensdauer der Komponente (42) und/oder Eingriffsgrenzen für die Umschaltung zwischen den Betriebsstrategien in Abhängigkeit von der Betriebszeit oder anderen
Parametern adaptiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Start- Stopp-Vorgängen der Komponente (42) gezählt wird, um die aktuell erwartete Lebensdauer der Komponente (42) abzuschätzen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (42) ein Verdichter ist, der bei Bedarf mit einer relativ geringen Drehzahl betrieben wird, um einen Start- Stopp- Vorgang zu verhindern.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit ausgeführt wird.
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