用于确定燃料电池系统的老化的方法与流程

本发明涉及用于确定车辆的燃料电池系统的老化的方法、以及用于控制在燃料电池系统与电能存储单元之间的功率分配(power split)的方法。本发明还涉及计算机程序、计算机可读介质、控制单元和车辆。本发明可以应用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是也可以用在其它车辆中，例如乘用轿车。

背景技术：

1、燃料电池系统可以用作蓄电池的替代品或补充。近年来，已经考虑用燃料电池系统为电动车辆供电。通常，为此目的，燃料电池系统可以与电能存储单元(例如蓄电池)一起使用，以用于为燃料电池电动车辆供电。在这种情况下，推进功率可以由燃料电池系统和蓄电池中的一者或两者根据用于驱动车辆的功率需求而提供。因此，由燃料电池系统产生的多余电力以及例如通过再生制动生成的电力可以存储在蓄电池中，以减少燃料消耗并提高能量效率。可以根据控制策略来控制在燃料电池系统与蓄电池之间的功率分配，以便例如使燃料消耗最小化。为了能够准确地控制功率分配，分别了解燃料电池系统和蓄电池的效率是至关重要的。

2、燃料电池电动车辆中出现的问题与燃料电池系统随着时间的推移而发生的老化(即，劣化)有关。老化降低了燃料电池效率，从而导致燃料消耗的直接增加。此外，副效应以冷却需求增加(由此，燃料电池系统的冷却风扇的功率要求增加)的形式出现。此外，由于功率分配策略可能是针对未老化的燃料电池系统确定的，所以燃料电池系统的效率降低可能导致在蓄电池与燃料电池系统之间的非最佳的功率分配。

3、因此，需要努力开发考虑到上述问题中的至少一些问题的替代的和/或改进的燃料电池相关技术。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供用于确定燃料电池老化的方法，该方法提供了相对于已知的确定燃料电池系统的老化的方法的替代方案和/或改进。特别地，目的是提供可以在由燃料电池系统供电的车辆的操作期间应用的这种方法。本发明的另一目的是提供用于控制在燃料电池系统与电能存储单元之间的功率分配的、在至少一些方面得到改进的方法。本发明的其它目的是提供计算机程序、计算机可读介质、控制单元和车辆。

2、根据本发明的第一方面，通过下文所述的方法来实现上述目的中的至少一个。该方法可以在计算机上实现并由计算机系统或控制系统的至少一个处理器设备执行。

3、因此，提供了一种用于确定车辆的燃料电池系统的老化的方法。

4、该方法包括：

5、-在所述车辆的操作期间，识别在时间或距离方面的未来间隔，在所述间隔期间，所述燃料电池系统预计以固定操作条件操作；

6、-在所识别出的间隔期间，获取与指示所述燃料电池系统劣化的至少一个燃料电池参数有关的测量值；

7、-使用所述测量值来确定所述燃料电池系统的老化状态。

8、通过识别出燃料电池系统在其期间预计以固定操作条件操作的未来时间间隔或距离间隔，可以预测适用于确定燃料电池系统的劣化的条件。可用于表征燃料电池老化的燃料电池参数包括电流、电压、功率、阻抗和效率。与用于表征的燃料电池参数无关，在对其测量期间，燃料电池系统的固定操作条件是必要的。本发明的发明人已经认识到，通过识别出在其期间预计有固定条件的、即将到来的道路或时间段，可以在车辆的操作期间(即，车辆的行驶期间)确定燃料电池系统的老化。由此，可以更新燃料电池系统的劣化模型，并且可以根据燃料电池系统的实际老化状态来控制在燃料电池系统与电能存储单元之间的功率分配。因此，可以降低燃料消耗和能量效率。此外，因为不需要在车辆的维修期间执行测量来确定老化，所以可以提高车辆的正常运行时间。

9、“固定操作条件”在本文中是指在压力、质量流量、燃料电池膜含水量等方面的燃料电池操作条件，它们是恒定的或者偏离恒定值不超过预定量(例如7％、5％或3％)。

10、获取与至少一个燃料电池参数有关的测量值可以包括测量所述至少一个燃料电池参数。它还可以包括接收被通信给执行该方法的控制单元的测量值，其中，可选地，接收测量值的该控制单元可以是位于车辆外部的非车载控制单元。在这种情况下，可以通过从该控制单元向被配置成收集测量值的一个或多个设备发送控制信号来发起测量。以这种方式，对老化的实际确定可以由非车载控制单元在车辆外部执行并通信给车载控制单元，从而减少对车载计算能力的需求。

11、在一些实施例中，可以与车辆的维修关联地执行使用所述测量值来确定燃料电池系统的老化状态的步骤。在这些情况下，在行驶期间执行识别所述未来时间间隔的步骤和获取测量值的步骤，并且单独地执行确定老化状态的步骤。然而，所有步骤也可以在行驶期间执行，无论是在车上还是在车外。

12、可选地，所述未来间隔是所述燃料电池系统在其期间预计以恒定或接近恒定的操作功率操作或能够以恒定或接近恒定的操作功率操作的间隔。在这样的间隔期间，燃料电池的固定操作条件被启用。“燃料电池系统在其期间能够以恒定的操作功率操作的间隔”在本文中应被理解为在所行驶的时间距离方面的间隔，在该间隔期间，燃料电池系统能够以恒定功率操作而不中断运输任务，这意味着车辆的操作员将不会遇到动力损失。“接近恒定的操作功率”在本文中是指与恒定值之间的差异不超过7％或5％或3％的操作功率。

13、可选地，所述恒定操作功率在燃料电池系统的线性功率范围内。该线性功率范围是这样的功率范围：在该功率范围内，燃料电池系统的极化曲线(其描述了作为电流的函数的极化电池电压)是线性的，和/或描述了作为功率的函数的燃料电池效率是线性的。

14、可选地，该方法进一步包括确定所确定出的老化状态的可靠性，其中，该可靠性是至少根据燃料电池系统的预定低功率操作范围、预定中等功率操作范围和预定高功率操作范围中的每个操作范围内的测量时机(measurement occasions)的数量而确定的。“测量时机的数量”在本文中是指在所识别出的间隔期间已执行的对指示燃料电池系统劣化的至少一个燃料电池参数进行测量的时机的数量。低操作功率范围、中等操作功率范围和高操作功率范围应当优选处于燃料电池系统的线性功率范围内，使得三次测量时机(每个操作功率范围内各一个)在假设的直线上产生三个点。因此，当在车辆的预定时间范围或行驶范围内已经执行了所有三个功率操作范围内的测量时，能够确定较高的可靠性，而当仅可以在三个功率操作范围中的一个或两个功率操作范围内执行了测量时，能够确定较低的可靠性。

15、确定可靠性还可以包括确定在测量时机期间收集测量值所在的所识别出的间隔的实际持续时间，其中，取决于相对于所识别出的间隔的预期持续时间而言的实际持续时间来确定测量时机的可靠性值。换言之，由测量产生的极化曲线或效率曲线上的点的权重取决于实际持续时间与预期持续时间的比率。例如，当实际持续时间与预期持续时间一致时，可以将该点设定为高可靠(例如100％可靠)，而当实际持续时间达到预期持续时间的50％时，可以将该点设定为50％可靠。

16、可选地，识别所述未来间隔包括预测燃料电池系统在预测时域(predictionhorizon)期间的操作功率，该未来间隔可以在时间或距离方面被设定。操作功率可以理解为从燃料电池系统输送功率的功率要求。

17、可选地，预测所述操作功率包括：

18、-接收车辆相关信息，该车辆相关信息包括包括以下信息中的至少一种：用于车辆在所述预测时域期间的预期行驶路线的交通信息、用于所述预测时域期间的该预期行驶路线的地势信息、用于所述预测时域期间的该预期行驶路线的地形信息、用于所述预测时域期间的该预期行驶路线的天气信息、以及所述预测时域期间的车辆总重量信息，

19、-使用所接收的所述车辆相关信息来预测所述预测时域期间的操作功率。

20、上述车辆相关信息中的一条或多条可以导致以适当的方式预测所述预测时域上的操作功率。

21、在一些情况下，燃料电池系统电连接到电能存储单元，其中，预测所述操作功率还可以包括：

22、-接收蓄电池信息，该蓄电池信息指示了电能存储单元在所述预测时域期间的预期电能容量和当前荷电状态中的至少一个，

23、-使用所接收到的蓄电池信息来预测所述预测时域期间的操作功率。

24、例如，该蓄电池信息可以提供表明是否可以操作燃料电池系统以对电能存储单元进行充电的信息。燃料电池系统在所述预测时域期间的实际操作可能取决于电能存储单元是否能够被充电。这样，关于电能存储单元的信息可以用于充分预测燃料电池操作功率。

25、可选地，识别所述未来间隔包括：使用基于与燃料电池系统的操作功率有关的历史数据的机器学习。这对于识别出沿同一路线重复行驶的车辆的燃料电池固定操作条件的可能时机特别有用。基于历史数据的机器学习可以准确地揭示预计有恒定的或接近恒定的操作功率的合理时机。

26、可选地，所述历史数据包括指示了至少作为车辆的地理位置和/或时间(例如一天中的时间、一年中的时间和/或星期几)的函数的、燃料电池系统的操作功率的数据。通过使用在相似位置和/或时间收集的数据，对所述未来间隔的准确识别是可能的。

27、可选地，识别所述未来间隔包括确定车辆的预期行驶路线，其中，所述历史数据包括指示燃料电池系统在沿着预期行驶路线行驶的一个或多个先前场景下的操作功率的数据。因此，该预期行驶路线可以是已知的行驶路线。

28、可选地，所述未来间隔具有对应于至少两分钟、优选至少五分钟、更优选至少十分钟的持续时间或长度。如果限定的是距离方面的间隔，则其长度与预期行驶速度相结合会导致所提到的持续时间。通过这样的持续时间，确保有充足的时间使燃料电池操作条件稳定化，并执行所需的测量来确定老化。

29、可选地，该方法进一步包括：

30、-检测燃料电池系统在所识别出的间隔期间的实际操作条件和/或实际操作功率，

31、其中，仅在所述实际操作条件和/或实际操作功率满足至少一个预定稳定性判据时才执行使用所测量到的所述至少一个燃料电池参数对燃料电池系统的老化状态的确定。例如，当所述操作功率至少在预定时间内处于预定公差范围内时，可以认为满足这样的稳定性判据。通过定义稳定性判据，确保了能够执行可靠的老化确定。

32、可选地，确定老化状态包括：将所测量到的所述至少一个燃料电池参数输入到描述燃料电池系统的老化状态的劣化模型。所测量到的燃料电池参数可以用于增强该劣化模型。因此，该劣化模型可以在燃料电池系统以固定操作条件操作一段足够的时间以执行所需测量的每个时机中更新。这降低了误判燃料电池系统的老化状态的风险。举例来说，该老化模型可以基于燃料电池效率、极化曲线和/或阻抗谱中的一个或多个。

33、根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制在燃料电池系统与电连接到该燃料电池系统的电能存储单元之间的功率分配的方法。该方法包括：

34、-使用根据第一方面的方法来确定燃料电池系统的老化状态，

35、-根据所确定的燃料电池系统的老化状态来控制在燃料电池系统与电能存储单元之间的功率分配。

36、燃料电池系统的老化状态在很大程度上决定了其效率。因此，通过根据燃料电池系统的老化状态来控制功率分配，可以随时间调整功率分配，从而提高车辆的组合电力系统(包括燃料电池系统和电能存储单元)的整体能量效率。

37、根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码组件，该程序代码组件用于当所述计算机程序在计算机(例如控制单元)上运行时执行第一方面和/或第二方面的方法。

38、根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质携载计算机程序，该计算机程序包括程序代码组件，该程序代码组件用于当所述计算机程序在计算机(例如控制单元)上运行时执行第一方面和/或第二方面的方法。

39、根据本发明的第五方面，提供了一种控制单元，该控制单元被配置成执行根据第一方面和/或第二方面的方法。该控制单元可以是设置在包括燃料电池系统的车辆上或远离所述车辆定位的电子控制单元。该控制单元可以包括用于测量所述至少一个燃料电池参数的装置，和/或该控制单元可以配置成与这样的测量装置通信以发起测量并接收测量值。

40、第五方面的优点和效果在很大程度上类似于本发明的第一方面和第二方面的优点和效果。此外，本发明的第五方面的所有实施例可以与本发明的第一方面和第二方面的所有实施例组合，反之亦然。

41、根据本发明的第六方面，提供了一种车辆。该车辆包括燃料电池系统和根据第五方面的控制单元，该燃料电池系统适于提供有助于所述车辆的推进的功率。该车辆还可以包括电能存储单元，所述燃料电池系统电连接到或能够连接到该电能存储单元。

42、在以下描述中公开了本发明的其它优点和有利特征。