WO2023015329A1 - Kontrollverfahren für eine kontrolle einer abgabeleistung einer batterievorrichtung und einer betriebsleistung eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Kontrollverfahren für eine kontrolle einer abgabeleistung einer batterievorrichtung und einer betriebsleistung eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Abgabeleistung (AL) einer Batterievorrichtung (110) und einer Betriebsleistung (BL) eines Brennstoffzellensystems (120) für eine elektrische Antriebsvorrichtung (130) eines Hybrid-Antriebssystems (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Erfassen und Speichern der Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120) über einen Erfassungszeitraum (EZ), - Erfassen und Speichern der Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110) über einen Erfassungszeitraum (EZ), - Bestimmen einer Batterie-Schädigungsprognose (BASP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110), - Bestimmen einer Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120), - Vorgeben einer Soll-Abgabeleistung (SAL) für die Batterievorrichtung (110) auf Basis der bestimmen Batterie-Schädigungsprognose (BASP), - Vorgeben einer Soll-Betriebsleistung (SBL) für das Brennstoffzellensystem (120) auf Basis der bestimmten Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP).

Description

Kontrol I verfahren für eine Kontrolle einer Abgabeleistung einer Batterievorrichtung und einer Betriebsleistung eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für die Kontrolle einer Abgabeleistung einer Batterievorrichtung und einer Betriebsleistung eines Brennstoffzellensystems, eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Hybrid-Antriebssystem mit einer solchen Kontrollvorrichtung.
Es ist bekannt, dass Hybrid-Antriebssysteme eingesetzt werden sollen, um moderne Fahrzeuge mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung anzutreiben. Hierfür ist es notwendig, die elektrische Antriebsvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen. Dies erfolgt bei solchen Hybrid-Antriebssystemen aus einer Batterievorrichtung und einem Brennstoffzellensystem. Dabei kann je nach Leistungsanforderung in der jeweiligen Betriebssituation des Hybrid-Antriebssystems eine unterschiedliche Zusammensetzung der Abgabeleistung und der Betriebsleistung die aktuelle Leistungsanforderung erfüllen.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass beim Zusammensetzen der Abgabeleistung und der Betriebsleistung zum Erfüllen der Leistungsanforderung nur die aktuelle Situation betrachtet wird. Maximal ist es bekannt, dass einzelne Schädigungsmechanismen der Batterievorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden, um entsprechende Schädigungen der einzelnen Komponente zu vermeiden oder zu reduzieren. Dies kann jedoch dazu führen, dass zwar die Schädigung für eine der beiden Komponenten reduziert wird, jedoch die andere Komponente mit normaler oder erhöhter Schädigung nicht die gewünschte Lebensdauer für das Hybrid-Antriebssystem erreicht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine möglichst lange Betriebsdauer für ein Hybrid-Antriebssystem zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie ein Hybrid-Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu- sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß dient ein Kontrollverfahren der Kontrolle einer Abgabeleistung einer Batterievorrichtung und einer Betriebsleistung eines Brennstoffzellensystems für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines Hybrid-Antriebssystems. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- Erfassen und Speichern der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems über einen Erfassungszeitraum,
- Erfassen und Speichern der Abgabeleistung der Batterievorrichtung über einen Erfassungszeitraum,
- Bestimmen einer Batterie-Schädigungsprognose wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistung der Batterievorrichtung,
- Bestimmen einer Brennstoffzellen-Schädigungsprognose wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems,
- Vorgeben einer Soll-Abgabeleistung für die Batterievorrichtung auf Basis der bestimmten Batterie-Schädigungsprognose,
- Vorgeben einer Soll-Betriebsleistung für das Brennstoffzellensystem auf Basis der bestimmten Brennstoffzellen-Schädigungsprognose.
Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren geht davon aus, dass über einen längeren Erfassungszeitraum im Betrieb des Hybrid-Antriebssystems die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems und die Abgabeleistung der Batterievorrichtung nicht nur erfasst, sondern auch gespeichert wird. Beispielsweise können die elektrische Abgabeleistung und die elektrische Betriebsleistung über einen Zeitraum von mehreren Stunden, mehreren Tagen oder auch mehreren Wochen überwacht, erfasst und gespeichert werden. Dies erlaubt es insbesondere, den später noch erläuterten Schädigungsstatus für das Brennstoffzellensystem und die Batterievorrichtung zu bestim- men und zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Bestandteil ist es, dass auf Basis der Vergangenheitsbetrachtung und der gespeicherten Werte für die Betriebsleistung und die Abgabeleistung nun eine Zukunftsprognose für die Batterievorrichtung und das Brennstoffzellensystem bestimmt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, ein Schädigungsmodell für die Batterievorrichtung sowie ein weiteres Schädigungsmodell für das Brennstoffzellensystem einzusetzen, welches mit den erfassten und gespeicherten Werten für die Betriebsleistung und/oder die Abgabeleistung bestückt wird. Mit einem solchen Schädigungsmodell kann eine Prognose getroffen werden, wie sich die Schädigung für die Batterievorrichtung und das Brennstoffzellensystem in Zukunft weiterentwickeln wird. Eine solche Schädigungsprognose kann beispielsweise eine Korrelation zu einer gewünschten Mindestlebensdauer des Hybrid- Antriebssystems beinhalten. Jedoch sind auch andere Schädigungsprognosen, beispielsweise eine Reduktion der maximal möglichen Abgabeleistung und/oder Betriebsleistung, eine maximale Speicherkapazität der Batterievorrichtung oder Ähnliches einzeln oder in Kombination denkbar.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, dass eine Zukunftsbetrachtung durchgeführt wird, indem, beispielsweise unter Ausnutzung eines oder mehrerer Schädigungsmodelle, für die Batterievorrichtung eine Batterie- Schädigungsprognose und für das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellen- Schädigungsprognose bestimmt wird. Für das nachfolgende Kontrollverfahren beziehungsweise die Vorgabeschritte erfolgt nun nicht nur eine Berücksichtigung der aktuellen Betriebssituation zur Erfüllung einer aktuellen Leistungsanforderung, sondern vielmehr eine Berücksichtigung einer zukünftig zu erwartenden Schädigungssituation.
Um die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird kurz eine bekannte Lösung mit dem erfindungsgemäßen Kerngedanken verglichen. Wird beispielsweise in einem bekannten Hybrid-Antriebssystem die Leistungsanforderung erhöht, so muss diese nun angefragte erhöhte Leistung entweder durch eine Erhöhung der Betriebsleistung, durch eine Erhöhung der Abgabeleistung oder aber eine Kombination aus beiden Erhöhungen erfüllt werden. Welche der Leistungen erhöht wird, hängt bei den bekannten Lösungen davon ab, wo die aktuelle Betriebsleistung oder Abgabeleistung liegt, welche Grenzwerte für maximale oder minimale Abgabeleistung oder Betriebsleistung vorgegeben sind oder aber, welche Effizienzgedanken beim Betrieb des Brennstoffzellensystems und der Batterievorrichtung berücksichtigt werden sollen. Dies kann jedoch dazu führen, dass eine erhöhte Schädigungswirkung die Batterievorrichtung überproportional schädigt, sodass nicht die gewünschte Mindestlebensdauer einer bestimmten Betriebsstundenzahl oder Ähnliches erreicht werden kann.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke wird nun zusätzlich zum Erfassen der aktuellen Leistungsanforderung ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren durchführen. Hierfür wird das Kontrollverfahren die erfassten und gespeicherten Betriebsleistungen und Abgabeleistungen der Vergangenheit berücksichtigen, um eine Batterie- Schädigungsprognose und eine Brennstoffzellen-Schädigungsprognose zu bestimmen. Damit kann der Kontrolle und insbesondere der Vorgabe der Soll- Abgabeleistung und der Soll-Betriebsleistung nun das Ergebnis dieser Schädigungsprognosen zugrunde gelegt werden.
Insbesondere werden diese Schädigungsprognosen in normierter oder absoluter Weise mit einem Vorgabewert verglichen, um mit maximierter Wahrscheinlichkeit eine Mindestlebensdauer für das komplette Hybrid-Antriebssystem zu gewährleisten. Während also bei bekannten Lösungen nun die erhöhte Leistungsanforderung, beispielsweise auf Basis von Effizienzgesichtspunkten, durch ein reines Erhöhen der Abgabeleistung der Batterievorrichtung erfüllt worden wäre, wird bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung berücksichtigt, wie die aktuell bestimmte Batterie- Schädigungsprognose hierauf einwirkt. Ist die aktuell bestimmte Batterie- Schädigungsprognose dahingehend ausgefallen, dass die Batterievorrichtung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit die gewünschte Mindestlebensdauer nicht erreicht, so wird trotz der erhöhten Effizienz bei einem Erfüllen der erhöhten Leistungsanforderung aus der Batterievorrichtung die Abgabeleistung der Batterievorrichtung nicht erhöht, sondern vielmehr eine Effizienzreduktion in Kauf genommen, sodass durch eine erhöhte Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems die Leistungsanforderung erfüllt wird und gleichzeitig die bestimmte Batterie-Schädigungsprognose berücksichtigt wird, um die Wahrscheinlichkeit eines Erreichens der Mindestlebensdauer auch für die Batterievorrichtung zu erhöhen. Je häufiger ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren für das Erfüllen von Leistungsanforderungen bei einem Hybrid- Antriebssystem eingesetzt wird, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass alle Teilkomponenten des Hybrid-Antriebssystems auch in gewünschter Weise die Mindestlebensdauer erreichen. Die Erfassungszeiträume für die Erfassung und Speicherung der Betriebsleistung und der Abgabeleistung sind dabei vorzugsweise gleich lang und vorzugsweise kontinuierlich oder im Wesentlichen kontinuierlich, also unterbrechungsfrei, über die jeweiligen Betriebszeiten ausgebildet. Es wird also eine Speicherung über den Zeitverlauf durchgeführt. Neben der Abgabeleistung und der Betriebsleistung sind auch weitere Betriebsparameter und/oder Schädigungsparameter für das Brennstoffzellensystem und/oder die Batterievorrichtung erfassbar und ebenfalls speicherbar.
Mithilfe eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens wird es nun also möglich, für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftfahrzeug, eine gewünschte Ziellebensdauer mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erreichen. Wird beispielsweise eine gewünschte Ziellebensdauer von 1 ,5 Millionen Betriebskilometern für ein Lastkraftfahrzeug vorgegeben, so kann das erfindungsgemäße Kontrollverfahren zumindest hinsichtlich der Einzelkomponenten des Hybrid-Antriebssystems die Zukunftsprognose für die Schädigungssituation des Brennstoffzellensystems und der Batterievorrichtung berücksichtigen, sodass die Wahrscheinlichkeit steigt, diese Ziellebensdauer auch tatsächlich zu erreichen oder sogar zu überschreiten.
Für das Ausbilden und Bestimmen der jeweiligen Schädigungsprognose ist bereits erwähnt worden, dass Schädigungsmodelle eingesetzt werden können. Solche Schädigungsmodelle sind beispielsweise auf Prüfständen für die Batterievorrichtung, das Brennstoffzellensystem und/oder das Hybrid-Antriebssystem ermittelbar. Selbstverständlich können neben algorithmischen Zusammenhängen, Kennfeldern oder Ähnlichem auch neuronale Netzwerke oder anders ausgebildete künstliche Intelligenzen eingesetzt werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Vorgabe der Soll-Abgabeleistung und die Vorgabe der Soll- Betriebsleistung die Balance der Brennstoffzellen-Schädigungsprognose und der Batterie-Schädigungsprognose berücksichtigt wird. Auch hier ist insbesondere eine Normierung, wie sie später noch erläutert wird, für die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose und die Batterie-Schädigungsprognose vorteilhaft. So kann eine Balance, also ein Ausgleich, berücksichtigt werden, welcher dazu führt, dass die Schädigungsmechanismen während des Betriebs des Hybrid-Antriebssystems das Brennstoffzellensystem und die Batterievorrichtung in quantitativer Weise gleichmäßig schädigen. Insbesondere kann auf diese Weise ein Ausgleich stattfinden, um er- höhte Schädigung einer Komponente auszugleichen, indem diese über einen gewissen Zeitraum geschont und durch erhöhte Schädigung der anderen Komponente ausgeglichen wird. In Summe wird also ein Gleichgewicht der Schädigung beziehungsweise eine Balance der tatsächlich eintretenden Schädigung für die Zukunft durch Ausbalancieren der Schädigungsprognosen für das Brennstoffzellensystem und die Batterievorrichtung möglich.
Von Vorteil kann es weiter sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren ein Batterie-Schädigungsstatus zur aktuellen Schädigungssituation der Batterievorrichtung und ein Brennstoffzellen-Schädigungsstatus zur aktuellen Schädigungssituation des Brennstoffzellensystems bestimmt und für die Vorgabe der Soll- Abgabeleistung und/oder der Soll-Betriebsleistung berücksichtigt wird. Somit ist es möglich, insbesondere in quantitativer und/oder normierter Weise, festzustellen, wie hoch die aktuelle Schädigungssituation in Form des Schädigungsstatus für die Batterievorrichtung und das Brennstoffzellensystem bereits ist. Mit anderen Worten ist eine Vergangenheitsbetrachtung mit einer Zukunftsbetrachtung kombiniert, sodass die aktuelle Schädigungssituation als Ergebnis der Betriebsweise in der Vergangenheit mit der zukünftig zu erwartenden Schädigungsprognose korreliert wird. Ist also eine hohe Schädigungsprognose mit hoher zukünftiger zu erwartender Schädigung mit einem hohen bereits vorhandenen Schädigungsstatus kombiniert, so ist diese Komponente für die zukünftige Betriebssituation zu schonen, während Komponenten mit geringer Schädigungssituation und insbesondere in Kombination mit geringerer Schädigungsprognose einer erhöhten Belastung ausgesetzt werden können. Dies zielt insbesondere wieder auf ein Ausbalancieren der Schädigung zwischen den einzelnen Komponenten in Form der Batterievorrichtung und des Brennstoffzellensystems ab.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Batterievorrichtung und das Brennstoffzellensystem eine Vorgabe einer Mindestlebensdauer bis zum Erreichen eines maximalen Batterie- Schädigungsstatus und bis zum Erreichen eines maximalen Brennstoff- Schädigungsstatus erfolgt. Sind die beiden Schädigungsstatus normiert, so stellt der maximale Batterie-Schädigungsstatus entsprechend hundertprozentige Beschädigung und der maximale Brennstoffzellen-Schädigungsstatus ebenfalls hundertprozentige Schädigung des Brennstoffzellensystems dar. Damit ist es möglich, die Mindestlebensdauer vorzugeben und, beispielsweise hinsichtlich der gewünschten Kilo- meterleistung, einer gewünschten Betriebsstundenleistung oder Ähnlichem, einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zugrunde zu legen.
Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren die Vorgabe der Soll-Betriebsleistung und der Soll-Abgabeleistung unter Berücksichtigung einer verbleibenden Batterie-Restschädigung und/oder einer verbleibenden Brennstoffzellen-Restschädigung erfolgt. Die erfolgt insbesondere in normierter Weise, beispielsweise normiert auf eine Mindestlebensdauer für das Hybrid- Antriebssystem. Damit wird es möglich, vorherzusagen, wie viel Restschädigung noch vorhanden ist, also für den zukünftigen Betrieb der jeweiligen Komponente verbleibt. Auch hier kann ein Ausbalancieren, aber insbesondere auch ein Anpassen an die gewünschte Mindestlebensdauer, eingesetzt werden. Somit kann bewusst die Komponente geschont werden, welche den geringeren Restschädigungswert aufweist. Auch die Restschädigung kann in normierter Weise, bezogen auf Kilometer und/oder Betriebsstunden oder in absoluter Weise, verwendet werden.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren die Batterie-Schädigungsprognose und/oder die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose, insbesondere auch ein Batterie-Schädigungsstatus, ein Brennstoffzellen-Schädigungsstatus, eine Batterie-Restschädigung und/oder eine Brennstoffzellen-Restschädigung, normiert werden. Eine Normierung kann beispielsweise in dimensionsloser Weise erfolgen. Auch eine prozentuale Normierung auf eine hundertprozentige Erfüllung, beispielsweise einer Mindestlebensdauer, einer Mindestbetriebsstundenzahl und/oder eine Mindestkilometerlaufzahl, ist hier im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Die Normierung erlaubt es insbesondere, noch leichter und einfacher die Kontrolle hinsichtlich eines Ausbalancierens der unterschiedlichen Schädigungsmechanismen von Komponenten und/oder Teilkomponenten durchzuführen.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem Kontrollverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz die Normierung auf eine Mindestlebensdauer und/oder eine Kilometerleistung erfolgt. Somit kann auf eine Schädigungsnormierung pro zukünftig gefahrenem Kilometer und/oder pro zukünftiger Betriebsstunde rückgeschlossen werden, sodass ein einfacher und schneller Vergleich ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren in beschleunigter Weise möglich macht. Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Batterie-Schädigungsprognose und/oder die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose wenigstens ein Batterieparameter und/oder ein Brennstoffzellenparameter überwacht wird. Die Überwachung erfolgt dabei vorzugsweise auch hinsichtlich anderer Schädigungsparameter und/oder Betriebsparameter, wie beispielsweise Drücken, Druckdifferenzen, Stromwerten, Spannungswerten, Temperaturwerten, Feuchtigkeitswerten und/oder ähnlichen Parametern. Dies erlaubt es, sowohl die Prognose, insbesondere aber auch die bisher erfasste Betriebsleistung und/oder Abgabeleistung, näher zu bewerten und in einem später noch zu erläuternden Schädigungsmodell zu berücksichtigen.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren die Batterie-Schädigungsprognose und/oder die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose Teilkomponenten-Schädigungsprognosen aufweisen. So kann ein Aufteilen in Teil-Schädigungsprognosen möglich sein, um entsprechend auch Teil-Restschädigungen und/oder Teil-Schädigungsstatus zur Verfügung zu stellen.
So ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche Schädigungsmechanismen bei unterschiedlichen Teilkomponenten des Brennstoffzellensystems zu berücksichtigen.
So sind in einem Brennstoffzellensystem zum Beispiel Schädigungsmechanismen für die darin enthaltenen Membranen, verwendete Katalysatormaterialien oder Ähnliches enthalten. Das Verwenden von Teilkomponenten-Schädigungsprognosen führt dazu, dass hier eine noch detailliertere Erfassung der einzelnen Schädigungsmechanismen möglich wird, um noch genauer ein Ausbalancieren auch auf Teilkomponentenebene mit einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Batterie-Schädigungsprognose und/oder die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose ausschließlich langfristige und/oder irreversible Schädigungsmechanismen berücksichtigt werden. Während kurzfristige oder reversible Schädigungsmechanismen einen geringen Einfluss auf die Gesamtlebensdauer der jeweiligen Komponente haben, gilt dies für langfristige und irreversible Schädigungsmechanismen nicht. Insbesondere ist für irreversible Schädigungsmechanismen kein Regenerationsbetrieb möglich, um sie wieder in einen Zustand vor der Schädigung zurückzuführen. Eine Fokussierung des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens auf langfristige und irreversible Schädigungsmechanismen erlaubt es, diese von reversiblen kurzfristigen Schädigungsmechanismen zu trennen und die erfindungsgemäßen Vorteile noch zielgerichteter zu erreichen.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Bestimmung der Batterie-Schädigungsprognose und/oder der Brenn- stoffzellen-Schädigungsprognose ein Schädigungsmodell verwendet wird. Darunter kann beispielsweise ein Kennfeld, ein Algorithmus und/oder die Verwendung einer künstlichen Intelligenz vorgesehen sein. Auch sind separate Schädigungsmodelle für das Brennstoffzellensystem und die Batterievorrichtung notwendig. Selbstverständlich können auch Teil-Schädigungsmodelle für Teilkomponenten des Brennstoffzellensystems und/oder für Teilkomponenten der Batterievorrichtung eingesetzt werden.
Bei einem Kontrollverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz kann es weiter vorteilhaft sein, wenn das Schädigungsmodell anhand erfasster und gespeicherter Betriebsleistung, anhand erfasster und gespeicherter Abgabeleistung und/oder anhand weiterer Schädigungsparameter verbessert wird. Insbesondere ist es möglich, eine veraltete Prognose aus einem vorherigen Zeitpunkt mit der realen Messung zu vergleichen und damit die Qualität der alten Schädigungsprognose zu bewerten. Dies kann in qualitativer und/oder quantitativer Weise erfolgen. Diese Bewertung erlaubt es darüber hinaus, einen Rückschluss in Form eines selbstlernenden Systems in dem Schädigungsmodell zur Verfügung zu stellen, sodass fehlerhafte Prognosen aus der Vergangenheit für zukünftige Prognosen berücksichtigt werden können, womit wiederum zukünftige Prognosen mit dem andauernden Einsatz eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens immer genauer werden.
Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren bei negativer Batterie-Schädigungsprognose und/oder negativer Brennstoffzel- len-Schädigungsprognose ein Austausch der Batterievorrichtung, des Brennstoffzellensystems, einer Komponente der Batterievorrichtung und/oder einer Komponente des Brennstoffzellensystems angewiesen wird. Darunter ist also eine Signalisierung zu verstehen, wenn eine negative Schädigungsprognose so ausgelegt wird, dass ein Erreichen der Mindestlebensdauer nicht garantiert ist. So kann beispielsweise die Schädigungsprognose die Information enthalten, dass auch bei maximaler Schonung und/oder Verwendung von Regenerationssituationen die gewünschte Mindestlebensdauer nicht erreicht werden kann. Für einen solchen Fall kann frühzeitig ein Austauschen einer Teilkomponente zur Verfügung gestellt werden, um zu einem frü- hen Zeitpunkt einen plötzlichen Austausch mit einem Stillstand des Hybrid- Antriebssystem in der Zukunft zu vermeiden. Insbesondere wird diese Signalisierung so ausgewählt, dass eine besonders einfach und kostengünstig auszutauschende Komponente ausgewählt wird, welche nun unter Schonung der verbleibenden Komponenten frühzeitig und unter Vermeidung jeglicher Schonung maximal belastet werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Kontrolle einer Abgabeleistung einer Batterievorrichtung und einer Betriebsleistung eines Brennstoffzellensystems für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines Hybrid-Antriebssystems. Eine solche Kontrollvorrichtung zeichnet sich durch ein Erfassungsmodul aus, zum Erfassen und Speichern der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems über einen Erfassungszeitraum und zum Erfassen und Speichern der Abgabeleistung der Batterievorrichtung über einen Erfassungszeitraum. Weiter ist ein Bestimmungsmodul vorgesehen, zum Bestimmen einer Batterie- Schädigungsprognose wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistung der Batterievorrichtung und zum Bestimmen der Brennstoffzellen- Schädigungsprognose wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus weist die Kontrollvorrichtung ein Vorgabemodul auf, zum Vorgeben einer Soll-Abgabeleistung für die Batterievorrichtung auf Basis der bestimmten Batterie-Schädigungsprognose und zum Vorgeben einer Soll-Betriebsleistung für das Brennstoffzellensystem auf Basis der bestimmten Brennstoffzellen-Schädigungsprognose. Das Erfassungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Vorgabemodul sind dabei für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens ausgebildet, sodass eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich bringt, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.
Darüber hinaus ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Hybrid- Antriebssystem für den Antrieb eines Fahrzeugs. Ein solches Hybrid-Antriebssystem weist eine Batterievorrichtung, ein Brennstoffzellensystem, eine elektrische Antriebsvorrichtung sowie eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung auf, sodass ein solches Hybrid-Antriebssystem die gleichen Vorteile mit sich bringt, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,
Fig. 2 ein möglicher Verlauf einer Abgabeleistung über einen Erfassungszeitraum,
Fig. 3 ein möglicher Verlauf einer Betriebsleistung über einen Erfassungszeitraum,
Fig. 4 eine mögliche Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 eine weitere mögliche Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 eine weitere mögliche Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 7 eine weitere mögliche Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung und
Fig. 9 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid- Antriebssystems.
Figur 1 zeigt schematisch eine Kontrollvorrichtung 10, welche mit einem Erfassungsmodul 20 ausgestattet ist. Über nicht näher dargestellte Sensormodule kann das Erfassungsmodul 20 die aktuelle Abgabeleistung AL einer Batterievorrichtung 110 und die aktuelle Betriebsleistung BL eines Brennstoffzellensystems 120 kontinuierlich erfassen und speichern. Ein solches Erfassungsmodul 20 ist entsprechend vorzugsweise auch mit einer Speichereinheit ausgestattet. Über die kontinuierliche und fortdauernde Erfassung der Abgabeleistung AL und der Betriebsleistung BL kann nun mithilfe des Bestimmungsmoduls 30 eine Batterie-Schädigungsprognose BASP und eine Brennstoffzellen-Schädigungsprognose BZSP auf Basis und unter Verwendung eines Schädigungsmodells SM zur Verfügung gestellt werden. Diese beiden Schädigungsprognosen BASP und BZSP werden nun abschließend im Vorgabemodul 40 verwendet, um eine Soll-Abgabeleistung SAL und eine Soll- Betriebsleistung SBL für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 120 und der Batterievorrichtung 110 zur Verfügung stellen zu können. Der Einsatz ist in der Figur 9 in einem Hybrid-Antriebssystem 100 dargestellt, wobei hier gut zu erkennen ist, dass eine elektrische Antriebsvorrichtung 130, beispielsweise in Form eines Elektromotors, nun alleine aus der Batterievorrichtung 110, alleine aus dem Brennstoffzellensystem 120 oder aber kombiniert aus der Batterievorrichtung 110 zusammen mit dem Brennstoffzellensystem 120 mit der gewünschten elektrischen Energie zum Antrieb eines Fahrzeugs versorgt werden kann.
Basis eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens ist die Erfassung der Antriebsleistung AL und der Betriebsleistung BL über einen Erfassungszeitraum EZ, wie dies beispielsweise die Figuren 2 und 3 zeigen. Je nach Leistungsanforderung und Betriebssituation schwanken die Antriebsleistung AL und die Betriebsleistung BL über die Zeit. Ein beispielhafter Verlauf ist den beiden Figuren 2 und 3 zu entnehmen. So schwankt die Abgabeleistung AL der Batterievorrichtung 110 von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert auf einen mittleren Wert über einen vollständig ausgeschalteten Wert zu einem wiederum niedrigen Wert über den Erfassungszeitraum EZ. In Figur 3 ist die Betriebsleistung BL des Brennstoffzellensystems 120 dargestellt, welche nie vollständig ausgeschaltet wird und zwischen einer maximalen Auslastung und unterschiedlichen niedrigen Auslastungen schwankt. Die beiden Erfassungszeiträume EZ sind in Figur 2 und 3 vorzugsweise gleich lang ausgebildet und vorzugsweise darüber hinaus kontinuierlich und lückenlos erfasst und gespeichert.
In Figur 4 und 5 wird nun eine Möglichkeit einer Wirkung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens dargestellt. Die Figur 4 zeigt dabei, wie auf Basis der Vergangenheitssituation und dementsprechend auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistungen AL und Betriebsleistungen BL drei Werte bestimmt werden können. Der erste Wert ist dabei die Bewertung der Vergangenheit in Form eines Batterie- Schädigungsstatus BASS und eines Brennstoffzellen-Schädigungsstatus BZSS. Der Brennstoffzellen-Schädigungsstatus BZSS liegt hier leicht oberhalb des Batterie- Schädigungsstatus BASS. Auf dieser Basis kann nun für den zukünftig zu erwarten- den Betrieb, beispielsweise auf Basis eines Fahrzeugzyklus oder einer üblicherweise anzuwendenden Zusammensetzung unterschiedlicher Betriebssituationen, eine Schädigungsprognose für die Batterie-Schädigungsprognose BASP und die Brenn- stoffzellen-Schädigungsprognose BZSP angesetzt werden. In der Figur 4 sind die einzelnen Schädigungsprognosen und die weiteren Parameter auf 100% normiert. Die 100% stellen dabei maximale Schädigung für die gewünschte Mindestlebensdauer dar. In der Figur 4 ist also zu erkennen, dass die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose BZSP die 100% überschreitet und somit eine Schädigungsprognose gegeben ist, welche ein Erreichen der Mindestlebensdauer ausschließt. Gleichzeitig liegt die Batterie-Schädigungsprognose BASP unterhalb dieser normierten 100%, sodass die Batterievorrichtung 110 nach dieser Situation die Mindestlebensdauer erreicht. Die Differenz zwischen den Schädigungsprognosen BASP und BZSP und den Schädigungsstatus BASS und BZSS ist hier jeweils als Restschädigung in Form der Batterie-Restschädigung BARS und der Brennstoffzellen- Restschädigung BZRS zu erkennen.
Um nun die unerwünschte Situation der Figur 4 mit einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zu berücksichtigen, erfolgt die Vorgabe der Soll-Betriebsleistung SBL und der Soll-Abgabeleistung SAL in einer Weise, dass das Brennstoffzellensystem 120 geschont wird und entsprechend eine höhere Abgabeleistung AL von der Batterievorrichtung 110 abgefordert wird. Dies gilt auch dann, wenn auf diese Weise die Batterievorrichtung 110 mit stärkerer Schädigung und/oder ineffizienter betrieben wird. Im Gegensatz zu den bekannten Kontrollvorrichtungen werden also beispielsweise hier für die Batterievorrichtung 110 schädigende oder ineffiziente Betriebsweisen eingefordert, um eine zukünftige Schädigung und zu erwartende Schädigungsprognose für das Brennstoffzellensystem 120 so weit zu reduzieren, dass eine Situation erreicht wird, wie sie die Figur 5 zeigt. Hier ist das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Kontrolleingriffs gezeigt. Durch die erhöhte Schädigung der Batterievorrichtung 110 ist die Batterie-Schädigungsprognose BASP angestiegen, während durch die Schonung des Brennstoffzellensystems 120 die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose BZSP nun unter 100% in der normierten Darstellung gefallen ist. Damit wird die Wirkung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens gut ersichtlich. Trotz der in einem ersten Schritt erkannten zu hohen Schädigung und einem für diesen Zeitpunkt zu hohen Brennstoffzellen-Schädigungsstatus BZSS konnte durch den Kontrolleingriff eine Schonung des Brennstoffzellensystems 120 dazu führen, dass nun die beiden Komponenten in Form der Batterievorrichtung 110 und des Brennstoffzellensystems 120 in der normierten Weise wieder unter den 100% für die Mindestlebensdauer liegen und auf diese Weise die gewünschte Mindestlebensdauer mit hoher Wahrscheinlichkeit erreicht werden kann.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine weitere Möglichkeit eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens. Hier ist keine Kombination mit einer Mindestlebensdauer dargestellt und es ist auch nicht zwingend eine Normierung notwendig. Die Figur 6 zeigt eine Ausgangssituation mit etwas höherem Batterie-Schädigungsstaus BASS oberhalb eines Brennstoffzellen-Schädigungsstatus BZSS. Die Brennstoffzellen- Schädigungsprognose BZSP liegt deutlich unterhalb der Batterie- Schädigungsprognose BASP. Wie die beiden kleinen Pfeile anzeigen, ist nun hier ein gezieltes Ausbalancieren der Schädigung gewünscht, sodass beispielswiese ein Angleichen der Schädigungsprognose gewünscht wird. Bei dieser Situation kann also eine zusätzliche und erhöhte Schädigung des Brennstoffzellensystems 130 in Kauf genommen werden, um für das Ausbalancieren der Schädigung die Batterie- Schädigungsprognose BASP zu senken. Das Ergebnis einer auf dieser Basis erzeugten Vorgabe von Soll-Abgabeleistungen SAL und Soll-Betriebsleistungen SBL zeigt die Figur 7, sodass im Ergebnis eine Balance zwischen der Batterie- Schädigungsprognose BASP und der Brennstoffzellen-Schädigungsprognose BZSP das Ergebnis ist.
Die Figur 8 zeigt nochmals eine Weiterbildung der Ausführungsform einer Kontrollvorrichtung 10 der Figur 1. Hier ist eine Rückkopplungsmöglichkeit gegeben, indem das Schädigungsmodell SM für die Stellung der Prognosen BASP und BZSP als selbstlernendes System ausgebildet sein kann. Dies kann auf Basis von vergangenen Schädigungsprognosen BASP und BZSP und dem Vergleich mit einer tatsächlich eingetretenen Schädigung erfolgen. Jedoch ist es auch möglich, andere Schädigungsparameter, Betriebsparameter oder aber die erfassten Abgabeleistungen AL und Betriebsleistungen BL zu verwenden.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Bezugszeichenliste
10 Kontrollvorrichtung
20 Erfassungsmodul
30 Bestimmungsmodul
40 Vorgabemodul
100 Hybrid-Antriebssystem
110 Batterievorrichtung
120 Brennstoffzellensystems
130 elektrische Antriebsvorrichtung
AL Abgabeleistung
SAL Soll-Abgabeleistung
BL Betriebsleistung
SBL Soll-Betriebsleistung
EZ Erfassungszeitraum
SM Schädigungsmodell
BASP Batterie-Schädigungsprognose
BASS Batterie-Schädigungsstatus
BARS Batterie-Restschädigung
BZSP Brennstoffzellen-Schädigungsprognose
BZSS Brennstoffzellen-Schädigungsstatus
BZRS Brennstoffzellen-Restschädigung

Claims

Patentansprüche Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Abgabeleistung (AL) einer Batterievorrichtung (110) und einer Betriebsleistung (BL) eines Brennstoffzellensystems (120) für eine elektrische Antriebsvorrichtung (130) eines Hybrid- Antriebssystems (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Erfassen und Speichern der Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120) über einen Erfassungszeitraum (EZ),
- Erfassen und Speichern der Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110) über einen Erfassungszeitraum (EZ),
- Bestimmen einer Batterie-Schädigungsprognose (BASP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110),
- Bestimmen einer Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120),
- Vorgeben einer Soll-Abgabeleistung (SAL) für die Batterievorrichtung (110) auf Basis der bestimmen Batterie-Schädigungsprognose (BASP),
- Vorgeben einer Soll-Betriebsleistung (SBL) für das Brennstoffzellensystem (120) auf Basis der bestimmten Brennstoffzellen- Schädigungsprognose (BZSP). Kontrollverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorgabe der Soll-Abgabeleistung (SAL) und die Vorgabe der Soll- Betriebsleistung (SBL) die Balance der Brennstoffzellen- Schädigungsprognose (BZSP) und der Batterie-Schädigungsprognose (BASP) berücksichtigt wird. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batterie-Schädigungsstatus (BASS) zur aktuellen Schädigungssituation der Batterievorrichtung (110) und ein Brennstoffzellen- Schädigungsstatus (BZSS) zur aktuellen Schädigungssituation des Brenn- stoffzellensystems (120) bestimmt und für die Vorgabe der Soll- Abgabeleistung (SAL) und/oder der Soll-Betriebsleistung (SBL) berücksichtigt wird. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Batterievorrichtung (110) und das Brennstoffzellensystem (120) eine Vorgabe einer Mindestlebensdauer bis zum Erreichen eines maximalen Batterie-Schädigungsstatus (BASS) und bis zum Erreichen eines maximalen Brennstoffzellen-Schädigungsstatus (BZSS) erfolgt. Kontrollverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe der Soll-Abgabeleistung (SAL) und der Soll-Betriebsleistung (SBL) unter Berücksichtigung einer verbleibenden Batterie-Restschädigung (BARS) und/oder einer verbleibenden Brennstoffzellen-Restschädigung (BZRS) erfolgt. Kontroll verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder die Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP), insbesondere auch ein Batterie-Schädigungsstatus (BASS), ein Brennstoffzellen-Schädigungsstatus (BZSS), eine Batterie-Restschädigung (BARS) und/oder eine Brennstoffzellen- Restschädigung (BZRS) normiert werden. Kontrollverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Normierung auf eine Mindestlebensdauer und/oder auf eine Kilometerleistung erfolgt. Kontroll verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder die Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) wenigstens ein Batterieparameter und/oder ein Brennstoffzellenparameter überwacht wird. Kontroll verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder die Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) Teilkomponenten- Schädigungsprognosen aufweisen. 18 Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder die Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) ausschließlich langfristige und/oder irreversible Schädigungsmechanismen berücksichtigt werden. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder der Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) ein Schädigungsmodell (SM) verwendet wird. Kontrollverfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schädigungsmodell (SM) anhand erfasster und gespeicherter Betriebsleistung (BL), anhand erfasster und gespeicherter Abgabeleistung (AL) und/oder anhand weiterer Schädigungsparameter verbessert wird. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei negativer Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und/oder negativer Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) ein Austausch der Batterievorrichtung (110), des Brennstoffzellensystems (120), einer Komponente der Batterievorrichtung (110) und/oder einer Komponente des Brennstoffzellensystems (120) angewiesen wird. Kontrollvorrichtung (10) für eine Kontrolle einer Abgabeleistung (AL) einer Bat- terievorrichtung (110) und einer Betriebsleistung (BL) eines Brennstoffzellensystems (120) für eine elektrische Antriebsvorrichtung (130) eines Hybrid- Antriebssystems (100), gekennzeichnet durch ein Erfassungsmodul (20) zum Erfassen und Speichern der Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120) über einen Erfassungszeitraum (EZ) und zum Erfassen und Speichern der Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110) über einen Erfassungszeitraum (EZ), ein Bestimmungsmodul (30) zum Bestimmen einer Batterie-Schädigungsprognose (BASP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Abgabeleistung (AL) der Batterievorrichtung (110) und zum Bestimmen einer Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP) wenigstens auf Basis der erfassten und gespeicherten Betriebsleistung (BL) des Brennstoffzellensystems (120), sowie ein Vorgabemodul (40) zum Vorgeben einer Soll- Abgabeleistung (SAL) für die Batterievorrichtung (110) auf Basis der bestimmten Batterie-Schädigungsprognose (BASP) und zum Vorgeben einer Soll- 19
Betriebsleistung (SBL) für das Brennstoffzellensystem (120) auf Basis der bestimmten Brennstoffzellen-Schädigungsprognose (BZSP), wobei das Erfassungsmodul (20), das Bestimmungsmodul (30) und/oder das Vorgabemodul (40) für eine Ausführung eines Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet sind. Hybrid-Antriebssystem (100) für einen Antrieb eines Fahrzeugs, aufweisend eine Batterievorrichtung (110), ein Brennstoffzellensystem (120), eine elektrische Antriebsvorrichtung (130) und eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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