AT524963B1

AT524963B1 - Control method for a flatness-based control of at least one output variable of a fuel cell system

Info

Publication number: AT524963B1
Application number: ATA50341/2021A
Authority: AT
Inventors: Ritzberger Dipl -Ing Dr Daniel; Trojer Dipl -Ing Stefan
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2023-02-15
Also published as: AT524963A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine flachheitsbasierte Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße (AG) eines Brennstoffzellensystems (100) auf Basis wenigstens einer Eingangsgröße (EG) des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die folgenden Schritte: - Empfangen wenigstens einer Soll-Ausgangsgröße (SAG) für das Brennstoffzellensystem (100), - Bestimmen wenigstens einer Soll-Eingangsgröße (SEG) auf Basis der vorgegebenen, wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße (SAG) mittels eines modellierten Systemzusammenhangs (MS) auf Basis eines flachen Systems, - Vorgeben der bestimmten wenigstens einen Soll-Eingangsgröße (SEG) für ein Stellmittel (112) einer Stellvorrichtung (110) des Brennstoffzellensystems (100), wobei auf Basis der vorgegebenen, wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße (SAG) mittels einem Kontrollmodul (120) eine Bestimmung wenigstens einer Soll-Eingangsgröße (SEG) auf Basis eines klassischen Kontrollzusammenhangs (KK) erfolgt, wobei die auf diese Weise erzeugte Soll-Eingangsgröße (SEG) mit der durch den modellierten Systemzusammenhang (MS) erzeugten Soll-Eingangsgröße (SEG) als Vorsteuerung kombiniert wirdThe present invention relates to a control method for a flatness-based control of at least one output variable (AG) of a fuel cell system (100) based on at least one input variable (EG) of the fuel cell system (100), having the following steps: - Receiving at least one target output variable (SAG) for the fuel cell system (100) -Input variable (SEG) for an actuating means (112) of an actuating device (110) of the fuel cell system (100), wherein on the basis of the specified at least one target output variable (SAG) a control module (120) determines at least one target input variable ( SEG) based on a classic control context (KK), whereby the in this way generated target input variable (SEG) is combined with the target input variable (SEG) generated by the modeled system context (MS) as pre-control

Description

KONTROLLVERFAHREN FÜR EINE FLACHHEITSBASIERTE KONTROLLE WENIGSTENS EINER AUSGANGSGROÖBßE EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS CONTROL METHOD FOR A FLATNESS-BASED CONTROL OF AT LEAST ONE OUTPUT SIZE OF A FUEL CELL SYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine flachheitsbasierte Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße eines Brennstoffzellensystems, eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens. The present invention relates to a control method for flatness-based control of at least one output variable of a fuel cell system, a control device for carrying out such a control method and a computer program product for carrying out such a control method.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eine Regelung benötigen und/oder mit Kontrollverfahren betrieben werden, um Ausgangsgrößen und/oder Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems zu kontrollieren und/oder zu regeln, insbesondere zu regeln. Im Sinne einer Kontrolle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Regelung und/oder eine Steuerung zu verstehen. Bekannte Kontrollverfahren bei Brennstoffzellensystemen sind so ausgelegt, dass sie versuchen, einen Zusammenhang zwischen der zu kontrollierenden Ausgangsgröße des Brennstoffzellensystems und/oder einer oder mehreren einzustellenden Eingangsgrößen des Brennstoffzellensystems herzustellen. Solche bekannten Kontrollverfahren basieren hierfür beispielsweise auf Kennfeldern oder algorithmischen Zusammenhängen und verwenden klassische Regelungssysteme, beispielsweise in Form eines sogenannten PID-Reglers, um die Regelung der gewünschten Ausgangsgröße durchzuführen. It is known that fuel cell systems require regulation and/or are operated with control methods in order to control output variables and/or operating parameters of the fuel cell system and/or to regulate them, in particular to regulate them. Within the scope of the present invention, a regulation and/or a control is to be understood in the sense of a control. Known control methods for fuel cell systems are designed in such a way that they attempt to establish a relationship between the output variable of the fuel cell system to be controlled and/or one or more input variables of the fuel cell system to be set. For this purpose, such known control methods are based, for example, on characteristic diagrams or algorithmic relationships and use classic control systems, for example in the form of a so-called PID controller, in order to control the desired output variable.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass klassische Regelungen bei komplexen Regelungszusammenhängen sehr langsam reagieren und/oder nur unzureichend deren Komplexität berücksichtigen. Insbesondere dann, wenn mehrere Eingangsgrößen und mehrere Ausgangsgrößen voneinander quer abhängig sind, stößt die klassische Regelungssystematik schnell an ihre qualitativen und quantitativen Grenzen. Bei bekannten Brennstoffzellensystemen werden hierfür entsprechend komplexe Kennfelder benötigt, um trotzdem eine ausreichend hohe Qualität für die Regelung zur Verfügung zu stellen. Dies führt dazu, dass ein hoher Aufwand in der Zurverfügungstellung solcher Kennfelder in Kauf genommen werden müssen. Beispielsweise muss bei den bekannten Kontrollverfahren häufig ein Kompromiss zwischen der Regelungsgeschwindigkeit und der Vermeidung von exzessiver Uberschwingweite getroffen werden. [0003] A disadvantage of the known solutions is that classic controls react very slowly in the case of complex control relationships and/or only insufficiently take their complexity into account. In particular, when several input variables and several output variables are cross-dependent on one another, the classic control system quickly reaches its qualitative and quantitative limits. In the case of known fuel cell systems, correspondingly complex characteristics maps are required for this in order to nevertheless provide a sufficiently high quality for the regulation. As a result, a high level of effort in the provision of such characteristic diagrams must be accepted. For example, with the known control methods, a compromise often has to be made between the control speed and the avoidance of excessive overshoot.

[0004] Weitere Kontrollverfahren sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen DA FONSECA, R., et al. Control of PEMFC system air group using differential flatness approach: Validation by a dynamic fuel cell system model. Applied energy, 2014, 113. Jg., S. 219-229 und DAMOUR, Cedric, et al. A novel non-linear mode)-based control strategy to improve PEMFC water management - The flatness-based approach. International journal of hydrogen energy, 2015, 40. Jg., Nr. 5, S. 2371-2376 bekannt. Other control methods are, for example, from the publications DA FONSECA, R., et al. Control of PEMFC system air group using differential flatness approach: Validation by a dynamic fuel cell system model. Applied energy, 2014, vol. 113, pp. 219-229 and DAMOUR, Cedric, et al. A novel non-linear mode)-based control strategy to improve PEMFC water management - The flatness-based approach. International journal of hydrogen energy, 2015, vol. 40, no. 5, pp. 2371-2376.

[0005] Es ist 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 schnellere und/oder eine genauere Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. It is an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to enable faster and/or more precise control of at least one output variable of the fuel cell system in a cost-effective and simple manner.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst von einem Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a control method having the features of claim 1, a control device having the features of claim 7 and a computer program product having the features of claim 8. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the control method according to the invention naturally also apply in connection with the control device according to the invention and the computer program product according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to mutually.

[0007] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kontrollverfahren vorgeschlagen für eine flachheitsbasierte Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße eines Brennstoffzellensystems auf Basis wenigstens einer Eingangsgröße des Brennstoffzellensystems. Ein solches Kontrollverfah-According to the present invention, a control method is proposed for a flatness-based control of at least one output variable of a fuel cell system on the basis of at least one input variable of the fuel cell system. Such a control

ren weist die folgenden Schritte auf: - Empfangen wenigstens einer Soll-Ausgangsgröße für das Brennstoffzellensystem, ren has the following steps: - receiving at least one target output variable for the fuel cell system,

- Bestimmen wenigstens einer Soll-Eingangsgröße auf Basis der vorgegebenen, wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße mittels eines modellierten Systemzusammenhangs auf Basis eines flachen Systems, - Determination of at least one target input variable based on the specified at least one target output variable by means of a modeled system context based on a flat system,

- Vorgeben der bestimmten wenigstens einen Soll-Eingangsgröße für ein Stellmittel einer Stellvorrichtung des Brennstoffzellensystems. - Specification of the at least one target input variable determined for an actuating means of an actuating device of the fuel cell system.

[0008] Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass das Kontrollverfahren als flachheitsbasierte Kontrolle verwendet wird. Unter einer flachheitsbasierten Kontrolle ist die Verwendung eines modellierten Systemzusammenhangs auf Basis eines flachen Systems zu verstehen. Ein flaches System kann auch als differenziell flaches System bezeichnet werden. Dieses flache System bezieht sich dabei insbesondere auf ein Mehrgrößensystem mit mehreren Ausgangsgrößen und Eingangsgrößen, welches als nichtlineares Mehrgrößensystem ausgebildet ist. Insbesondere ist dieses nichtlineare Mehrgrößensystem zusätzlich dynamisch, wie dies bei einem Brennstoffzellensystem nahezu immer der Fall ist. The core idea of the present invention is based on the fact that the control method is used as a flatness-based control. A flatness-based control means the use of a modeled system context based on a flat system. A flat system can also be called a differentially flat system. This flat system relates in particular to a multi-variable system with a number of output variables and input variables, which is designed as a non-linear multi-variable system. In particular, this nonlinear multivariable system is also dynamic, as is almost always the case with a fuel cell system.

[0009] Ein Kontrollverfahren im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Steuerungsverfahren, bevorzugt ein Vorsteuerungsverfahren („feedforward control“). Eine Kontrollvorrichtung ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Steuerungssystem oder ein Regelsystem. Unter einer Kontrolle ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Regelung zu verstehen. A control method within the meaning of the invention is in particular a control method, preferably a feedforward control method. According to the invention, a control device is in particular a control system or a regulating system. Within the scope of the invention, a check is to be understood in particular as a regulation.

[0010] Ein differenziell flaches System im Sinne der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass alle Eingangsgrößen sowie alle Zustandsgrößen auf Basis aller Ausgangsgrößen ohne Integration des Mehrgrößensystems in direktem Zusammenhang stehen und damit berechenbar sind. Mit anderen Worten erlaubt es ein differenziell flaches System, auf Basis wenigstens einer Ausgangsgröße ohne Integration, alle Eingangsgrößen zu berechnen. Alternativ oder zusätzlich können auf Basis einer oder mehrerer Ausgangsgrößen bei einem differenziell flachen System auch alle Zustandsgrößen ohne Integration des Mehrgrößensystems berechnet werden. Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht also darauf, dass das Kontrollverfahren einen modellierten Systemzusammenhang auf Basis eines solchen differenziell flachen Systems verwendet. Damit steht das erfindungsgemäße Kontrollverfahren im Gegensatz zu den bekannten Kontrollverfahren und der Nutzung von Kennfeldern, wie sie bisher für die Kontrolle von Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden. Vielmehr erlaubt es die erfindungsgemäße Ausgestaltung des modellierten Systemzusammenhangs auf Basis eines differenziell flachen Systems, eine direkte Rück-Berechnung der Eingangsgröße zur Verfügung zu stellen. A differentially flat system within the meaning of the present invention is characterized in that all input variables and all state variables based on all output variables are directly related and can therefore be calculated without integration of the multivariable system. In other words, a differentially flat system allows all input variables to be calculated on the basis of at least one output variable without integration. Alternatively or additionally, all state variables can also be calculated without integrating the multivariable system on the basis of one or more output variables in a differentially flat system. The core idea according to the invention is therefore based on the fact that the control method uses a modeled system context based on such a differentially flat system. The control method according to the invention is thus in contrast to the known control methods and the use of characteristic diagrams, as have been used up to now for the control of fuel cell systems. Rather, the configuration according to the invention of the modeled system context based on a differentially flat system makes it possible to provide a direct recalculation of the input variable.

[0011] Wie in der voranstehenden Erläuterung ersichtlich ist, besteht nun durch die Ausgestaltung des modellierten Systemzusammenhangs auf Basis des flachen Systems eine integrationsfreie Rückberechnungsmöglichkeit von der wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße auf wenigstens eine Soll-Eingangsgröße. Separate Kennfelder Berechnungen physikalischer Zusammenhänge sind hier nicht oder nur zusätzlich notwendig. As can be seen in the above explanation, the design of the modeled system context based on the flat system now allows an integration-free back calculation option from the at least one target output variable to at least one target input variable. Separate maps Calculations of physical relationships are not necessary here, or only additionally.

[0012] Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren startet damit, dass wenigstens eine Soll-Ausgangsgröße des Brennstoffzellensystems empfangen wird. Der Empfang kann separat von einem anderen Teilbereich eines Kontrollmoduls vorgegeben werden und beispielsweise einen gewünschten Massenstrom in einem Luft-Teilsystem des Brennstoffzellensystems darstellen. Auch ein Gegendruck eines Gegendruckventils in einem solchen Luft-Teilsystem kann zusätzlich oder alternativ eine Soll-Ausgangsgröße darstellen. Während bei bekannten Lösungen nun eine Querbeeinflussung zwischen dem Massenstrom und einem solchen Gegendruck am Gegendruckventil zu einem hohen Aufwand in dem zugehörigen Kontrollverfahren führte, ist es durch die flachheitsbasierte Kontrollmöglichkeit bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren nun möglich, dass eine direkte Bestimmung wenigstens einer Soll-Eingangsgröße auf Basis dieser vorgegebenen Soll-Ausgangsgrößen zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere dann, wenn zwei oder mehr Soll-Ausgangsgrößen separat und unabhängig voneinander geregelt werden sollen, diese sich aber gegenseitig bei Variation verändern und beeinflussen, bringt ein erfindungsgemäßes A control method according to the invention starts with the fact that at least one target output variable of the fuel cell system is received. The reception can be specified separately from another sub-area of a control module and, for example, represent a desired mass flow in an air sub-system of the fuel cell system. A back pressure of a back pressure valve in such an air subsystem can additionally or alternatively represent a target output variable. While in known solutions a cross-influencing between the mass flow and such a counter-pressure at the counter-pressure valve led to a great deal of effort in the associated control method, it is now possible, thanks to the flatness-based control option in a control method according to the invention, for a direct determination of at least one target input variable on the basis of these specified target output variables is made available. In particular, when two or more setpoint output variables are to be regulated separately and independently of one another, but these change and influence one another when they vary, a

Kontrollverfahren damit sehr große Vorteile mit sich. Die Vorteile bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zielen dabei insbesondere auf eine qualitativ bessere Kontrolle, also auf eine Reduktion eines Kontrollfehlers oder einer Kontrollschwingung, ab. Darüber hinaus ist die Kontrollgeschwindigkeit, also die Zeitspanne, die benötigt wird, bis die gewünschte Soll-Ausgangsgröße als Ist-Ausgangsgröße erreicht worden ist, verbessert. Control procedures with it very big advantages. The advantages of a control method according to the invention are aimed in particular at a qualitatively better control, ie at a reduction in a control error or a control oscillation. In addition, the control speed, ie the period of time that is required until the desired target output variable has been achieved as the actual output variable, is improved.

[0013] Sobald ein oder mehrere Soll-Eingangsgrößen bestimmt worden sind, werden diese im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens einem oder mehreren Stellmitteln von Stellvorrichtungen zur Verfügung gestellt. Soll beispielsweise der Gegendruck an einem Gegendruckventil in einem Luft-Teilsystem eines Brennstoffzellensystems kontrolliert werden, so kann ein Stellmittel einen Offnungswinkel eines Gegendruckventils als Soll-Eingangsgröße vorgeben. Bei einer Kontrolle des Massenstroms an Luft durch das Luft-Teilsystem ist beispielsweise eine Variation der Bestromung und damit der Drehzahl eines Kompressors für das Luft-Teilsystem im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. As soon as one or more target input variables have been determined, they are made available to one or more adjusting means of adjusting devices in the third step of the control method according to the invention. If, for example, the back pressure at a back pressure valve in an air subsystem of a fuel cell system is to be controlled, an adjusting means can specify an opening angle of a back pressure valve as a setpoint input variable. When controlling the mass flow of air through the air subsystem, for example, a variation of the current flow and thus the speed of a compressor for the air subsystem is conceivable within the scope of the present invention.

[0014] Es ist vorgesehen, dass bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren auf Basis der vorgegebenen, wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße mittels einem Kontrollmodul eine Bestimmung wenigstens einer Soll-Eingangsgröße auf Basis eines klassischen Kontrollzusammenhangs erfolgt, wobei die auf diese Weise erzeugte Soll-Eingangsgröße mit der durch den modellierten Systemzusammenhang erzeugten Soll-Eingangsgröße als Vorsteuerung kombiniert wird. Das erfindungsgemäße Kontrollverfahren kombiniert also den modellierten Systemzusammenhang im Rahmen einer Vorsteuerung mit einem klassischen Kontrollzusammenhang, wie er beispielsweise durch einen PID-Regler gewährleistet werden kann. Dies führt zu einer regelungstechnischen Überlagerung eines klassischen Kontrollzusammenhangs und eines Systemzusammenhangs basierend auf einem differenziell flachen System. Die Vorteile der jeweiligen Regelungstechnik können dabei kombiniert werden und insbesondere die Qualität und Genauigkeit der Kontrolle sowie deren Geschwindigkeit noch weiter verbessert werden. In a control method according to the invention, at least one target input variable is determined by means of a control module on the basis of the specified, at least one target output variable on the basis of a classic control context, with the target input variable generated in this way being compared with the is combined as a pre-control generated by the modeled system context target input variable. The control method according to the invention thus combines the modeled system context within the scope of a pre-control with a classic control context, such as can be guaranteed by a PID controller, for example. This leads to a control engineering overlay of a classic control context and a system context based on a differentially flat system. The advantages of the respective control technology can be combined and in particular the quality and accuracy of the control as well as its speed can be further improved.

[0015] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren durch die Kombination mit dem klassischen Kontrollzusammenhang Ungenauigkeiten des modellierten Systemzusammenhangs ausgeglichen werden. Die Kombination der beiden Systeme vermeidet dabei insbesondere ein unerwünschtes Schwingungsverhalten des klassischen Kontrollzusammenhangs und kombiniert dies mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit des modellierten Systemzusammenhangs. Insbesondere ist es möglich, entsprechende Kontrollbarameter des klassischen Kontrollzusammenhangs und/oder des modellierten Systemzusammenhangs an die Qualität dieser Kombination anzupassen und das gesamte Kontrollergebnis auf diese Weise weiter zu optimieren. It is also advantageous if inaccuracies in the modeled system context are compensated for in a control method according to the invention through the combination with the classic control context. In particular, the combination of the two systems avoids an undesired oscillation behavior of the classic control context and combines this with a high reaction speed of the modeled system context. In particular, it is possible to adapt corresponding control barometers of the classic control context and/or the modeled system context to the quality of this combination and in this way to further optimize the overall control result.

[0016] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren dieses für die Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße eines Luft-Teilsystems des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Während ein erfindungsgemäßes Kontrollsystem grundsätzlich für alle Ausgangsgrößen und alle Eingangsgrößen eines Brennstoffzellensystems die bereits erläuterten Vorteile mit sich bringen kann, so gilt dies im besonderen Maße für die Ausgangsgrößen eines Luft-Teilsystems. Diese sind insbesondere abhängig von anderen Ausgangsgrößen und bringen damit eine Querbeeinflussung mit sich, die bei einer klassisch angewendeten Regelungstechnik nur ein geringes Maß an Kontrollqualität mit sich bringen würde. Eine separate und unabhängige Kontrolle der einzelnen Ausgangsgrößen eines Luft-Teilsystems ist mit den bisherigen Lösungen nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. [0016] It also has advantages if, in a control method according to the invention, this is used to control at least one output variable of an air subsystem of the fuel cell system. While a control system according to the invention can in principle provide the advantages already explained for all output variables and all input variables of a fuel cell system, this applies in particular to the output variables of an air subsystem. In particular, these are dependent on other output variables and thus bring about a cross-influencing effect that would only entail a low degree of control quality in the case of conventionally used control technology. A separate and independent control of the individual output variables of an air subsystem is not possible with the previous solutions or only to a very limited extent.

[0017] Bei einem Kontrollverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn als Ausgangsgröße wenigstens eine der folgenden verwendet wird: In a control method according to the preceding paragraph, it can be advantageous if at least one of the following is used as the output variable:

- Massenstrom an Luft, - Druck im Luft-Teilsystem. - mass flow of air, - pressure in the air subsystem.

[0018] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können zwei oder sogar mehr unterschiedliche Ausgangsgrößen auch gemeinsam in einem solchen Kontrollverfahren Verwendung finden. The above list is a non-exhaustive list. Of course, two or even more different output variables can also be used together in such a control method.

[0019] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren als Eingangsgröße wenigstens eine der folgenden verwendet wird: It is also advantageous if at least one of the following is used as an input variable in a control method according to the invention:

- Drehzahl einer Kompressorvorrichtung des Luft-Teilsystems, - Öffnungswinkel eines Gegendruckventils des Luft-Teilsystems. - rotational speed of a compressor device of the air subsystem, - opening angle of a back pressure valve of the air subsystem.

[0020] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch hier ist es wieder möglich, zwei oder mehr Eingangsgrößen kombiniert in einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren einzusetzen. Auch ist es denkbar, dass eine größere Anzahl von Eingangsgrößen mit einer geringeren Anzahl von Ausgangsgrößen oder umgekehrt korreliert ist. The above list is a non-exhaustive list. Again, it is possible to use two or more input variables in combination in a control method according to the invention. It is also conceivable that a larger number of input variables is correlated with a smaller number of output variables or vice versa.

[0021] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren eine Erfassung wenigstens einer Ist-Ausgangsgröße und/oder wenigstens einer Ist-Eingangsgröße erfolgt und bei der Bestimmung der Soll-Eingangsgröße und/oder der Vorgabe der Soll-Eingangsgröße berücksichtigt wird. Auf diese Weise wird es möglich, dass das Kontrollverfahren als Regelungsschleife ausgestaltet ist. Dies kann sowohl bei Varianten mit ausschließlicher Verwendung des modellierten Systemzusammenhangs, aber auch bei einer Variante in Kombination mit einem klassischen Kontrollzusammenhang eingesetzt werden. Mit anderen Worten ist es möglich, die aktuelle Situation des Brennstoffzellensystems und/oder das Ergebnis eines vorangegangenen Regelungsschrittes, beim nächsten Schritt des Kontrollverfahrens zu berücksichtigen. Auch ist es hier möglich, ein selbstlernendes Modell zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere eine Regelung in quantitativer Weise für das Brennstoffzellensystem gewährleistet. It is also advantageous if at least one actual output variable and/or at least one actual input variable is detected in a control method according to the invention and is taken into account when determining the target input variable and/or specifying the target input variable. In this way, it becomes possible for the control method to be designed as a control loop. This can be used both in variants with exclusive use of the modeled system context, but also in a variant in combination with a classic control context. In other words, it is possible to take into account the current situation of the fuel cell system and/or the result of a previous control step in the next step of the control method. It is also possible here to provide a self-learning model which, in particular, ensures quantitative control for the fuel cell system.

[0022] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines Kontrollverfahrens für eine flachheitsbasierte Kontrolle wenigstens einer Ausgangsgröße eines Brennstoffzellensystems auf Basis wenigstens einer Eingangsgröße des Brennstoffzellensystems. Eine solche Kontrollvorrichtung weist ein Empfangsmodul zum Empfangen wenigstens einer Soll-Ausgangsgröße für das Brennstoffzellensystem auf. Weiter ist ein Bestimmungsmodul vorgesehen zum Bestimmen wenigstens einer Soll-Eingangsgröße auf Basis der vorgegebenen, wenigstens einen Soll-Ausgangsgröße mittels eines modellierten Systemzusammenhangs auf Basis eines flachen Systems. Die Kontrollvorrichtung weist darüber hinaus ein Vorgabemodul zum Vorgeben der bestimmten wenigstens einen Soll-Eingangsgröße für ein Stellmittel einer Stellvorrichtung des Brennstoffzellensystems auf. Dabei ist das Empfangsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Vorgabemodul insbesondere für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens ausgebildet. Somit bringt eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind. [0022] Another subject matter of the present invention is a control device for carrying out a control method for a flatness-based control of at least one output variable of a fuel cell system on the basis of at least one input variable of the fuel cell system. Such a control device has a receiving module for receiving at least one target output variable for the fuel cell system. A determination module is also provided for determining at least one target input variable on the basis of the specified at least one target output variable using a modeled system context based on a flat system. The control device also has a specification module for specifying the specific at least one setpoint input variable for an actuating means of an actuating device of the fuel cell system. In this case, the receiving module, the determination module and/or the specification module is designed in particular for the execution of a control method according to the invention. A control device according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a control method according to the invention.

[0023] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, die Schritte eines Kontrollverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind. A further object of the present invention is a computer program product having instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the steps of a control method according to the present invention. A computer program product according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a control method according to the invention.

[0024] 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. Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings.

[0025] Es zeigen schematisch: [0026] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, Schematically: FIG. 1 shows an embodiment of a control device according to the invention,

[0027] Fig. 2 die Anwendung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens in einem Brennstoffzellensystem, 2 shows the use of a control method according to the invention in a fuel cell system,

[0028] Fig. 3 ein schematischer Durchlauf eines Kontrollverfahrens, [0029] Fig. 4 ein schematischer Durchlauf eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens, Fig. 3 shows a schematic run-through of a control method, Fig. 4 shows a schematic run-through of a control method according to the invention,

[0030] Fig. 5 ein schematischer Durchlauf einer weiteren Alternative eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens und [0030] FIG. 5 shows a schematic run through of a further alternative of a control method according to the invention and

[0031] Fig. 6 ein schematischer Durchlauf einer weiteren Alternative eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens. 6 shows a schematic run-through of a further alternative of a control method according to the invention.

[0032] In Figur 1 ist schematisch eine Kontrollvorrichtung 10 dargestellt, welche in der Lage ist, bei einem Brennstoffzellensystem 100 ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren durchzuführen. Die Kontrollvorrichtung 10 ist mit einem Empfangsmodul 20 ausgestattet, welches eine Soll-Ausgangsgröße SAG, beispielsweise von einem, in der Figur 1 nicht dargestellten, Kontrollmodul 120 erhält. So kann beispielsweise ein gewünschter Massenstrom an Luft in einem Luft-Teilsystem 130 des Brennstoffzellensystems 100 als Soll-Ausgangsgröße SAG vorgegeben werden. Auf Basis dieser empfangenen Soll-Ausgangsgröße SAG wird mithilfe eines Bestimmungsmoduls 30 nun eine damit korrelierte Soll-Eingangsgröße SEG auf Basis eines modellierten Systemzusammenhangs MS bestimmt. Diese bestimmte Soll-Eingangsgröße SEG wird abschließend mithilfe des Vorgabemoduls 40 an ein Stellmittel 112 einer zugehörigen Stellvorrichtung 110 übermittelt. In Figure 1, a control device 10 is shown schematically, which is able to carry out a control method according to the invention in a fuel cell system 100. The control device 10 is equipped with a receiving module 20 which receives a desired output variable SAG, for example from a control module 120 not shown in FIG. For example, a desired mass flow of air in an air subsystem 130 of the fuel cell system 100 can be specified as the target output variable SAG. On the basis of this received setpoint output variable SAG, a determination module 30 is now used to determine a setpoint input variable SEG correlated therewith on the basis of a modeled system context MS. This specific setpoint input variable SEG is then transmitted to an actuating means 112 of an associated actuating device 110 with the aid of specification module 40 .

[0033] Um die Abläufe in einer Kontrollvorrichtung 10 gemäß der Figur 1 näher erläutern zu können, zeigt die Figur 2 schematisch einen Teil eines Brennstoffzellensystems 100. Hier ist das Augenmerk auf den Brennstoffzellenstapel 140 gelegt, welcher sich in einen Anodenabschnitt 142 und einen Kathodenabschnitt 144 aufteilt. Für dieses Beispiel ist die Kontrollvorrichtung 10, hier für den Kathodenabschnitt 144 und damit auf das Luft-Teilsystem 130, angewendet. Die Kontrollvorrichtung 10 ist in der Lage, von einer hier nicht dargestellten externen Einheit, beispielsweise einem Kontrollmodul 120, eine Soll-Ausgangsgröße SAG zu erfassen und zu empfangen. Diese wird das erfindungsgemäße Kontrollverfahren durchlaufen, sodass hier entweder eine Soll-Eingangsgröße SEG an eine Kompressorvorrichtung 132 und/oder an ein Gegendruckventil 134 übermittelt wird. Somit kann durch die Variation der Drehzahl der Kompressorvorrichtung 132 sowohl der Massenstrom als auch die Drucksituation für Luft im Luft-Teilsystem 130 variiert werden. In gleicher Weise erlaubt alternativ oder zusätzlich auch eine Variation des Öffnungswinkels des Gegendruckventils 134 eine ähnliche Variation und damit eine zielgenaue Kontrolle des Massenstroms und/oder des Gegendrucks im Luft-Teilsystem 130. Um eine Regelungsschleife zur Verfügung zu stellen, ist hier zusätzlich noch eine schematische Darstellung von Sensoren zu erkennen, welche Eingangsgrößen EG im Zustrom zum Kathodenabschnitt 144 und Ausgangsgrößen AG in dem Abgasabschnitt nach dem Kathodenabschnitt 144 aufnehmen und weiterverarbeiten können. In order to be able to explain the processes in a control device 10 according to FIG. 1 in more detail, FIG splits. The control device 10, here for the cathode section 144 and thus for the air subsystem 130, is used for this example. The control device 10 is able to detect and receive a setpoint output variable SAG from an external unit (not shown here), for example a control module 120 . This is run through by the control method according to the invention, so that either a setpoint input variable SEG is transmitted to a compressor device 132 and/or to a counter-pressure valve 134 . Thus, both the mass flow and the pressure situation for air in the air subsystem 130 can be varied by varying the speed of the compressor device 132 . In the same way, alternatively or additionally, a variation of the opening angle of the back pressure valve 134 also allows a similar variation and thus a precise control of the mass flow and/or the back pressure in the air subsystem 130. In order to provide a control loop, a schematic one is also provided here Representation of sensors to recognize which input variables EG in the inflow to the cathode section 144 and output variables AG in the exhaust gas section after the cathode section 144 can receive and further process.

[0034] Figur 3 zeigt schematisch, wie in diesem Beispiel zwei Soll-Ausgangsgrößen SAG vorgegeben und in einem gemeinsamen modellierten Systemzusammenhang MS der Kontrollvorrichtung 10 verarbeitet werden. Die daraus resultierenden Soll-Eingangsgrößen SEG werden nun an ein oder mehrere Stellvorrichtungen 110 vorgegeben, sodass sich entsprechend Ist-Ausgangsgrößen IAG im Brennstoffzellensystem 100 einstellen. FIG. 3 shows schematically how in this example two setpoint output variables SAG are specified and processed in a common modeled system context MS of the control device 10. The setpoint input variables SEG resulting from this are now specified to one or more adjusting devices 110, so that actual output variables IAG are adjusted accordingly in the fuel cell system 100.

[0035] In der Figur 4 ist der in Figur 3 dargestellte, einfachste Kontrollzusammenhang weiter ergänzt durch eine klassische Regelungssituation. Hier ist nun für jede Soll-Ausgangsgröße SAG zusätzlich ein klassischer Kontrollzusammenhang KK, beispielsweise in Form eines PID-Reglers, zur Verfügung gestellt. Somit wird es möglich, im Nachgang, nachfolgend dem klassischen Kontrollzusammenhang, die beiden Soll-Eingangsgrößen SEG aus dem klassischen Kontrollzusammenhang KK und dem modellierten Systemzusammenhang MS im Rahmen einer Vorsteuerung zu kombinieren und so in optimierter Weise der Stellvorrichtung 110 zur Verfügung zu stellen. Die Kombination verbessert die gesamte Kontrollqualität beim Durchlauf des Kontrollverfahrens weiter. In FIG. 4, the simplest control context shown in FIG. 3 is further supplemented by a classic control situation. A classic control context KK, for example in the form of a PID controller, is now also available here for each target output variable SAG. It is thus possible, following the classic control context, to combine the two setpoint input variables SEG from the classic control context KK and the modeled system context MS as part of a pre-control and thus make them available to the actuating device 110 in an optimized manner. The combination further improves the overall control quality when running the control procedure.

[0036] In der Figur 5 ist eine zusätzliche Weiterbildung zur Ausgestaltungsform der Figur 4 dargestellt. Hier werden nun Ist-Ausgangsgrößen IAG bestimmt und in den Eingangsbereich eines erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich noch vor dem klassischen Kontrollzusammenhang KK, zurückgeführt. Es entsteht also bei Ausführungsform der Figur 5 eine Kontrolle mit einer Klassenregelungsstrecke mit Rückkopplung und zusätzlich integrierter Vorsteuerung mithilfe des modellbasierten Systemzusammenhangs MS. In the figure 5 an additional development to the embodiment of Figure 4 is shown. Actual output variables IAG are now determined here and fed back into the input area of a method according to the invention, namely even before the classic control context KK. In the embodiment of FIG. 5, there is therefore a control with a class control path with feedback and additionally integrated pilot control using the model-based system context MS.

[0037] Abschließend zeigt die Figur 6 noch eine Lösung, welche es erlaubt, in der Mitte des Kontrollverfahrens noch Ist-Eingangsgrößen IEG zu bestimmen, um insbesondere in quantitativer Weise die Kontrolle noch genauer, schneller und exakter ausgestalten zu können. Finally, FIG. 6 shows another solution which allows actual input variables IEG to be determined in the middle of the control process, in order to be able to design the control even more precisely, quickly and precisely, particularly in a quantitative manner.

[0038] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples.

BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST

10 Kontrollvorrichtung 20 Empfangsmodul 30 Bestimmungsmodul 10 control device 20 receiving module 30 destination module

40 Vorgabemodul 40 default module

100 Brennstoffzellensystem 110 Stellvorrichtung 100 fuel cell system 110 actuator

112 Stellmittel 112 setting means

120 Kontrollmodul 120 control module

130 Luft-Teilsystem 130 air subsystem

132 Kompressorvorrichtung 134 Gegendruckventil 132 compressor device 134 back pressure valve

140 Brennstoffzellenstapel 142 Anodenabschnitt 140 fuel cell stack 142 anode section

144 Kathodenabschnitt 144 cathode section

MS modellierter Systemzusammenhang MS modeled system context

KK klassischer Kontrollzusammenhang KK classic control context

EG Eingangsgröße SEG Soll-Eingangsgröße IEG Ist-Eingangsgröße AG Ausgangsgröße SAG Soll-Ausgangsgröße IAG Ist-Ausgangsgröße EG Input variable SEG Target input variable IEG Actual input variable AG Output variable SAG Target output variable IAG Actual output variable

Claims

patent claims

1. Control method for a flatness-based control of at least one output variable (AG) of a fuel cell system (100) based on at least one input variable (EG) of the fuel cell system (100), having the following steps:

- Receiving at least one target output variable (SAG) for the fuel cell system (100),

- Determining at least one target input variable (SEG) based on the specified at least one target output variable (SAG) using a modeled system context (MS) based on a flat system,

- Predetermining the at least one target input variable (SEG) for an adjusting means (112) of an adjusting device (110) of the fuel cell system (100),

characterized in that on the basis of the specified at least one target output variable (SAG) a control module (120) determines at least one target input variable (SEG) on the basis of a classic control context (KK), the target generated in this way -Input variable (SEG) is combined with the target input variable (SEG) generated by the modeled system context (MS) as pre-control.

2, control method according to claim 1, characterized in that inaccuracies in the modeled system context (MS) are compensated for by the combination with the classic control context (KK).

3. Control method according to one of the preceding claims, characterized in that it is used to control at least one output variable (AG) of an air subsystem (130) of the fuel cell system (100).

4. Control method according to claim 3, characterized in that at least one of the following is used as the output variable (AG):

- mass flow of air - pressure in the air subsystem (130)

5. Control method according to one of claims 3 or 4, characterized in that at least one of the following is used as the input variable (EG):

- Speed of a compressor device (132) of the air subsystem (130) - Opening angle of a back pressure valve (134) of the air subsystem (130)

6. Control method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one actual output variable (IAG) and/or at least one actual input variable (IEG) is detected and when determining the target input variable (SEG) and/or the Specification of the target input variable (SEG) is taken into account.

7. Control device (10) for carrying out a control method for a flatness-based control of at least one output variable (AG) of a fuel cell system (100) on the basis of at least one input variable (EG) of the fuel cell system (100), having a receiving module (20) for receiving at least one setpoint - Output variable (SAG) for the fuel cell system (100), a determination module (30) for determining at least one target input variable (SEG) on the basis of the specified, at least one target output variable (SAG) by means of a modeled system context (MS) based on a flat system and a specification module (40) for specifying the determined at least one setpoint input variable (SEG) for an actuating means (112) of an actuating device (110) of the fuel cell system (100), wherein the receiving module (20), the determination module (30) and/or the specification module (40), in particular for the execution of a control method with the features of one of claims 1 to 6 are trained.

8. Computer program product comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to carry out the steps of a control method having the features of one of claims 1 to 6.

6 sheets of drawings