Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, vorzugsweise eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

Stetig steigende Kraftstoffkosten sowie strengere gesetzliche Vorgaben betreffend die Fahrzeugemissionen stellen immer höhere Anforderungen an die Effizienz von Kraftfahrzeugen. Ein großes Potential zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs stellt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs dar, z. B. bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen, in Verbindung mitzunehmendem Einsatz von Assistenzsystemen, die einen hohen Grad der Automatisierung des Fährbetriebs ermöglichen, z. B. mittels einer automatisierten Längsdynamik- bzw. Geschwindigkeitsregelung (Tempopilot). Hierbei ist eine möglichst optimale Betriebsstrategie für die automatisierte Längsdynamik- bzw. Geschwindigkeitsregelung zu bestimmen.

Aus der Praxis sind verschiedene Techniken und Methoden zur Festlegung einer Betriebsstrategie für solche Fahrzeuge bekannt, die wie folgt klassifiziert werden können. Gemäß sogenannten Offline- oder statischen Betriebsstrategien werden alle Nutzungsfälle des Fahrzeugs bereits vorab und offline anhand fester Vorgaben, nach denen der Energiehaushalt im Fahrzeug eingestellt wird, festgelegt. Derartige Vorgaben bzw. Regeln können beispielsweise mit Zustandsautomaten oder kontinuierlichen Reglern umgesetzt werden.

Ferner sind Optimalsteuerungen bekannt, die einen Prädiktionshorizont in das Optimierungsproblem miteinbeziehen (auch modellbasierte prädiktive Regelung (MPR) genannt). Derartige Ansätze ermitteln, basierend auf ihren Eingangsinformationen, in einem gewissen Vorausschaufenster (Prädiktionshorizont) in einem vorgegebenen Suchraum für das betrachtete Modell eine optimale Trajektorie mindestens einer Zustandsgröße des Systems, beispielsweise des Ladezustands des Energiespeichers.

Hierbei sind Online-Optimierungen bekannt, die das Fahrzeug als ein mehrdimensionales Optimierungsproblem verstehen, das durch eine Zielfunktion beschrieben wird, welche nicht nur physikalische Größen wie den Verbrauch, sondern auch andere Anforderungen wie den Lebensdauerschutz von Komponenten etc. miteinbeziehen. Hierbei werden Teilkostenfunktionen korrespondierend zu den einzelnen Zielkriterien zu einer Gesamtkostenfunktion (Gütefunktional) mittels einer Summierung kombiniert und dann die Entscheidung betreffend die Betriebsstrategie aus der Gesamtkostenfunktion bzw. dem Gütefunktional berechnet.

Nachteilig an den bekannten Ansätzen ist jedoch, dass die aus der Praxis bekannten Optimierungsansätze hohe Rechenaufwände erfordern und im Hinblick auf die Grenzen der Rechenkapazität aktueller Steuergeräte oftmals nicht für den Echtzeitbetrieb geeignet sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass die aus der Praxis bekannten Optimierungsansätze ferner sehr anfällig für unerwünschte Einflüsse von Störgrößen, von geänderten Randbedingungen oder von Modell-ungenauigkeiten sind.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Technik zur Bestimmung einer Betriebsstrategie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, vorzugsweise Brennstoffzellen- Fahrzeuge, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.

Gemäß einem allgemeinen ersten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsstrategie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeug umfasst einen Speicher für elektrische Energie (Traktionsenergiespeicher), der nachfolgend als H och volt- Batterie bezeichnet wird. Das Fahrzeug umfasst ferner eine elektrische Antriebseinheit, aufweisend einen Inverter, eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine und eine von der elektrischen Maschine antreibbare Antriebsachse. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Brennstoffzellen- Fahrzeug, was nachfolgend noch detaillierter erläutert ist.

Das Verfahren zur Bestimmung der Betriebsstrategie umfasst das Bestimmen eines hinsichtlich vorgegebener Zielkriterien optimalen, auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt, automatisiert einzustellenden Soll-Geschwindigkeitsverlaufs des Fahrzeugs und Soll-Ladezustandsverlaufs der Hochvolt-Batterie in Abhängigkeit von Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt. Dieser Schritt wird nachfolgend auch als Planungsschritt oder Planung der Betriebsstrategie bezeichnet. Der vorausliegende Streckenabschnitt kann einer Wegstrecke (Fahrtroute) von einem Start A zu einem Ziel B des Fahrzeugs entsprechen oder einer Teilstrecke hiervon. Die hierbei zugrunde gelegten Zielkriterien werden nachfolgend als erste Zielkriterien bezeichnet, zur besseren Unterscheidung von zweiten und dritten Zielkriterien, die bei den nachfolgend beschriebenen modellprädiktiven Regelungen bzw. Regler zum Einsatz kommen.

Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit des bestimmten Soll-Geschwindigkeitsverlaufs. Hierbei wird ein hinsichtlich mindestens eines vorgegebenen zweiten Zielkriteriums optimaler Verlauf eines elektrischen Drehmoments und/oder einer elektrischen Antriebsleistung einer elektrischen Antriebseinheit des Fahrzeugs bestimmt oder eine hiervon abhängige oder ableitbare Größe. Die bei der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung bestimmte elektrische Antriebsleistung der elektrischen Antriebseinheit des Fahrzeugs kann die elektrische Leistung des Inverters sein. Das bestimmte elektrische Drehmoment ist das elektrische Drehmoment der elektrischen Maschine.

Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer modellprädiktiven Regelung eines Ladezustands der H och volt- Batterie in Abhängigkeit des bestimmten Soll- Ladezustandsverlaufs und des mittels der Geschwindigkeitsregelung bestimmten Verlaufs des elektrischen Drehmoments und/oder der elektrischen Antriebsleistung, vorzugsweise der elektrischen Leistung des Inverters.

Zusammengefasst umfasst das Verfahren somit einen Planungsschritt, bei dem der automatisiert einzustellende optimale Soll-Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs und der optimale Soll-Ladezustandsverlauf der Hochvolt-Batterie in Abhängigkeit von Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt bestimmt werden sowie zwei modellprädiktive Regelungen, denen jeweils eingangsseitig jeweils eine dieser optimalen Planungsgrößen zugeführt werden.

Diese modulartige Aufteilung in diese drei Funktionsblöcke und funktionale Architektur der Bestimmung der Betriebsstrategie bietet verschiedene Vorteile. Erstens ermöglicht diese Aufteilung, dass der Planungsschritt optional auch fahrzeugextern bestimmt (berechnet) werden kann, z. B. auf einem fahrzeugexternen Server und/oder in der Cloud, so dass die Rechenaufwände, die in Echtzeit von einem oder mehreren Fahrzeugsteuergeräten durchgeführt werden müssen, reduziert werden können. Dieser Planungsschritt wird in der Regel auch weniger oft durchgeführt, als die modellprädiktiven Regelungsschritte, die mit ihren zugeordneten fortlaufenden Prädiktionshorizonten ständig in kurzen Zeitabschnitten neu berechnet werden. Der Planungsschritt kann dagegen beispielsweise immer dann ausgeführt werden, wenn neue Strecken- und Verkehrsdaten zur Verfügung stehen. Dieser Fall tritt auf, wenn der Fahrer zu Beginn den Zielort seiner Route in das Navigationssystem eingibt, dieses die Route ändert (z. B. bei Stau) oder das System nach längerer Zeit reaktiviert wird (z. B. nach einem Stau).

Zweitens können diese drei Funktionsblöcke (Planung der Betriebsstrategie, modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung und modellprädiktive Regelung des Ladezustands) optional auf unterschiedlichen Steuergeräten implementiert sein. Schließlich ermöglicht die modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung eine besonders gute Prädiktion eines optimalen Verlaufs eines elektrischen Drehmoments und/oder einer elektrischen Antriebsleistung, insbesondere der elektrischen Leistung des Inverters, was eine entscheidende Größe für die modellprädiktive Regelung des Ladezustands der Hochvolt-Batterie und für das Energiemanagement der elektrischen Leistungsflüsse allgemein ist. Das eingangsseitige Verwenden eines im Rahmen der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung berechneten optimalen Leistungsverlaufs des Inverters im Rahmen der modellprädiktiven Regelung des Ladezustands ermöglicht somit genaue modellprädiktive Vorhersagen von optimalen Betriebsgrößen für das Energiemanagement des Fahrzeugs im Rahmen der modellprädiktiven Regelung des Ladezustands, was nachfolgend noch näher erläutert wird.

Die Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt können beispielsweise Steigung-/Gefälle-lnformationen, beispielsweise ein Steigungsprofil des vorausliegenden Streckenabschnitts, eine maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit entlang des Streckenabschnitts und/oder Verkehrsinformationen, beispielsweise Stau- und/oder Baustellendaten sein.

In einer Ausführungsform wird bei der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung zur Umsetzung des Soll-Geschwindigkeitsverlaufs eine hinsichtlich der vorgegebenen zweiten Zielkriterien optimale Drehmomentvorgabe für die elektrische Maschine und eine optimale Bremsvorgabe zur Durchführung eines Bremseingriffs, vorzugsweise mittels einer mechanischen Betriebsbremse, bestimmt. Entsprechend könnten möglichst für die Betriebsstrategie optimale Stellgrößen zur Umsetzung des Soll-Geschwindigkeitsverlaufs berechnet werden. Die modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung nutzt eingangsseitig vorzugsweise die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit zur Ausbildung eines geschlossenen Regelkreises. Alternativ oder zusätzlich können die Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt als Eingangswerte für die modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung verwendet werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann als das zweite Zielkriterium, das bei der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung verwendet wird, eine Abweichung eines bei der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung berechneten Verlaufs der Fahrzeuggeschwindigkeit von dem einzustellenden Soll-Geschwindigkeitsverlauf im Prädiktionshorizont der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung sein. Um auf die optimale bei dem Planungsschritt bestimmte Soll-Geschwindigkeit des Soll- Geschwindigkeitsverlaufs zu regeln, kann in der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung ausgehend von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ein für die elektrische Maschine optimales Drehmoment für einen Prädiktionshorizont berechnet werden und einen Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit für dieses Drehmoment unter Berücksichtigung von Streckendaten, z. B. das gegebene Steigungsprofil.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fahrzeug ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, beispielsweise ein Brennstoffzellen-Lastkraftwagen (LKW). Das Brennstoffzellen-Fahrzeug umfasst eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Antriebseinheit, aufweisend eine Brennstoffzelle, die Hochvolt- Batterie, und einen Hochvoltzwischenkreis, HVZK. Hierbei sind die Brennstoffzelle und die Hochvolt-Batterie mit dem HVZK elektrisch verbunden und/oder verbindbar. Unter der Brennstoffzelle wird in diesem Dokument insbesondere ein Brennstoffzellensystem und/oder ein Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere Brennstoffzellen verstanden. Der HVZK ist zur Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit mit der elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbindbar und/oder verbunden. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug umfasst ferner einen Bremswiderstand zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie. Der Bremswiderstand ist hierzu ebenfalls mit dem HVZK elektrisch verbunden und/oder verbindbar.

In einer Ausführungsvariante des Verfahrens, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellen- Fahrzeug ist, wird im Rahmen der modellprädiktiven Regelung des Ladezustands der Hochvolt-Batterie ein hinsichtlich der vorgegebenen dritten Zielkriterien optimaler Verlauf einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle und einer elektrischen Leistung des Bremswiderstands bestimmt. Die modellprädiktive Regelung des Ladezustands wird somit vorteilhaft dazu verwendet, einen optimalen prädizierten Verlauf der Brennstoffzellen-Leistung und der Bremswiderstandsleistung zu bestimmen. Dies ist vorteilhaft für ein optimales Energiemanagement.

In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist, umfassen die ersten Zielkriterien zumindest eine der folgenden Größen: eine benötigte Gesamtzeit einer Fahrt des Fahrzeugs entlang der vorausliegenden Streckenabschnitte zu einem Zielort, einen Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle, einen Arbeitsbereich der Brennstoffzelle, eine elektrische Leistung des Bremswiderstands, und eine Alterungseffekte von Komponenten des Fahrzeugs beschreibende Größe. Entsprechend können sowohl verbrauchsorientierte Größen als auch Anforderungen wie der Lebensdauerschutz von Komponenten etc. berücksichtigt werden. Diese Größen können bei der Auswertung des Gütefunktionais unterschiedlich gewichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist, umfassen die dritten Zielkriterien zumindest eine der folgenden Größen: einen Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle, einen Arbeitsbereich der Brennstoffzelle, eine elektrische Leistung des Bremswiderstands und eine Abweichung des Ladezustands der Hochvolt-Batterie vom optimalen Ladezustand der H och volt- Batterie am Ende des Prädiktionshorizonts der modellprädiktiven Regelung des Ladezustands. Diese Größen können bei der Auswertung des Gütefunktionais unterschiedlich gewichtet werden.

Die modellprädiktive Regelung eines Ladezustands der Hochvoltbatterie wird vorzugsweise unter Berücksichtigung von Randbedingungen durchgeführt. Die Randbedingungen können während des Betriebs des Fahrzeugs veränderbar sein und/oder verändert werden, vorzugsweise mittels Adaptionsparameter. In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist, können diese Randbedingungen zumindest eine der folgenden Randbedingungen umfassen:

- eine maximale Brennstoffzellenleistung wird nicht überschritten,

- ein Leistungsgradient der Brennstoffzelle liegt in einem vorbestimmten Bereich,

- eine maximale Ladeleistung und eine maximale Entladeleistung der Hochvoltbatterie wird eingehalten,

- ein Ladezustand der Hochvoltbatterie liegt in einem vorbestimmten Bereich,

- eine maximale elektrische Bremswiderstandsleistung wird nicht überschritten,

- die Brennstoffzelle und der Bremswiderstand werden nicht gleichzeitig verwendet. Ferner wird die modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung vorzugsweise unter Berücksichtigung von Randbedingungen durchgeführt. Die Randbedingungen können während des Betriebs des Fahrzeugs veränderbar sein und/oder verändert werden, vorzugsweise mittels Adaptionsparameter. Hierbei können die Randbedingungen zumindest eine der folgenden Randbedingungen umfassen:

- eine Drehmomentanforderung liegt oberhalb eines maximalen generatorischen Drehmoments der elektrischen Maschine und unterhalb eines maximalen motorischen Drehmoments der elektrischen Maschine,

- eine mechanische Bremskraft liegt unterhalb einer vorgegebenen Maximalbremskraft,

- die Fahrgeschwindigkeit liegt unterhalb einer festgelegten Maximalgeschwindigkeit.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Bestimmung des Soll-Geschwindigkeitsverlaufs und/oder des Soll-Ladezustandsverlaufs der Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs fahrzeugextern durchgeführt. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass dadurch im Fahrzeug benötigte Rechenressourcen reduziert werden können und leistungsstärkere externe Server- oder Cloud-Rechner verwendet werden können.

Gemäß einem allgemeinen zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die Vorrichtung kann einen Speicher und einen Prozessor umfassen. Die Vorrichtung kann in Form eines oder durch mehrere Steuergeräte und/oder Regler realisiert sein.

Die Vorrichtung umfasst ein Planungsmodul, das ausgebildet ist, einen hinsichtlich vorgegebener erster Zielkriterien optimalen, auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt, automatisiert einzustellenden Soll-Geschwindigkeitsverlauf und Soll-Ladezustandsverlauf der Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs in Abhängigkeit von Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt zu bestimmen. Das Planungsmodul implementiert somit den vorstehend beschriebenen Planungsschritt des Verfahrens und/oder dessen Ausführungsvarianten.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Geschwindigkeitsregler, der zur Durchführung einer modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit des bestimmten Soll- Geschwindigkeitsverlaufs ausgebildet ist, wobei ein hinsichtlich eines vorgegebenen zweiten Zielkriteriums optimaler Verlauf eines elektrischen Drehmoments und/oder einer elektrischen Antriebsleistung, vorzugsweise einer elektrischen Leistung eines Inverters, einer elektrischen Antriebseinheit des Fahrzeugs bestimmt wird. Der Geschwindigkeitsregler implementiert somit die vorstehend beschriebene modellprädiktive Regelung der Geschwindigkeit und/oder deren Ausführungsvarianten.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Soll-Ladezustandsregler, der zur Durchführung einer modellprädiktiven Regelung eines Ladezustands der H och volt- Batterie in Abhängigkeit des bestimmten Soll-Ladezustandsverlaufs und des mittels der Geschwindigkeitsregelung bestimmten Verlaufs des elektrischen Drehmoments und/oder der elektrischen Antriebsleistung, vorzugsweise der elektrischen Leistung des Inverters, ausgebildet ist. Der Soll-Ladezustandsregler implementiert somit die vorstehend beschriebene modellprädiktive Regelung des Soll-Ladezustands und/oder deren Ausführungsvarianten.

Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt. Die vorgenannten Aspekte, Ausführungsformen und Ausführungsvarianten und Merkmale, insbesondere im Hinblick auf die Verfahrensaspekte des Planungsschritts, der modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung und der modellprädiktiven Regelung des Soll- Ladezustands gelten somit auch für die Vorrichtung, insbesondere für die entsprechenden Module, d.h. das Planungsmodul, den Geschwindigkeitsregler und den Soll- Ladezustandsregler. Entsprechend sollen auch die im Zusammenhang mit den entsprechenden Modulen, d.h. Planungsmodul, Geschwindigkeitsregler und Soll- Ladezustandsregler, offenbarten Aspekte auch für die korrespondierenden Verfahrensschritte offenbart sein.

Die Offenbarung betrifft ferner ein Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie, wie sie in diesem Dokument beschrieben ist. Das Fahrzeug umfasst ferner eine Hochvolt-Batterie und eine elektrische Antriebseinheit, aufweisend einen Inverter, eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine und eine von der elektrischen Maschine antreibbare Antriebsachse. Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Brennstoffzellen-Fahrzeug sein, vorzugsweise ein Brennstoffzellen- LKW. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Fahrzeug eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Antriebseinheit, aufweisend eine Brennstoffzelle, die Hochvolt-Batterie, und einen HVZK, wobei die Brennstoffzelle und die Hochvolt-Batterie mit dem HVZK elektrisch verbunden und/oder verbindbar sind und der HVZK zur Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit mit der elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbindbar ist. In dieser Ausführungsform umfasst das Fahrzeug ferner einen Bremswiderstand zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, der mit dem HVZK elektrisch verbunden und/oder verbindbar ist.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen, Ausführungsvarianten und Merkmale der

Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der

Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine Volllastkennlinie einer elektrischen Maschine, eine Spannungskennlinie einer PEM-Brennstoffzelle und ein Verlauf des Wirkungsgrades eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 einen prinzipiellen Verlauf der Ladekennlinie einer Lithium-Ionen-Zelle und Entladegrenzen der Hochvolt-Batterie bei unterschiedlichen Temperaturen gemäß einerweiteren Ausführungsform der Erfindung;

Figur 4 Illustration einer Bergauffahrt/-abfahrt eines Fahrzeugs unter Verwendung von vorausliegenden Streckendaten gemäß einer Ausführungsform;

Figur 5 einen prinzipiellen Aufbau einer modellprädiktiven Regelung;

Figur 6 eine Ausgangssituation zur Zeit t,;

Figur 7 Berechnung der optimalen Eingänge;

Figur 8 eine Ausgangssituation zur Zeit t, _+i ;

Figur 9 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie gemäß einer Ausführungsform;

Figur 10 ein Modell für die Planung der Betriebsstrategie (Planungsschritt bzw. Planungsmodul) gemäß einer Ausführungsform;

Figur 11 ein Modell der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung gemäß einer Ausführungsform; und Figur 12 ein Modell der prädiktiven Regelung des Ladezustands (des prädiktiven Energiemanagements) gemäß einer Ausführungsform.

Gleiche oder äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und zum Teil nicht gesondert beschrieben.

Figur 1 zeigt in Form eines Blockdiagramms eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Das Fahrzeug 20 ist vorliegend ein Brennstoffzellen-LKW. Das Fahrzeug 20 umfasst eine elektrische Antriebseinheit 21 , aufweisend einen Inverter 22, eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine 23 und eine von der elektrischen Maschine 23 antreibbare Antriebsachse als Teil des mechanischen Antriebsstrangs 24.

Das Fahrzeug umfasst ferner eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Antriebseinheit 21 , aufweisend eine Brennstoffzelle 26, eine Hochvolt-Batterie 27 und einen Hochvoltzwischenkreis 25, HVZK. Hierbei sind die Brennstoffzelle 26 und die Hochvolt-Batterie 27 mit dem HVZK 25 elektrisch verbunden. Der HVZK 25 ist ferner zur Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit 21 mit der elektrischen Antriebseinheit 21 elektrisch verbindbar. Ferner ist ein Bremswiderstand 28 zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie vorgesehen.

Die als elektrischer Antriebsmotor dienende elektrische Maschine 23 wird nicht mit der Gleichspannung des HVZK versorgt, sondern mit Wechselstrom, insbesondere mehrphasigem Drehstrom. Deshalb ist ein Inverter 22 als Wechselrichter zwischen dem Gleichstromnetz und dem elektrischen Antriebsmotor angeordnet. Der Inverter 22 hat dabei die Aufgabe, den Gleichstrom des HVZK 25 in das jeweilige Stromprofil umzuformen und umgekehrt, beispielsweise zur Rekuperation von Bewegungsenergie des Kraftfahrzeuges. Somit liegen gekoppelte Gleich- und Wechselstromnetze vor. Der Inverter 22 kann ausgebildet sein, Wicklungen der elektrischen Maschine 23 bedarfsgerecht zu bestromen und dadurch in der elektrischen Maschine 23 eine Drehzahl und ein Drehmoment, und damit den angeforderten Arbeitspunkt, einzustellen.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, enthält der HVZK 25 somit eine Vielzahl von elektrischen Leistungsquellen und Leistungssenken. Neben der Brennstoffzelle 26 selbst, die als primäre Energiequelle dienen soll, wird unter anderem die H och volt- Batterie 27 als Leistungspuffer eingesetzt. Da das Fahrzeug 20 durch die elektrische Maschine 23 auch verzögert werden kann, wird die Bremsleistung im Falle einer vollgeladenen Hochvolt-Batterie 27 in dem Bremswiderstand 28 in Wärme umgewandelt. Die aufgezählten Leistungsquellen/-senken erzeugen zum Teil hohe Abwärmen, welche über mehrere eigenständige Kühlkreisläufe abgeführt werden müssen (nicht dargestellt). Diese Wärmeabführung erfolgt z. B. mit Hilfe von Lüftern oder Kühlmittelpumpen (nicht dargestellt). Darüber hinaus müssen, wie bei einem Fahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, z. B. der Luftkompressor, die Lenkhydraulikpumpe, die Klimaanlage (Innenraum) oder auch das Niedervolt-Bordnetz mit Energie versorgt werden. Diese Komponenten sind Leistungssenken und werden im HVZK 25 als Nebenaggregate 29 zusammengefasst.

Unter dem Begriff Brennstoffzelle ist hier ein Brennstoffzellensystem beziehungsweise ein Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere Brennstoffzellen zu verstehen. Die Brennstoffzelle ist optional über einen Gleichspannungswandler, einen sogenannten Fuel Cell Converter (FCC), elektrisch mit dem HVZK 25 verbunden. Die H och volt- Batterie 27 kann eine Verschaltung einzelner Batteriezellenmodule und/oder Batteriezellen aufweisen und eine Hochvoltspannung bereitstellen.

Aufgrund der hohen Anzahl an Leistungsquellen und Leistungssenken in so einem HVZK 25 können die Leistungsanforderungen der elektrischen Maschine 23 sowie die der Nebenaggregate 29 durch die Brennstoffzelle 26, die Hochvolt-Batterie 27 und den Bremswiderstand 28 unterschiedlich bewerkstelligt werden.

Ein Energiemanagement (EM) hat die Aufgabe, diese Komponenten zu steuern, während die Randbedingungen der Komponenten selbst berücksichtigt werden. Diese Randbedingungen geben Aufschluss darüber, wie die Komponenten sicher, effizient, aber auch langlebig betrieben werden können. Im Folgenden werden die Randbedingungen der wichtigsten Leistungsquellen- und senken aufgeführt und kurz erläutert.

Zunächst werden die Betriebsweisen und die Randbedingungen der elektrischen Maschine 23 und des Inverters 22 erläutert. Betreffend die Betriebsweise wandelt die elektrische Maschine 23 je nach Betriebsmodus eine elektrische Leistung (PEM) in ein Drehmoment (MEM) (motorischer Betrieb) als auch ein Drehmoment (MEM) in eine elektrische Leistung (PEM) (generatorischer Betrieb) um. Der Inverter richtet entsprechend korrespondierend Gleichspannung in Wechselspannung (motorischer Betrieb) bzw. Wechselspannung in Gleichspannung (generatorischer Betrieb) um. Diese Umwandlung ist verlustbehaftet. Der HVZK 25 muss eine elektrische Leistung (Pm _v ) bereitstellen (motorischer Betrieb) oder aufnehmen (generatorischer Betrieb). Der Inverter wird hierzu aktiv gesteuert.

Betreffend die Randbedingungen soll die Drehmomentanforderung (MEM) der elektrischen Maschine innerhalb des maximalen/minimalen Drehmoments erfolgen, die für den motorischen bzw. generatorischen Betrieb gelten. Dies ist in Figur 2, Abbildung A illustriert, wo die Volllastkennlinie einer Drehstrommaschine dargestellt ist. Die untere Kurve gibt das betragsmäßig maximale Drehmoment für den generatorischen Betrieb vor, die obere Kurve das betragsmäßig maximale Drehmoment für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 23. Zwischen diesen beiden Kurven soll somit die Drehmomentanforderung liegen.

Als weitere Randbedingung soll die maximal mögliche elektrische Motor- / Generatorleistung PEM, die durch zu hohe Temperaturen in der Maschine und / oder im Inverter reduziert werden kann, eingehalten werden (sog. Derating).

Nachfolgend werden die Betriebsweisen und die Randbedingungen der Brennstoffzelle 26 erläutert. Die Brennstoffzelle (hier ein Brennstoffzellensystem) 26 kann bekanntermaßen nur eine Leistung (PBZ) in den HVZK 25 abgeben. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 26 ist abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle 26 selbst. Dies ist in Abbildung C der Figur 2 illustriert, die einen Verlauf des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle 26 darstellt. Solange Wasserstoff vorhanden ist, kann die Brennstoffzelle 26 somit entsprechend eine Leistung (PBZ) in den HVZK 25 abgeben. Die Brennstoffzelle 26 ist aktiv gesteuert.

Betreffend die Randbedingungen der Brennstoffzelle 26 ist festzustellen, dass die maximale Leistung, die durch erhöhte Temperatur im Stapel selbst oder in anderen Nebenaggregaten der Brennstoffzelle 26 reduziert werden kann (Derating), eingehalten werden muss. Um den Alterungsprozess der Brennstoffzelle 26 zu reduzieren, sollen hohe Leistungsgradienten vermieden werden (z.B. Leistungssprünge) (aus der Systemalterung resultiert ein Leistungsverlust). Um den Alterungsprozess der Brennstoffzelle 26 zu reduzieren, sollen ferner sehr hohe und sehr niedrige Spannungen vermieden werden, so dass der Betrieb vorzugsweise in einem vorbestimmten Arbeitsbereich erfolgt, was in Abbildung B der Figur 2 dargestellt ist. Abbildung B zeigt eine Spannungskennlinie einer PEM-Brennstoffzelle und den zugeordneten Arbeitsbereich.

Nachfolgend werden die Betriebsweisen und die Randbedingungen der Hochvolt-Batterie 27 erläutert. Die Batterie kann bekanntermaßen entsprechend ihres Ladezustands (State of Charge, kurz SoC) elektrische Leistung (Pßat) abgeben (Entladen) oder aufnehmen (Laden). Energie i HVZK 25, die weder von der Brennstoffzelle 26 abgegeben noch von Leistungssenken, wie z. B. dem Bremswiderstand 28 aufgenommen werden kann, muss von der Hochvolt-Batterie 27 bereitgestellt bzw. gespeichert werden. Die H och volt- Batterie 27 dient somit als Leistungspuffer. Die Batterie kann durch den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 23 (Rekuperation) oder durch eine Lastpunktanhebung der Brennstoffzelle 26 geladen werden und ist passiv gesteuert.

Betreffend die Randbedingungen der Hoch volt- Batterie 27 ist festzustellen, dass der SoC innerhalb der maximalen Lade- und Entladegrenzen gehalten werden soll (andernfalls werden die Relais geöffnet, damit eine Überladung bzw. Tiefenentladung verhindert wird). Ferner wird die maximale Lade- und Entladeleistung der Hochvolt-Batterie 27, die in Abhängigkeit des SoC’s und der Zelltemperaturen variiert, berücksichtigt. Schließlich soll die Hochvolt-Batterie 27 am Ende eines Fahrzyklus einen definierten Ladezustand aufweisen. Figur 3 zeigt in diesem Zusammenhang in Abbildung A einen lediglich beispielhaften und prinzipiellen Verlauf der Ladekennlinie einer Lithium-Ionen-Zelle und Entladegrenzen der Hoch volt- Batterie bei unterschiedlichen Temperaturen. Abbildung B der Figur 3 illustriert Entladegrenzen der Hochvolt-Batterie 27 bei unterschiedlichen Temperaturen.

Nachfolgend werden die Betriebsweisen und die Randbedingungen des Bremswiderstands 28 erläutert. Der Bremswiderstand (ohmscher Widerstand) 28 nimmt elektrische Leistung (PBWS) aus dem Zwischenkreis 25 auf und wandelt diese in Wärme um. Wenn die Hochvolt-Batterie 27 vollgeladen ist, wird weitere Bremsenergie im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt (Erfüllung der Dauerbremsfähigkeit). Der Bremswiderstand 28 ist aktiv gesteuert.

Betreffend die Randbedingungen des Bremswiderstands 28 ist festzustellen, dass der Strom, der über den Widerstand fließt, begrenzt ist und damit auch die Leistung (PBWS). Die Leistung (PNA) der Nebenaggregate 29 ist abhängig vom Betrieb des Fahrzeugs und damit zeitvariant; diese muss im Energiemanagement (EM) berücksichtigt werden.

Im Folgenden werden an das Energiemanagement selbst Anforderungen A bis D gestellt. Das Energiemanagement:

A. muss die von der elektrischen Antriebsachse angeforderte Leistung Pm _v auf die vorhandenen Leistungsquellen und Leistungssenken aufteilen, wobei die Summe aller Leistungen, die in den HVZK 25 bzw. aus dem HVZK 25 fließen, null ist (Folge aus dem Kirchhoffschen Gesetz); B. muss die Komponenten selbst schützen, da eine Überbelastung der Komponenten zur Zerstörung führen kann;

C. soll den Gesamtwirkungsgrad des HVZK 25 erhöhen;

D. soll ein schnelles Altern der Komponenten verhindern.

Für die Bestimmung einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 bzw. die Umsetzung eines Energiemanagements wird nachfolgend eine besonders vorteilhafte Lösung beschrieben. Hierbei werden ferner die beiden weiteren Randbedingungen berücksichtigt:

- Das Fahrzeug 20 startet seine Fahrt an einem bekannten Startpunkt A und endet an einem bekannten Zielort B.

- Das Fahrzeug 20 befindet sich im Tempopilot-Betrieb, so dass die Fahrgeschwindigkeit automatisiert eingestellt wird und der Fahrer keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit hat bzw. nur in Ausnahmefällen manuell eingreift. Dabei kann das Fahrzeug auch durch die mechanische Bremse verzögert werden.

Der hier beschriebene Ansatz zur Bestimmung der Betriebsstrategie basiert auf einer Vorausschau unter Verwendung von Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt und einer modellprädiktiven Regelung, deren Grundprinzipien an sich bekannt sind, jedoch der Vollständigkeit halber nachfolgend kurz erläutert werden.

Figur 4 zeigt ein Illustration einer Bergauffahrt/-abfahrt eines Fahrzeugs 20 unter Verwendung von vorausliegenden Streckendaten gemäß einer Ausführungsform. Unter dem Begriff der Vorausschau ist die Verwendung von vorausliegenden Streckendaten, wie beispielsweise dem Steigungsverlauf und den Geschwindigkeitsbegrenzungen, zu verstehen. Ausgehend von diesen Streckendaten kann ein zukünftiges Fahrprofil ermittelt werden. Ist das zukünftige Fahrprofil bekannt, so kann eine vorausschauende Betriebsstrategie diese Information dazu verwenden, um die einzelnen an den HVZK 25 angeschlossenen Komponenten des Fahrzeugs 20 in einen jeweils geeigneten Betriebszustand zu bringen. Dies wird am folgenden Beispiel einer Bergfahrt (vgl. Figur 4) illustriert.

Steht dem Fahrzeug 20 ein Anstieg bevor, so kann mit Hilfe der Vorausschau die Hochvolt- Batterie 27 über die Brennstoffzelle 26 frühzeitig aufgeladen werden. Während des Anstiegs kann die vollgeladene H och volt- Batterie 27 die Brennstoffzelle 26 länger unterstützen. Dies hat zur Folge, dass die Brennstoffzelle 26 in einem Bereich mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die Leistungsaufteilung wird dabei so gewählt, dass die Hochvolt- Batterie 27 am höchsten Punkt entladen ist und auf der folgenden Bergabfahrt wieder vollständig durch Rekuperation geladen wird. Durch die Vorausschau kann der Zeitpunkt des Einsatzes des Bremswiderstandes 28 nach hinten verschoben werden. Somit kann durch Rekuperation mehr Energie zurückgewonnen werden und es muss weniger Energie im Bremswiderstand 28 in Wärme umgewandelt werden.

Figur 5 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer modellprädiktiven Regelung bzw. eines modellprädiktiven Reglers. Die modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control, kurz MPC) ist eine Methode zur prädiktiven Regelung von komplexen Systemen.

Das System besitzt die Eingänge u, die Zustände x sowie die Ausgänge y. Bei der MPC wird ein dynamisches Modell des zu regelnden Systems verwendet, um das zukünftige Verhalten des Systems in Abhängigkeit von den Eingängen zu berechnen. Dies ermöglicht die Berechnung der - im Sinne eines Gütefunktionais - optimalen Eingänge, die zu optimalen Zuständen bzw. Ausgängen führen. Dabei können gleichzeitig Eingangs-, Ausgangs- und Zustandsbeschränkungen berücksichtigt werden. Diese Aufgabe wird als Optimalsteuerungsproblem verstanden.

Die MPC wird in der Regel auf einem Prädiktionshorizont umgesetzt. Figur 6 zeigt die Ausganssituation zur Zeit t,. Die Regelung erfolgt zu festen Zeitschritten t, wobei die Zeit zwischen zwei Zeitschritten als Schrittweite T bezeichnet wird. Die Anzahl der Zeitschritte in einem Prädiktionshorizont wird dabei als Länge des Horizonts mit N bezeichnet. Ausgehend vom Zustand x, zur Zeit t, und dem Streckenmodell wird das Optimalsteuerungsproblem für den Prädiktionshorizont [t; L ₊ N] gelöst, vgl. Figur 7. Das Ergebnis ist eine optimale Steuerung u ^w = [u*i, ... , U* ₊ N]. Der erste Teil u* dieser optimalen Steuerung wird als Eingang für das System verwendet. Wie nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung der Nomenklatur nochmals erläutert wird, sind in diesem Dokument Vektorgrößen mit einem hochgestellten v gekennzeichnet, so dass eine Größe a ^v einen Vektor mit den Werten von a, d. h. a ^v = [a,, a, _+i , ... , a, _+N ] zu den diskreten Zeitpunkten im zugehörigen Prädiktionshorizont mit der Länge N, d. h. zu den Zeiten t, t _+i , .... t _+N angibt. Ferner werden optimale Größen bzw. Werte a mit einem hochgestellten * gekennzeichnet. Optimal bedeutet hier der Wert von a, der sich aus der Lösung des zugehörigen Optimalsteuerungsproblems ergibt. Die Größe u ^w = [u* , ... , U* ₊ N] stellt somit einen Vektor dar, dessen Werte u* , ... , UVNZU den diskreten Zeitpunkten im zugehörigen Prädiktionshorizont als optimale Werte berechnet wurden. Zur Zeit t,+T erfolgt erneut die beschriebene Prozedur (vgl. Figur 8), allerdings ausgehend vom Zustand X und für den Prädiktionshorizont [t,+T; t ₊ N+T] Diese zyklische Vorgehensweise wird nun beliebig lange während der Fahrt des Fahrzeugs 20 fortgesetzt.

In der nachfolgend illustrierten Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie werden zwei derartige modellprädiktive Regelungen bzw. Regler verwendet.

Figur 9 illustriert eine Vorrichtung 100 zur Bestimmung einer Betriebsstrategie gemäß einer Ausführungsform.

Die in Figur 9 illustrierte Vorrichtung 100 ist ausgebildet eine Betriebsstrategie eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 zu bestimmen, wobei das Brennstoffzellen-Fahrzeug 20 die Komponenten aufweist, wie sie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurden.

Wie vorstehend im Zusammenhang mit Figur 1 ebenfalls bereits festgestellt wurde, werden bei der Bestimmung einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 die Randbedingungen zu Grunde gelegt, dass das Fahrzeug 20 seine Fahrt an einem bekannten Startpunkt A startet und an einem bekannten Zielort B enden soll und dass das Fahrzeug 20 sich ferner im Tempopilot-Betrieb befindet, so dass die Fahrgeschwindigkeit automatisiert eingestellt wird und der Fahrer keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit hat bzw. nur in Ausnahmefällen manuell eingreift. Dabei kann das Fahrzeug auch durch die mechanische Bremse verzögert werden. Unter diesen Voraussetzungen sollen im Rahmen der Betriebsstrategie geeignete Fahrbetriebsgrößen des Fahrzeugs für die Fahrt zum Zielort B bestimmt werden.

Die Vorrichtung 100 umfasst ein Planungsmodul 1 , das ausgebildet ist, einen hinsichtlich vorgegebener erster Zielkriterien optimalen, auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt 30, automatisiert einzustellenden Soll-Geschwindigkeitsverlauf 7 und Soll-Ladezustandsverlauf 8 der Hochvolt-Batterie 27 des Fahrzeugs in Abhängigkeit von Eingangsdaten 5 zu bestimmen. Die Eingangsdaten umfassen Streckendaten für den vorausliegenden Streckenabschnitt 31. Die Streckendaten umfassen z. B. ein Steigungsprofil a ^v für den vorausliegenden Streckenabschnitt 31 sowie eine maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit v ^v _max entlang des Streckenabschnitts 31 und/oder andere Verkehrsdaten, um die zukünftigen Fahrsituationen zu prädizieren. Diese Streckendaten können z. B. von einem Navigationssystem (inkl. GPS) bezogen werden, nachdem der Zielort B eingegeben wurde. Die Eingangsdaten 5 umfassen ferner eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit vo und einen aktuellen Ladezustand SoCo der Hochvolt-Batterie 27. Die Streckendaten (Steigungsprofil a ^v und eine maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit v ) werden ferner als Eingangswerte 6 für einen modellprädiktiven Geschwindigkeitsregler 2 verwendet, der nachfolgend beschrieben wird.

Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Geschwindigkeitsregler 2, der zur Durchführung einer modellprädiktiven Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit des bestimmten Soll- Geschwindigkeitsverlaufs 7 ausgebildet ist. Hierbei wird ein hinsichtlich eines vorgegebenen zweiten Zielkriteriums optimaler Verlauf einer elektrischen Leistung des Inverters 22 der elektrischen Antriebseinheit 21 des Fahrzeugs 20 bestimmt. Der modellprädiktive Geschwin digkeitsregler ist zur Umsetzung des Soll-Geschwindigkeitsverlaufs ausgebildet, eine hinsichtlich des vorgegebenen zweiten Zielkriteriums aktuell optimale Drehmomentvorgabe M*EM für die elektrische Maschine 23 und eine optimale Bremsvorgabe F* _Br,m zur Durchführung eines Bremseingriffs mittels einer mechanischen Betriebsbremse zu bestimmen. Diese Ausgangsdaten 10 des Geschwindigkeitsreglers 2 werden zweckmäßig an die entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs 20 ausgegeben.

Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Ladezustandsregler 3, der zur Durchführung einer modellprädiktiven Regelung eines Ladezustands der Hochvolt-Batterie 27 in Abhängigkeit des bestimmten Soll-Ladezustandsverlaufs und des mittels der Geschwindigkeitsregelung bestimmten Verlaufs der elektrischen Leistung des Inverters 22 ausgebildet ist. Der modellprädiktive Regler 3 ist ausgebildet, einen hinsichtlich der vorgegebenen dritten Zielkriterien optimalen Verlauf einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle P^BZ und einer elektrischen Leistung P^B _WS des Bremswiderstands zu bestimmen, wobei jeweils die ersten Werte der Vektoren P*BZ und P*BWS als Ausgangsdaten 11 des Ladezustandsreglers 3 ausgegeben werden. Der Ladezustandsregler 3 wird somit für ein prädiktives Energiemanagement genutzt.

Die Vorrichtung 100 kann auf einem oder mehreren Steuergeräten des Fahrzeugs 20 implementiert werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass das Planungsmodul 1 fahrzeugextern, z. B. in einem Cloud-Server, implementiert ist und drahtlos mit dem Fahrzeug 20 in Datenkommunikation steht, um mit dem Geschwindigkeitsregler 2 und dem Ladezustandsregler 3 Daten zur Bestimmung der Betriebsstrategie auszutauschen.

Nachfolgend werden die einzelnen Aspekte der Vorrichtung 100 detaillierter beschrieben. Vorstehend wurde bereits festgestellt, (vgl. Anforderungen C und D an das Energiemanagement), dass ein Ziel der Bestimmung der Betriebsstrategie, insbesondere des Energiemanagements, ist, dass die Gesamteffizienz beim Betrieb des Fahrzeugs erhöht sowie die gleichzeitige Komponentenalterung reduziert werden soll. Dabei spielt die Wahl der Antriebs-/Bremsleistung, welche sich in der Fahrzeuggeschwindigkeit widerspiegelt, eine wesentliche Rolle. Zum einen handelt es sich bei der Antriebs-/Bremsleistung um die Leistung, die im Energiemanagement auf die Leistungsquellen und Senken im HVZK aufgeteilt wird, und hat deswegen einen bedeutenden Einfluss auf die Effizienz sowie auf die Komponentenalterung. Zum anderen muss die Antriebs-/Bremsleistung für einen Ansatz mit Vorausschau aber auch prädiziert werden können. Dies wird durch eine Regelung der Geschwindigkeit genau dann möglich, wenn die zu fahrende Sollgeschwindigkeit vorab bekannt ist. Ausgehend von der Sollgeschwindigkeit lässt sich die aufzuwendende Antriebs- / Bremsleistung annähern.

Zur Bestimmung der Antriebs-/Bremsleistung, als auch die Aufteilung dieser im HVZK 25 werden zwei Funktionsblöcke, hier der Geschwindigkeitsregler 2 und der Ladezustandsregler 3 verwendet, die jeweils mit einer Kombination aus Vorausschau und MPC arbeiten. Dabei handelt sich zum einen um die prädiktive Geschwindigkeitsregelung durch den Geschwindigkeitsregler 2, und zum anderen um das prädiktive Energiemanagement durch den Ladezustandsregler 3. Während in der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung die Antriebs- /Bremsleistung durch Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, wird in dem prädiktiven Energiemanagement die vorab bestimmte Antriebs-/Bremsleistung auf die Leistungsquellen und -senken des HVZK 25 aufgeteilt.

Unter Verwendung von Prädiktionsdaten über einen bestimmten Horizont werden mit MPC zyklisch optimale Eingangsgrößen sowie optimale Zustands- bzw. Ausgangsgrößen für das zu regelnde System Brennstoffzellen-Fahrzeug berechnet. Über die zuvor genannten Streckendaten hinaus werden für den Einsatz der beiden modellprädiktiven Regler 2 und 3 weitere Prädiktionsdaten benötigt.

Diese werden für die gesamte Route durch das Planungsmodul 1 durch eine optimale Steuerung vorab generiert. Durch diese Anordnung werden Sollgrößen berechnet, welche anschließend von den beiden modellprädiktiven Reglern 2 und 3 im Fahrzeug umgesetzt werden. Mit dieser Anordnung der Funktionsblöcke 1, 2 und 3 wird das System Brennstoffzellen-Fahrzeug 20 geregelt. Dadurch, dass es sich bei den modellprädiktiven Reglern 2 und 3 jeweils um geschlossene Regelkreise handelt, werden sowohl Störgrößen, wie z. B. der Wind für die prädiktive Geschwindigkeitsregelung, als auch Modellungenauigkeiten kompensiert. Mit der dynamischen Adaption 4 werden Parameter in den modellprädiktiven Reglern 2 und 3 angepasst, wenn sich z. B. Randbedingungen von Komponenten verändern. Im Folgenden wird die prädiktive Betriebsstrategie genauer erklärt, indem zuerst die Signale geklärt werden und anschließend die Funktionsweise der Blöcke selbst. In diesem Rahmen wird auch die dynamische Adaption näher erläutert.

Dabei findet folgende Nomenklatur Anwendung, die anhand der Darstellung des Symbols a erläutert wird:

Darstellung Bedeutung a Wert von a zur aktuellen Zeit t. a* Optimaler Wert von a zur aktuellen Zeit t, (Optimal bedeutet hier der Wert von a, der sich aus der Lösung des zugehörigen Optimalsteuerungsproblems ergibt) a ^v Vektor mit den Werten von a, d. h. a ^v = [a,, a, _+i , Q,+N], ZU den diskreten Zeitpunkten im zugehörigen Prädiktionshorizont mit der Länge N, d. h. zu den Zeiten t, t _+i , _N a Vektor mit den optimalen Werten von a, d. h. a ^w = [a*, a* _+i , ... , a ^* i _+N ], zu den diskreten Zeitpunkten im zugehörigen Prädiktionshorizont mit der Länge N, d. h. zu den Zeiten t, t _+i , .... ti+N a ₀ Anfangswert von a im zugehörigen Prädiktionshorizont, d. h. zum Zeitpunkt t.

3min Minimaler Wert von a zur aktuellen Zeit t.

3max Maximaler Wert von a zur aktuellen Zeit t,

Äa Gradient von a zur Zeit t, d. h. Differenz von a zur Zeit t, und a zur Zeit ti-i a ^s Sammelvektor mit beliebiger Anzahl an Elementen b, c, d, d.h. a ^s = [b, c, d, ...], zu der aktuellen Zeit t. Hierbei ist anzumerken, dass die Vektoren a ^v sowie a ^w Werte zu den diskreten Zeitpunkten im zugehörigen Prädiktionshorizont enthalten. Wird dabei solch ein Vektor zwischen zwei Funktionsblöcken mit unterschiedlichen Prädiktionshorizonten, d. h. unterschiedliche Horizontlängen N und/oder Schrittweiten T, übergeben, so muss eine geeignete Umrechnung, z. B. durch lineare Interpolation, erfolgen. Da diese Umrechnung keinen Einfluss auf die Funktionsweise hat, wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Umrechnung automatisch erfolgt.

In dem Planungsmodul 1 wird für die gesamte Route des Fahrzeugs 20 vom Startort A zum Zielort B mit Hilfe einer optimalen Steuerung berechnet, wie das Fahrzeug eine Fahraufgabe von einem Startpunkt A zu einem Zielort B optimal im Sinne von Gütekriterien bewerkstelligen kann. Wesentliche Gütekriterien eines Gütefunktionais für die optimale Erfüllung einer solchen Fahraufgabe belaufen sich auf die Verringerung der Fahrzeit, die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs sowie auf die Reduzierung der Alterung der Komponenten. Diese Kriterien stehen dabei in einem Zielkonflikt zueinander und können entsprechend priorisiert bzw. gewichtet werden.

Im Rahmen der optimalen Steuerung, die das Planungsmodul 1 durchführt, wird der beste Kompromiss dieser gewichteten Gütekriterien für die Betriebsstrategie der Fahraufgabe ermittelt. Die Planung erfolgt dabei auf Basis der Steigungsdaten a ^v und der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v .

Die geplante, optimale Betriebsstrategie spiegelt sich anschließend in den optimalen Zustandsgrößen Ladezustand SoC ^v * der Batterie, sowie in der Fahrzeuggeschwindigkeit v ^w wider. v ^w und SoC ^v * stellen somit Vektorgrößen dar, die die berechneten optimalen Werte der Fahrgeschwindigkeit bzw. des Ladezustands zu den diskreten Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts, der im Planungsmodul 1 verwendet wird, enthalten.

Diese Planung der Betriebsstrategie wird im Planungsmodul 1 immer dann ausgeführt, wenn neue Streckendaten zur Verfügung stehen. Dieser Fall tritt auf, wenn der Fahrer zu Beginn den Zielort seiner Route in das Navigationssystem eingibt, dieses die Route ändert (z. B. bei Stau) oder das System nach längerer Zeit reaktiviert wird (z. B. nach einem Stau).

Die prädiktive Geschwindigkeitsregelung durch den Geschwindigkeitsregler 2 sorgt im Gegensatz zur Planung der Betriebsstrategie im Planungsmodul 1 für die Umsetzung der zuvor geplanten Fahrzeuggeschwindigkeit v ^w bei einem Steigungsprofil a ^v , indem das dafür im aktuellen Zeitpunkt t, aufzuwendende Drehmoment MEM der elektrischen Maschine sowie die mechanische Bremskraft F _Br.m berechnet wird. Dadurch wird entschieden, ob eine Bremsenergie durch die mechanische Bremse in Wärme umgewandelt wird oder ob diese durch die elektrische Maschine in den HVZK 25 eingespeist wird.

Die Einbeziehung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v führt dabei zu einem geschlossenen Regelkreis. Durch die Verwendung von MPC resultieren bei der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung für einen bestimmten, fortlaufenden Prädiktionshorizont zwei entscheidende Größen für diese Anwendung. Zum einen wird mit dem Drehmoment M*EM eine optimale Eingangsgröße zum aktuellen Zeitpunkt für die elektrische Maschine berechnet (vgl. u*i in Figur 7), während zum anderen ein optimaler Drehmomentverlauf M ^W EM (vgl. u ^w in Figur 7) für den aktuell betrachteten Prädiktionshorizont erzeugt wird. Dieser optimale Drehmomentverlauf M ^W EM wird in eine optimale Inverterleistung P ^w i _nv (Antriebs- /Bremsleistung) umgerechnet, welche als bedeutende Eingangsgröße für das folgende prädiktive Energiemanagement im Ladezustandsregler 3 verwendet wird.

Genauso wie die prädiktive Geschwindigkeitsregelung durch den Geschwindigkeitsregler 2 handelt es sich auch bei dem prädiktiven Energiemanagement des Ladezustandsreglers 3 durch die Verwendung von MPC um eine Regelung. Während durch die optimale Inverterleistung P ^v *m _v bekannt ist, welche Leistung im HVZK 25 aufgeteilt werden muss, wird durch den vorab geplanten, optimalen Ladezustand SoC' vorgegeben, welchen Zustand die Hochvolt-Batterie 27 am Ende eines Prädiktionshorizonts aufweisen soll. Dadurch wird das Sollverhalten des Ladezustands der H och volt- Batterie 27 in Bezug auf das Steigungsprofil a ^v mit einbezogen. Die Aufteilung der Inverterleistung P ^w m _v erfolgt durch eine Berechnung der aktuellen, optimalen Eingangsgrößen für die Brennstoffzellenleistung P ^W BZ und für die Bremswiderstandsleistung P^BWS. AUS diesen Eingangsgrößen resultiert auch die optimale Leistung P^ _Bat , die die Hoch volt- Batterie 27 bereitstellt bzw. aufnimmt. Durch die Einbeziehung des aktuellen Ladezustands SoC der Hochvolt-Batterie 27 ist der Regelkreis für das prädiktive Energiemanagement geschlossen. Das prädiktive Energiemanagement bzw. der Ladezustandsregler 3 ist dann aktiv, wenn auch die prädiktive Geschwindigkeitsregelung bzw. der Geschwindigkeitsregler 2 aktiv ist.

Nachdem die genannten optimalen Eingangsgrößen an das zu regelnde System, das Brennstoffzellen-Fahrzeug 20, übergeben worden sind, rufen diese im Fahrzeug eine dynamische Änderungen der Randbedingungen in den Komponenten sowie in den Zuständen der Teilsysteme hervor. Diese dynamischen Änderungen von Randbedingungen, z. B. im Sinne von Grenzen oder Parametern, werden in der dynamischen Adaption 4 über die Ausgangsgrößen y ^s erfasst (y ^s ist ein Vektor mit aktuellen Werte mehrerer Ausgangsgrößen des Fahrzeugs 20).

Die dynamische Adaption 4 passt diese Randbedingungen im Geschwindigkeitsregler 2 und dem Ladezustandsregler 3 durch die Adaptionsparameter P ^S _P GR und P ^S _P EM dynamisch an, damit situativ alle Randbedingungen der Komponenten berücksichtigt werden. Der Funktionsblock dynamische Adaption 4 gibt hierzu entsprechend einerseits Adaptionsparameter 13 für den Geschwindigkeitsregler 2 aus, hier P ^S _P GR , was ein Vektor mit Parametern für den Geschwindigkeitsregler 2 ist. Der Funktionsblock dynamische Adaption 4 gibt entsprechend andererseits Adaptionsparameter 14 für den Ladezustandsregler 3 aus, hier P ^S _P EM, was ein Vektor mit Parametern für den Ladezustandsregler 3 ist, um dort das prädiktive Energiemanagement anzupassen. Die Adaptionsparameter 13 und 14 sind Sammelvektoren, die mehrere Elemente bzw. Fahrzeuggrößen zu der aktuellen Zeit t, enthalten können, was nachfolgend noch näher beschrieben wird.

Das Zusammenspiel aus der Planung der Betriebsstrategie durch das Planungsmodul 1 , der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung durch den Geschwindigkeitsregler 2, um dem prädiktiven Energiemanagement durch den Ladezustandsregler 3 ermöglicht einerseits eine optimale Erfüllung der Fahraufgabe. Andererseits wird dadurch auch eine Robustheit gegenüber Störgrößen und Modellungenauigkeiten ermöglicht. Ein weiterer großer Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch die prädiktive Geschwindigkeitsregelung eine sehr gute Prädiktion der Inverterleistung P ^w i _nv erreicht wird, welche von hervorgehobener Bedeutung für ein prädiktives Energiemanagement ist. Weiterhin wird bei der Planung der Fahraufgabe die Möglichkeit gewährt, die Zielkriterien (Gütekriterien) nach Wunsch anzupassen.

Das Zusammenspiel aus der Planung der Betriebsstrategie durch das Planungsmodul 1 , der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung durch den Geschwindigkeitsregler 2, und des prädiktiven Energiemanagements durch den Ladezustandsregler 3 illustriert gleichzeitig auch ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Bestimmung der Betriebsstrategie, da das Planungsmodul 1 den Planungsschritt durchführt, der Geschwindigkeitsregler 2 die modellprädiktive Geschwindigkeitsregelung und der Ladezustandsregler 3 die modellprädiktive Ladezustandsregelung und das Energiemanagement.

Nachdem nun ein erster Überblick über die Funktionsblöcke, die ausgetauschten Signale sowie deren Zusammenspiel auf Basis des in Abbildung 9 dargestellten Blockschaltbilds gewährt wurde, folgt nun eine detailliertere Beschreibung der Funktionen innerhalb der Funktionsblöcke.

Zum Planungsmodul 1:

Das Planungsmodul 1 nutzt eingangsseitig folgende Daten: Ein Steigungsprofil a ^v der vorausliegenden Fahrtstrecke 31, den Verlauf der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v entlang der vorausliegenden Fahrtstrecke, den Anfangswert SoCo des Ladezustands der Batterie, sowie den Anfangswert vo der Fahrzeuggeschwindigkeit, und den Anfangswert So des Weges (d. h. wo befindet sich das Fahrzeug aktuell entlang der Fahrtstrecke).

Ausgangsseitig gibt das Planungsmodul 1 folgende Daten aus: Ausgänge: den hinsichtlich vorgegebener erster Zielkriterien optimalen, auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt 30, automatisiert einzustellenden Soll-Geschwindigkeitsverlauf v ^w des Fahrzeugs, was als Eingangsdaten für den Geschwindigkeitsregler 2 verwendet wird, sowie den hinsichtlich vorgegebener erster Zielkriterien optimalen, auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt automatisiert einzustellenden Ladezustand SoC ^v * der Hochvolt-Batterie 27, was als Eingangsdaten 8 für den Ladezustandsregler 3 verwendet wird.

In dem Planungsmodul 1 wird, wie vorstehend bereits festgestellt wurde, die Fahraufgabe des Fahrzeugs 20 für die gesamte zu fahrende Route auf Basis des Verlaufs der Steigung a ^v und der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v ^v _max entlang des vorausliegenden Streckenabschnitts geplant.

Zur Durchführung dieser Planung wird eine Optimale Steuerung verwendet, die für das System Brennstoffzellen-Fahrzeug mit Hilfe eines Gütefunktionais und des Modells in Figur 10 die optimalen Eingangs- und Zustandsgrößen berechnet. Dabei entspricht die gesamte Route der Länge des Prädiktionshorizonts NB _SI während die Schrittweite TB _SI beträgt. Hierbei wird das Brennstoffzellen-Fahrzeug bei der optimalen Steuerung, gleichermaßen wie bei MPC, mit einem Modell geeignet mathematisch beschrieben. Für diese Anwendung wird das Modell in Figur 10 verwendet, das beispielhaft ein Modell 31 für die Planung der Betriebsstrategie durch das Planungsmodul 1 gemäß einer Ausführungsform zeigt.

Aus dem Modell 31 in Figur 10 resultieren die Zustände der Fahrzeuggeschwindigkeit v, des Weges s und des Ladezustands SoC der H och volt- Batterie 27 sowie die folgenden Eingangsgrößen für diese Anwendung: die Steigung a, das Drehmoment der elektrischen Maschine MEM, die Kraft der mechanischen Bremse FBr.m, die Leistung der Brennstoffzelle PBZ sowie die Leistung des Bremswiderstands PBWS.

In dem Modell 31 der Figur 10 wird ein Drehmoment MEM der elektrischen Maschine 23 vorgegeben. Während das Drehmoment durch den mechanischen Antriebsstrang in eine Radkraft FF^EM umgeformt wird, wird es gleichzeitig zusammen mit der Drehzahl PEM in der elektrischen Maschine 23 in eine elektrische Leistung umgerechnet. Die Drehzahl PEM resultiert dabei ebenfalls aus dem mechanischen Antriebsstrang ausgehend von der Fahrzeuggeschwindigkeit v. Neben der Kraft FF^EM, bedingt durch die elektrische Maschine 23, wirkt mit der mechanischen Bremskraft F _FBr.m noch eine weitere Kraft auf die Antriebsräder. Zusammen bilden sie die Radkraft F _Rad . Mit der Radkraft und der Steigung a lässt sich mit der Längsdynamik auf die Fahrzeuggeschwindigkeit v sowie auf den zurückgelegten Weg s schließen.

Die elektrische Antriebsleistung PEM wird durch den Inverter 22 in die Inverterleistung Pm _v transformiert. Bei der Inverterleistung Pm _v handelt es sich um die Leistung, die durch die Komponenten im HVZK 25 aufgenommen bzw. abgegeben werden muss. Durch die Addition der Leistungen von Inverterleistung Pm _v , Bremswiderstandsleistung PBWS, Nebenaggregatsleistung PNA sowie der Brennstoffzellenleistung PBZ werden die Komponenten im HVZK 25 verknüpft, wodurch die Anforderung A. (vgl. Beschreibung zur Figur 1) erfüllt wird. Ist die Summe dieser Leistungen ungleich null, wird diese von der Hochvolt-Batterie 27 abgegeben bzw. aufgenommen. Eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 26 bewirkt außerdem einen Wasserstoffverbrauch r i _H 2. Während die Brennstoffzellenleistung PBZ sowie die Bremswiderstandsleistung PBWS vorgegeben werden müssen, wird die Nebenaggregatsleistung PNA als konstant angenommen. Für die Berechnung dieses Gesamtmodells innerhalb der optimalen Steuerung im Planungsmodul 1 werden der Planung der Betriebsstrategie mit vo, So, sowie SoCo Startwerte für die Zustände übergeben.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, wird für die Ermittlung der optimalen Eingangsgrößen und Zustandsgrößen ein Gütefunktional vorausgesetzt. Dieses Funktional besteht aus mehreren Termen, in denen Bewertungskriterien (vorstehend auch als erste Zielkriterien bezeichnet) für die optimale Erfüllung der Fahraufgabe formuliert werden. Die jeweiligen Kriterien lassen sich durch Gewichtung gegenüber den anderen Kriterien priorisieren. Folgende Kriterien (oder eine Teilmenge hiervon) werden dabei über alle Zeitpunkte des Prädiktionshorizonts N _ßst , der von Planungsmodul 1 verwendet wird, bewertet: eine benötigte Gesamtzeit einer Fahrt des Fahrzeugs 20 entlang der vorausliegenden Streckenabschnitte zu einem Zielort B, einen Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle, einen Arbeitsbereich der Brennstoffzelle, eine elektrische Leistung des Bremswiderstands, und eine Alterungseffekte von Komponenten des Fahrzeugs beschreibende Größe.

Mithilfe des ersten Kriteriums (benötigte Gesamtzeit) wird die Fahrgeschwindigkeit v bewertet. Mit dem zweiten Kriterium (Wasserstoffverbrauch) wird der effiziente Betrieb der Brennstoffzelle bewerte. Mit dem Kriterium der elektrischen Leistung des Bremswiderstands kann z. B. ein Laden der Hochvolt-Batterie 27 gegenüber dem Einsatz des Bremswiderstands 28 bevorzugt werden.

Die optimalen Eingangsgrößen und Zustandsgrößen sind gefunden, wenn diese zu einem Minimum der Summe aller genannten Terme des Gütefunktionais führen. Dadurch wird der beste Kompromiss der genannten Kriterien ermittelt. Gleichzeitig müssen die optimalen Eingangs- und Zustandsgrößen folgende Beschränkungen in allen Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts erfüllen:

- die Begrenzung des maximalen motorischen / generatorischen Drehmoments wird eingehalten (M _EM,gen,max ^ M _E M ^ M _EM,mot,max , vgl. Figur 2, Abbildung A);

- die Begrenzung der maximalen mechanischen Bremskraft wird eingehalten (0 < F _Br.m ^

FBr.m.max),

- die Begrenzung der maximalen Brennstoffzellenleistung, hier ohne Temperatureinfluss wird eingehalten (0 < P _B z ^ Pßz.max);

- die Begrenzung des Leistungsgradienten der Brennstoffzelle wird eingehalten (ÄP _B z. _min ^ DRBZ 2 ÄPßZ.max);

- die Begrenzung der maximalen Lade- / Entladeleistung der Batterie, hier ohne Temperatureinfluss wird eingehalten (P _{Bat, laden, max} ^ Pßat ^ Pßat, entladen, max);

- die Begrenzung der Ladezustandsgrenzen der Batterie wird eingehalten (SoC _min ^ SoC < SoCmax),

- die Begrenzung der maximalen Bremswiderstandsleistung wird eingehalten (0 < PBWS ^

PßWS.max); die Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit (basierend auf der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v ) wird eingehalten (v < v _max );

- die Batterie soll am Ende der Fahraufgabe (Zielort B) einen definierten Ladezustand aufweisen;

- der gleichzeitige Einsatz von Brennstoffzelle und Bremswiderstand ist ineffizient und soll vermieden werden: (PBZ X PBWS = 0).

Das zu erzielende Sollverhalten des Fahrzeugs spiegelt sich letztlich in den Zustandsvektoren der optimalen Geschwindigkeit v ^w und des optimalen Batterieladezustands SoC ^v * (Ausgangsvektoren) wider. Die gleichzeitig resultierenden optimalen Eingangsgrößen finden dagegen keine weitere Verwendung.

Zum Geschwindigkeitsregler 2:

Der Geschwindigkeitsregler 2 empfängt eingangsseitig folgende Daten: Das Steigungsprofil a ^v der vorausliegenden Fahrtstrecke 31 , der Verlauf der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v entlang der vorausliegenden Fahrtstrecke, der vom Planungsmodul 1 berechnete optimale Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit v ^w , die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v, sowie den Adaptionsparameter P ^S _P GR (der vorstehend bereits beschrieben wurde).

Ausgangsseitig gibt der Geschwindigkeitsregler 2 folgende Daten aus: ein optimales Drehmoment der elektrischen Maschine M*EM zum Zeitpunkt t, eine optimale Kraft der mechanischen Bremse F* _Br,m zum Zeitpunkt t, sowie die prädizierte Verlauf der optimalen Leistung des Inverters P ^v* m _v .

Um auf die optimale Geschwindigkeit v ^w zu regeln, wird in der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung von einer modellprädiktiven Regelung Gebrauch gemacht. Ausgehend von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v wird unter Berücksichtigung der Steigung a ^v und der optimalen Sollgeschwindigkeit v ^w ein für die elektrische Maschine optimales Drehmoment M*EM für einen Prädiktionshorizont berechnet. Dieser Prädiktionshorizont wird mit der Länge N _P GR und der Schrittweite T _P GR definiert. Für diesen Funktionsblock wird beispielhaft das Modell in Figur 11 verwendet.

Aus dem Modell 32 in Figur 11 resultieren folgende Zustände und Eingangsgrößen für diese Anwendung: Aus dem Modell 32 in Figur 11 resultieren die Zustände der Fahrzeuggeschwindigkeit v und des Weges sowie die folgenden Eingangsgrößen für diese Anwendung: das Drehmoment der elektrischen Maschine MEM und die Kraft der mechanischen Bremse FBr _, m.

In dem Modell der Figur 11 wird ein Drehmoment MEM der elektrischen Maschine 23 vorgegeben. Während das Drehmoment durch den mechanischen Antriebsstrang in eine Radkraft FF^EM umgeformt wird, wird es gleichzeitig zusammen mit der Drehzahl PEM in der elektrischen Maschine in eine elektrische Leistung umgerechnet. Die Drehzahl PEM resultiert dabei ebenfalls aus dem mechanischen Antriebsstrang ausgehend von der Fahrzeuggeschwindigkeit v. Neben der Kraft FF^EM, bedingt durch die elektrische Maschine 23, wirkt mit der mechanischen Bremskraft F _Br.m noch eine weitere Kraft auf die Antriebsräder. Zusammen bilden sie die Radkraft F _Rad . Mit der Radkraft und der Steigung a der Fahrbahn lässt sich mit der Längsdynamik auf die Fahrzeuggeschwindigkeit v sowie auf den zurückgelegten Weg s schließen. Die elektrische Antriebsleistung PEM wird mit durch den Inverter in die Inverterleistung Pm _v transformiert.

Mit Hilfe des Modells 32 lässt sich die Fahrzeuggeschwindigkeit v ^v für das gegebene Steigungsprofil a ^v bei einem Drehmoment M ^V EM der elektrischen Maschine sowie einer mechanischen Bremskraft F _m für den definierten Prädiktionshorizont vorherbestimmen. Zur Ermittlung des optimalen Drehmoments M ^W EM und der optimalen mechanischen Bremskraft F^ _Br.m wird ein Gütefunktional in allen Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts ausgewertet, das als Zielkriterium (vorstehend als zweites Zielkriterium bezeichnet) eine Abweichung der berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit v ^v von der vorab geplanten, optimalen Fahrzeuggeschwindigkeit v ^w bewertet.

Gleichzeitig müssen die optimalen Eingangs- und Zustandsgrößen folgende Beschränkungen in allen Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts erfüllen:

- die Begrenzung des maximalen motorischen / generatorischen Drehmoments wird eingehalten (M _E M, _g en,max ^ MEM ^ M _E M,mot,max, vgl. Figur 2, Abbildung A);

- die Begrenzung der maximalen mechanischen Bremskraft wird eingehalten (0 < F _Br.m ^

FBr,m,max) ; Und die Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit (basierend auf der Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit v ) wird eingehalten (v < v _max ). Bei einer Änderung der Randbedingungen werden die Parameter dieser Beschränkungen sowie weitere Modellparameter mit Hilfe der Adaptionsparameter P ^S _P EM angepasst. Sind die optimalen Eingangsgrößen für das Drehmoment M ^V *EM sowie für die mechanische Bremskraft F^ _Br.m ermittelt, so werden jeweils die ersten Werte des optimalen Vektors M*EM und F _m dem System übergeben.

Zum Ladezustandsregler 3:

Der Ladezustandsregler 3 empfängt eingangsseitig folgende Daten: Der vom Geschwindigkeitsregler 2 berechnete optimale Verlauf der Leistung des Inverters P ^v *i _nv , der vom Planungsmodul 1 berechnete optimale Verlauf des Ladezustands SoC ^v *, den aktuellen Ladezustand SoC, sowie den Adaptionsparameter P ^S _P EM (der vorstehend bereits beschrieben wurde). Der aktuelle Ladezustand SoC wird als Regelgröße 15 rückgeführt.

Ausgangsseitig gibt der Ladezustandsregler 3 folgende Daten aus: der prädizierte Verlauf der optimalen Leistung P ^W B _Z der Brennstoffzelle 26 und der prädizierte Verlauf der optimalen Leistung P^B _WS * des Bremswiderstands 28.

Hierzu wird von dem Ladezustandsregler 3 wiederum eine modellprädiktive Regelung angewendet. Basierend auf dem aktuellen Ladezustand SoC der Batterie werden in diesem Funktionsblock 3 unter Berücksichtigung der Inverterleistung P ^v *m _v sowie des Ladezustands SoC''* die optimalen Größen für einen Prädiktionshorizont ermittelt. Die optimalen Größen sind die Brennstoffzellenleistung P ^W BZ und die Bremswiderstandsleistung P^B _WS . Der Prädiktionshorizont wird mit der Länge N _P EM und der Schrittweite T _P EM definiert. Die jeweiligen Prädiktionshorizonte und Schrittweiten für die drei Module 1 , 2 und 3 können unterschiedlich gewählt sein. Dabei darf die maximale Länge N _P EM des Prädiktionshorizonts nicht die Länge N _P GR überschreiten. Für die modellprädiktive Regelung des Ladezustandsreglers 3 wird ein Modell verwendet das in Figur 12 illustriert ist.

Aus dem Modell in Figur 12 resultieren der Zustand des Ladezustands SoC der Hochvolt- Batterie 27 sowie die folgenden Eingangsgrößen für diese Anwendung: die Leistung der Brennstoffzelle PB _Z und die Leistung des Bremswiderstands PBWS.

In dem Modell 33 der Figur 12 wird die Inverterleistung Pm _v für die elektrische Maschine 23 vorgegeben. Dabei handelt es sich um die Leistung, die durch die Komponenten im HVZK 25 aufgenommen bzw. abgegeben werden muss. Durch die Addition der Leistungen von Inverterleistung Pm _v , Bremswiderstandsleistung PBWS, Nebenaggregatsleistung PNA sowie der Brennstoffzellenleistung PBZ werden die Komponenten im HVZK 25 verknüpft, wodurch die Anforderung A (wie in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert) erfüllt wird. Ist die Summe dieser Leistung ungleich Null wird diese von der Hochvolt-Batterie 27 abgegeben bzw. aufgenommen. Eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 26 bewirkt außerdem einen Wasserstoffverbrauch rfi _H 2. Während die Brennstoffzellenleistung PBZ sowie die Bremswiderstandsleistung PBWS vorgegeben werden, wird die Nebenaggregatsleistung PNA durch die dynamische Adaption angepasst.

Mit Hilfe des Modells lässt sich der Ladezustand SoC ^v der Batterie bei einer gegebenen Inverterleistung P ^w i _nv , einer Brennstoffzellenleistung P ^V BZ sowie einer Bremswiderstandsleistung P ^V BWS für einen definierten Horizont prädizieren. In diesem Sinne kann von einem prädiktiven Energiemanagement gesprochen werden. Zur Ermittlung der optimalen Brennstoffzellenleistung P ^W _BZ und der optimalen Bremswiderstandsleistung P^ _BWS wird folgendes Gütefunktional mit folgenden Zielkriterien (vorstehend als dritte Zielkriterien bezeichnet) in allen Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts ausgewertet: einen Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle, einen Arbeitsbereich der Brennstoffzelle, eine elektrische Leistung des Bremswiderstands, und eine Abweichung des Ladezustands der Hochvolt-Batterie vom optimalen Ladezustand der Hochvolt-Batterie am Ende des Prädiktionshorizonts der modellprädiktiven Regelung des Ladezustands.

Gleichzeitig müssen die optimalen Eingangs- und Zustandsgrößen folgende Beschränkungen in allen Zeitpunkten des Prädiktionshorizonts erfüllen:

- die Begrenzung der maximalen Brennstoffzellenleistung, hier ohne Temperatureinfluss, wird eingehalten (0 < P _B z ^ PBZ, max);

- die Begrenzung des Leistungsgradienten der Brennstoffzelle wird eingehalten (ÄP _B z. _min ^ DRBZ 2 ÄPßZ.max);

- die Begrenzung der maximalen Lade- / Entladeleistung der Batterie, hier ohne Temperatureinfluss, wird eingehalten (P _{Bat, laden, max} ^ Pßat ^ Pßat, entladen, max);

- die Begrenzung der Ladezustandsgrenzen der Batterie wird eingehalten (SoC _min ^ SoC < SoCmax),

- die Begrenzung der maximalen Bremswiderstandsleistung wird eingehalten (0 < PBWS ^

PßWS.max); - der gleichzeitige Einsatz von Brennstoffzelle und Bremswiderstand ist ineffizient und soll vermieden werden: (PBZ X PBWS = 0).

Bei einer Änderung der Randbedingungen werden die Parameter dieser Beschränkungen sowie weitere Modellparameter mit Hilfe der Adaptionsparameter P ^S _P EM angepasst. Sind die optimalen Eingangsgrößen für die Brennstoffzellenleistung P ^W BZ sowie für die Bremswiderstandsleistung P^BWS ermittelt, werden jeweils die ersten Werte des optimalen Vektors P*BZ und P*BWS dem System übergeben.

Zur dynamischen Adaption 4:

Das Modul zur dynamischen Adaption 4 empfängt als Eingangsdaten 16 einen Sammelvektor y ^s , der Werte zum Zeitpunkt t, verschiedener Fahrzeuggrößen zusammenfasst, die für die dynamische Adaption verwendet werden. Ausgangsseitig werden die Adaptionsparameter P ^S PGR und p ^s _P EM ausgegeben, die vorstehend bereits beschrieben wurden.

Während des Betriebs des Fahrzeugs 20 können sich die Randbedingungen der in Figur 1 gezeigten Komponenten des Fahrzeugs 20 ändern. Damit diese auch in den modellprädiktiven Regelungen der Module 2 und 3 berücksichtigt werden können, können diese Änderungen optional ermittelt und die Parameter der modellprädiktiven Regelung entsprechend angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt die dynamische Adaption 4. Basierend auf den Fahrzeuggrößen y ^s werden insbesondere die Grenzwerte der Beschränkungen der beiden modellprädiktiven Regler 2 und 3 adaptiert. Darüber hinaus werden auch die aktuellen Leistungen der Nebenaggregate im HVZK 25 berücksichtigt. Im Folgenden werden die beispielhaften Randbedingungen, die angepasst werden können, aufgezeigt und die mögliche Ursache für die Änderung erläutert.

Adaptiert werden können die folgenden Größen:

- M _EM .min / M _EM, m _aX : Mögliche Gründe für die Adaption: Derating der elektrischen Maschine 23 und/oder des Inverters 22, ein Feldschwächebereich ab der Nenndrehzahl, die Leistung, die der Zwischenkreis 25 aufnehmen / abgeben kann beträgt weniger als die elektrische Maschine 23 umsetzen könnte;

- P _ß z.m _ax : Mögliche Gründe für die Adaption: Derating im Brennstoffzellensystem, aufgrund der bereits absolvierten Betriebsstunden kann das System nicht mehr die volle Leistung abrufen; - DR _Bz,ipίh / DRBZ _,GTIQC : Mögliche Gründe für die Adaption: eine Anpassung, um die Systemalterung zu beeinflussen;

- Pßat, laden, max / Pßat, entladen, maxi Mögliche Gründe für die Adaption: Derating der Batterie, eine Änderung des Ladezustands SoC, eine Anpassung, um die Systemalterung zu beeinflussen;

- P _ß ws. _max : Mögliche Gründe für die Adaption: Derating des Bremswiderstands

- PNA: Mögliche Gründe für die Adaption: Zur Berücksichtigung der aktuell benötigten Nebenaggregatsleistung

- Optional weitere veränderliche Modellparameter, wie z. B. die Fahrzeugmasse m.

Abschließend werden noch beispielhaft die in den Figuren 10 bis 12 verwendeten Teilmodelle bzw. Modellkomponenten bzw. Wrkzusammenhänge erläutert. Hierzu wird kurz auf einen Zusammenhang zwischen den Ein- und Ausgangsgrößen sowie ggf. den Zuständen des jeweiligen (Teil-)Modells hergestellt. Die mathematische Beschreibung ist nicht eindeutig. In Abhängigkeit des jeweiligen realen Systems sind unterschiedliche mathematische Beschreibungen bei identischen Ein-/Ausgangsgrößen möglich. Im Folgenden wird jeweils eine mögliche Ausprägungsform des betrachteten Models dargestellt und mögliche naheliegende Variationen erläutert.

Die in den Figuren 10 und 11 gezeigten Modelle 31 und 32 verwenden ein Längsdynamik- Teilmodell, das in den Figuren dort als Längsdynamik bezeichnet ist. Wie aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich ist, verwendet das Längsdynamik-Teilmodell als Eingänge die Steigung a und die Antriebs- bzw. Bremskraft am Rad F _Rad . Als Ausgänge werden die Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Weg s ausgegeben. Die modellierten Zustände sind die Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Weg s.

In der Längsdynamik wird das Fahrzeug als Punktmasse m angenommen. Durch die Summe aller Kräfte, die an der Punktmasse m angreifen, wird die Beschleunigung der Masse m berechnet. Bei den Kräften handelt es sich um die Antriebs-bzw. Bremskraft am Rad F _Rad , den Luftwiderstand, den Steigungswiderstand, der durch die Steigung a bestimmt wird sowie um den Rollwiderstand. Von der Beschleunigung lässt sich auf die Geschwindigkeit v sowie auf den Weg s schließen.

Die in den Figuren 10 und 11 gezeigten Modelle 31 und 32 verwenden ferner ein Teilmodell, das in den Figuren dort als mechanischer Antriebsstrang bezeichnet ist. Wie aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich ist, verwendet dieses Teilmodell als Eingänge die Fahrzeuggeschwindigkeit v und das Drehmoment der elektrischen Maschine MEM. Als Ausgänge werden die Antriebs- bzw. Bremskraft der elektrischen Maschine am Rad FF^EM und Drehzahl der elektrischen Maschine PEM ausgegeben.

Im Teilmodell mechanischer Antriebsstrang wird zum einen die Fahrzeuggeschwindigkeit v ausgehend von der Radgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der vorhandenen Übersetzungen im Antriebsstrang in eine Drehzahl PEM transformiert. Zum anderen wird aber auch das Drehmoment der elektrischen Maschine MEM unter Verwendung der Übersetzungen sowie der Wirkungsgrade in eine Antriebs- bzw. Bremskraft am Rad umgerechnet. Die Wrkungsgrade können sowohl als konstante Größe aber auch als Funktion umgesetzt werden.

Die in den Figuren 10 und 11 gezeigten Modelle 31 und 32 verwenden ferner ein Teilmodell zur Modellierung der elektrischen Maschine 23 dort als elektrische Maschine bezeichnet.

Wie aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich ist, verwendet dieses Teilmodell als Eingangsgrößen die Drehzahl PEM der elektrischen Maschine 23 und das Drehmoment MEM der elektrischen Maschine und gibt ausgangsseitig die elektrische Leistung PEM der elektrischen Maschine 23 aus.

Ausgehend von der Drehzahl PEM und dem Drehmoment MEM wird zunächst die mechanische Leistung der elektrischen Maschine 23 berechnet. Auf die elektrische Leistung PEM wird unter Verwendung des Wrkungsgrads geschlossen. Dieser kann sowohl als konstant aber auch als abhängig von der Leistung berücksichtigt werden.

Die in den Figuren 10 und 11 gezeigten Modelle 31 und 32 verwenden ferner ein Teilmodell zur Modellierung des Inverters 22, dort als Inverter bezeichnet.

Wie aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich ist, verwendet dieses T eilmodell als Eingangsgröße die elektrische Leistung PEM der elektrischen Maschine 23 und gibt ausgangsseitig die elektrische Leistung Pm _v des Inverters 22 aus.

Die Verluste, die im Inverter entstehen, werden in Form eines Wrkungsgrads eingebracht. Dieser kann sowohl als konstant aber auch als abhängig von der Leistung berücksichtigt werden. Mit dem Wirkungsgrad lässt sich ausgehend von der elektrischen Maschinenleistung PEM die Inverterleistung Pm _v berechnen. Das in der Figur 12 gezeigte Modell 33 verwendet ein Teilmodell zur Modellierung der Hochvolt-Batterie 27, dort als Batterie bezeichnet. Wie aus Figur 12 ersichtlich ist, verwendet dieses Teilmodell als Eingangsgröße die Lade- bzw. Entladeleistung P _ßat der H och volt- Batterie 27 und gibt ausgangsseitig den Ladezustand SoC der Hochvolt-Batterie 27 aus.

Um das Verhalten der Hoch volt- Batterie 27 darzustellen, wird zunächst das Verhalten einer Zelle abgebildet. Dieses Verhalten wird in dieser Anwendung durch einen Innenwiderstand sowie durch eine Ruhespannungskennlinie angenähert. Die Ruhespannungskennlinie stellt die Lade- / Entladekennlinie der Zelle dar (vgl. Figur 3, Abbildung A) und beschreibt, über welche Spannung die Zelle bei einem Ladezustand verfügt. Diese kann sowohl linear aber auch mit einem Polynom höheren Grades angenähert werden. Mit dem Innenwiderstand und der Ruhespannungskennlinie kann ausgehend von einer anliegenden Leistung der Strom in der Zelle bestimmt werden. Durch Integration des Stroms sowie der Berücksichtigung der Nennkapazität lässt sich auf den neuen Ladezustand der Zelle schließen. Mit der Anzahl der Zellen sowie der Verschaltungsart wird das Verhalten einer Zelle auf die Hochvolt-Batterie 27 übertragen. Darüber hinaus können für die Zelle auch Modelle verwendet werden, die das Zellverhalten durch weitere Serienwiderstände in Kombination mit einer parallelen Kapazität annähern.

Das in der Figur 12 gezeigte Modell 33 verwendet ferner ein Teilmodell zur Modellierung der Brennstoffzelle 26, dort als Brennstoffzelle bezeichnet. Wie aus Figur 12 ersichtlich ist, verwendet dieses Teilmodell als Eingangsgröße die Brennstoffzellenleistung PBZ und gibt ausgangsseitig den Wasserstoffverbrauch rfi _H 2 aus.

Analog zur Batterie wird in dem Brennstoffzellenmodell zunächst das Verhalten einer Zelle selbst abgebildet. Dieses besteht aus einer Spannungskennlinie sowie einem Innenwiderstand. Die Spannungskennlinie gibt die Spannung für einen Strom bzw. eine Stromdichte an. Für die Annäherung der Spannungskennlinie gibt es mehrere Möglichkeiten, z. B. linear oder mit einem Polynom höheren Grades. Mit der Anzahl der verwendeten Zellen wird die Gesamtleistung des Systems bestimmt. Dadurch, dass für den Reaktionsprozess aus Wasserstoff und Sauerstoff weitere Nebenaggregate im Brennstoffzellensystem, wie z. B. Wasserstoffgebläse, Kompressor, Lüfter, DC / DC oder Kühlmittelpumpe notwendig sind, müssen diese gegebenenfalls in der Leistungsbilanz mitberücksichtigt werden. Die Leistung der Nebenaggregate ist wiederum abhängig davon, wie viel Leistung das Brennstoffzellensystem in den HVZK abgeben soll. Deshalb muss die Brennstoffzelle einen höheren Strom aufwenden als sie tatsächlich in den HVZK abgibt. Ausgehend von diesem Strom, der Anzahl der im Reaktionsprozess ausgetauschten Elektronen, der Faraday- Konstante sowie der molaren Masse des Wasserstoffs lässt sich auf den Wasserstoffverbrauch schließen.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.

Bezugszeichenliste

1 Planungsmodul

2 Geschwindigkeitsregler

3 Ladezustandsregler

4 Dynamische Adaption

5 Eingangsdaten Planungsmodul, z. B.: SoCo, vo, Streckendaten

6 Eingangsdaten Geschwindigkeitsregler, z. B. Streckendaten

7 Eingangsdaten Geschwindigkeitsregler (aus Planungsmodul)

8 Eingangsdaten Ladezustandsregler (aus Planungsmodul)

9 Eingangsdaten Ladezustandsregler (aus Geschwindigkeitsregler)

10 Ausgangsdaten Geschwindigkeitsregler

11 Ausgangsdaten Ladezustandsregler

12 Rückführung der Geschwindigkeit (Regelgröße)

13 Adaptionsparameter für Geschwindigkeitsregler

14 Adaptionsparameter für Ladezustandsregler

15 Rückführung des Ladezustands (Regelgröße)

16 Eingangsdaten (Fahrzeugdaten) für dynamische Adaption

20 Fahrzeug, z. B.: Brennstoffzellen-Fahrzeug

21 Elektrische Antriebseinheit

22 Inverter

23 Elektrische Maschine

24 Mechanischer Antriebsstrang inkl. Antriebsachse

25 Hochvoltzwischenkreis

26 Brennstoffzelle

27 Hochvolt-Batterie

28 Bremswiderstand

29 Nebenaggregate

30 Vorausliegender Streckenabschnitt

31 Modell für Planungsmodul/ für Planung der Betriebsstrategie

32 Modell für Geschwindigkeitsregler/ für prädiktive Geschwindigkeitsregelung

33 Modell für Ladezustandsregler/ für prädiktives Energiemanagement

100 Vorrichtung zur Bestimmung einer Betriebsstrategie a Steigung der Fahrbahn m Fahrzeugmasse rri _H2 Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle

P _EM Drehzahl der elektrischen Maschine p ^s _PEM Vektor mit Parametern für prädiktives Energiemanagement

P ^S PGR Vektor mit Parametern für prädiktive Geschwindigkeitsregelung s Zurückgelegter Weg v Fahrzeuggeschwindigkeit

V _max Maximal zulässige Fahrzeuggeschwindigkeit y ^s Vektor mit Ausgangsgrößen des Fahrzeugs

F _Br.m Bremskraft der mechanischen Betriebsbremse

FRad Radkraft

F _{Rad, EM} Radkraft verursacht durch die elektrische Maschine

MEM Drehmoment der elektrischen Maschine

N _ßst Länge des Prädiktionshorizonts für die Planung der Betriebsstrategie

N _P EM Länge des Prädiktionshorizonts für das prädiktive Energiemanagement

N _P GR Länge des Prädiktionshorizonts für die prädiktive Geschwindigkeitsregelung

P _ßat Elektrische Leistung der Batterie

PBWS Elektrische Leistung des Bremswiderstands

PBZ Elektrische Leistung der Brennstoffzelle

PEM Elektrische Leistung der elektrischen Maschine

Pi _nv Elektrische Leistung des Inverters der elektrischen Maschine

PNA Elektrische Leistung der Nebenaggregate

SoC Ladezustand der Batterie (State of Charge)

Te _st Schrittweite der Planung der Betriebsstrategie

T _pGR Schrittweite der prädiktiven Geschwindigkeitsregelung

T _pEM Schrittweite des prädiktiven Energiemanagements