CN111433956A - 通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量 - Google Patents

通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量 Download PDF

Info

Publication number
CN111433956A
CN111433956A CN201880078256.0A CN201880078256A CN111433956A CN 111433956 A CN111433956 A CN 111433956A CN 201880078256 A CN201880078256 A CN 201880078256A CN 111433956 A CN111433956 A CN 111433956A
Authority
CN
China
Prior art keywords
model
value
controlled variable
controlled
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880078256.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111433956B (zh
Inventor
J·坎萨尔
S·亚库贝克
C·库格勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AVL List GmbH filed Critical AVL List GmbH
Publication of CN111433956A publication Critical patent/CN111433956A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111433956B publication Critical patent/CN111433956B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

为了确定燃料电池反应物的受控参量的至少一个实际值，以用于以尽可能小的测量误差进行控制，规定：利用调控单元(3)的模型
Figure DDA0002522118230000011
来计算受控参量模型值
Figure DDA0002522118230000012
利用用于测量传感器(Sn)的传感器模型
Figure DDA0002522118230000013
来计算受控参量实际值的模型值
Figure DDA0002522118230000014
由利用测量传感器(Sn)测量出的受控参量实际值(RGnist)和受控参量实际值的利用传感器模型
Figure DDA0002522118230000015
计算出的模型值
Figure DDA0002522118230000016
来计算用于受控参量(RGn)的校正值(RGcorr)，并且作为所述校正值(RGcorr)与利用调控单元(3)的模型
Figure DDA0002522118230000017
计算出的受控参量模型值
Figure DDA0002522118230000018
的总和来计算所述至少一个受控参量的实际值
Figure DDA0002522118230000019
其中，所述受控参量的实际值
Figure DDA00025221182300000110
也在传感器模型
Figure DDA00025221182300000111
中用于计算受控参量实际值的模型值
Figure DDA00025221182300000112

Description

通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单 元的受控参量
技术领域
本发明的技术方案涉及一种用于确定用于燃料电池反应物的调控单元的至少一个受控参量的实际值的方法，其中，利用测量传感器测量受控参量实际值的测量值；以及一种在用于反应物的调控单元中用于控制燃料电池反应物的受控参量的系统，其中，设有测量传感器，以便测量受控参量实际值的测量值，以及设有控制单元，在所述控制单元中实现有控制器，所述控制器对在受控参量理论值与受控参量实际值之间的偏差进行补偿；以及一种燃料电池反应物的调控单元的受控参量的相应的控制。
背景技术
为了按照规定且高效地运行燃料电池，对所输送的气体(反应物)进行调控、特别是在温度、湿度、压力和质量流量方面的调控起决定性的作用。对反应物的错误的调控可能导致功率损失，或者在最坏的情况下导致燃料电池或燃料电池堆的损坏和破坏。特别是，所输送的反应物(例如氧气、也以所输送的空气的形式)的相对湿度在此在许多燃料电池类型中、例如在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中是重要的参量，必须对所述参量进行精确地控制。
因此，为了能够完全充分利用燃料电池的可能性，需要对反应物的调控装置进行精确地控制。这特别是在燃料电池的瞬态和高动态的运行中与高的耗费相关。在此，(高)动态或瞬态的运行特别是理解为燃料电池的输出参量(电压、电流)的快速改变。这特别是在如下试验台上开发燃料电池时存在问题，在所述试验台上通常希望使燃料电池经受动态的试验运行(按照燃料电池的输出量的改变率、亦或负载的改变率的意义)，以便检查或改善燃料电池的特性。但是，即使在燃料电池(例如在机动车中)的实际运行中，对反应物的调控必须能实现燃料电池的瞬态且高动态地运行。特别是将如此快速的改变理解为动态的，即，动态的系统不是达到稳态的状态，而是在各改变之间的瞬态特性被反映。
为了对反应物的调控进行精确地控制，需要在测量技术上检测经控制的参量的实际参量并将其提供给控制装置。因此，测量基础设施(测量传感器、测量值处理装置、测量值分析装置等)也必须能够检测在瞬态的、高动态的运行中的实际参量，在所述瞬态的、高动态的运行中，测量参量可以在时间上非常迅速并且也非常强烈地改变。据此，对测量基础设施的要求同样高。这还由于用于检测测量值的测量传感器经常本身受到正在改变的物理条件(例如温度、压力、质量流、湿度)的影响而变得困难。因此，仅能受限地或者非常耗费地校准所述测量传感器。此外，在测量值检测中还出现无法避免的死区时间，亦即、测量值不是立即可用的，而是在一定的时间之后才可用。所有这些导致所获得的测量结果失真，因此所获得的测量结果、特别是在瞬态的、高动态的运行中的测量结果没有以足够的精度相应于实际出现的物理测量参量。这降低对燃料电池反应物进行调控的可控制性。在此确定了，特别是对相对湿度的测量涉及该问题。对实际参量的非精确地测量也可能特别是在燃料电池的瞬态的、高动态的运行中导致功率损失或者导致燃料电池的损坏或甚至破坏。
发明内容
因此，本发明的目的是给出一种方法和一种设备，以便以尽可能小的测量误差确定燃料电池反应物的受控参量的至少一个实际值，以便能够在控制受控参量时使用所述实际值。
所述目的通过如下方式实现，即，利用调控单元的模型来计算受控参量模型值，利用用于测量传感器的传感器模型来计算受控参量实际值的模型值，由利用测量传感器测量出的受控参量实际值和受控参量实际值的利用传感器模型计算出的模型值来计算受控参量的校正值，并且将所述至少一个受控参量的实际值计算为所述校正值与利用调控单元的模型计算出的受控参量模型值的总和，其中，所述受控参量的实际值也在传感器模型中用于计算受控参量实际值的模型值。
通过这种方式，能够在确定受控参量实际值时反映测量传感器与环境条件、例如压力、湿度、质量流、温度和因此还有在瞬态特性中的传感器误差的相关性。由此能够校正传感器误差并且提高用于控制的实际值的质量。最大的优点在于，估算实际的测量参量实际值并且因此能够校正稳态的和动态的传感器误差。这特别是在动态的运行中(调控单元(包括测量传感器)不在稳态的状态中)是有利的，因为直到目前是不可能的。在稳态的情况下，传感器误差的校正减少到零点调整和校准。
于是，这样确定的经建模的受控参量实际值能够在燃料电池反应物的调控单元中在受控参量的控制中使用。
附图说明
下面参考图1至3更详细地阐述本发明，各图示例性地、示意性地且非限制性地示出本发明的有利的实施方案。图中：
图1示出用于燃料电池反应物的调控单元，
图2示出对反应物的受控参量的控制，并且
图3示出确定反应物的受控参量的经建模的实际值以用于控制所述受控参量。
具体实施方式
下面参照图1以用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)2的试验台1为例，不限制一般性地阐述本发明。当然，燃料电池2也可以用作在机器或设备中的供电装置或者也可以是其它类型。于是，对此的调控和控制在所述机器或设备中实现。因此，当在下面提及燃料电池2的运行时，对此总是理解为燃料电池2在试验台1上的运行和燃料电池2在机器或设备中的实际运行。在试验台1上通常也仅设置一个燃料电池堆，这按照本发明的意义同样理解为燃料电池2。
在按照图1的示例中，PEMFC燃料电池2设置在试验台1上并且在试验台1上运行。众所周知，燃料电池2包括一个阴极C和一个阳极A，将第一反应气体、例如氧气(也以空气的形式)作为第一反应物输送给所述阴极，将第二反应气体、例如氢气H2作为第二反应物输送给所述阳极。所述两种反应气体在燃料电池2的内部被聚合物膜彼此分隔开。在阴极C与阳极A之间可以量取电压U。燃料电池2的这种基本结构和功能是充分已知的，因此在这里无须对其进行详细探讨。
在调控单元3中调控至少一种反应物、通常是携氧反应物、特别是空气。在所述调控单元3中设定若干个(n≥1)用于调控的受控参量RGn(例如经调控的反应气体的压力p、相对湿度
Figure BDA0002522118210000041
温度T和质量流量
Figure BDA0002522118210000042
)——在图1中，这四个示例性的受控参量RGn在阴极C的输入端上示出。当然，也可以以相同的方式调控在阳极侧上的反应物。“调控”在此意味着，将所述至少一个受控参量RGn的值控制到预定的受控参量理论值RGnsoll，其方式为：控制器R在控制的每个时间步骤中针对至少一个执行器An对于要利用该执行器控制的受控参量RGn计算在执行器An上设定的操纵参量SGn。
因此，为了控制受控参量RGn，在调控单元3中设有相应的执行器An。例如，作为执行器An设有用于润湿反应物的加湿装置4以调整反应物的相对湿度
Figure BDA0002522118210000043
用于对反应物进行调温的调温装置5以调整反应物的温度T、用于控制反应物的质量流量
Figure BDA0002522118210000044
的质量流量控制装置6以及用于控制反应物的压力p的压力控制装置7。
当然，也设有用于所述至少一种反应物的源8，所述源与调控单元3相连接或者同样设置在调控单元3中。所述源8例如是具有压缩的、干燥的反应物(例如空气)的蓄压器。备选地，在使用空气作为气体源8的情况下也可以对环境空气进行处理、例如过滤、压缩、干燥等。
所述调温装置5例如是电加热和冷却装置或热交换器。作为调温装置5也可以使用如在AT 516 385 A1中所描述的装置。
在该实施例中，所述加湿装置4包括水蒸汽发生器9、用于水蒸汽的质量流量控制器10和混合室11。作为用于水蒸汽的质量流量控制器10以及还有作为用于反应物的质量流量控制装置6，可以使用传统的、合适的、市售的、可控制的质量流量控制器。在混合室11中，所述水蒸汽与来自源8的气体混合成用于燃料电池2的经调控的反应物。
当然也可以设想加湿装置4的其它实施方案。例如，可以将水输送(例如喷射)给源8中的气体。
在该示例中，作为压力控制装置7使用在排气侧、亦即在燃料电池2后面的背压阀，所述背压阀通过可控制的开口横截面来调整反应物的压力p。所述背压阀7设置在燃料电池2下游的气体调控单元3中。这能实现对在燃料电池2上游的压力进行控制，因此，所述压力控制装置保持不受在气体调控单元3的其它组件中的可能的压力损失的影响。
在混合腔11之后，反应物位于反应物管路12中，所述反应物管路与燃料电池2、更确切地说与燃料电池2的阴极C或阳极A相连接，因此所述反应物具有所期望的受控参量RGn、例如确定的温度T、确定的相对湿度
Figure BDA0002522118210000051
确定的压力p和/或确定的质量流量
Figure BDA0002522118210000052
然而，调控单元3的借助于图1描述的这种结构仅是示例性的，并且当然可能且可设想的是调控单元3的其它结构以及还有执行器An(在这里加湿装置4、质量流控制装置6、调温装置5和压力控制装置7)的其它具体的实施方式。特别是，也可以在调控单元3中控制反应物的更少或更多或其它的受控参量RGn，由此也可以设有更少或更多或其它的执行器An。
为了能够控制所述至少一个受控参量RGn，如在图1中示出的那样，所属的执行器An、例如加湿装置4、质量流控制装置6、调温装置5和压力控制装置7能通过相应的操纵参量SGn来控制。在此，所述操纵参量SGn由控制单元15计算，在所述控制单元中实现有控制器R，从而使受控参量实际值RGnist遵循预定的理论值RGnsoll。在图1中所示的实施例中，通过用于水蒸汽的质量流量控制器10利用操纵参量uS来控制加湿装置4、利用操纵参量uG来控制质量流量控制装置6、利用操纵参量
Figure BDA0002522118210000061
来控制调温装置5以及利用操纵参量uN来控制压力控制装置7。操纵参量SGn用于操控相应的执行器An并且对执行器An进行设定，以便引起受控参量RGn的期望的改变。
为了控制所述受控参量RGn，也需要受控参量实际值RGnist，以便通过控制器R来补偿在受控参量实际值RGnist与受控参量理论值RGnsoll之间的偏差。如在图2中所示的那样，例如将在受控参量理论值RGnsoll与受控参量实际值RGnist之间的差输送给控制器R，该控制器由此按照所实现的控制律来计算操纵参量SGn，该操纵参量利用所属的执行器An设定在调控单元3中。在此，利用测量传感器Sn来测量所述受控参量实际值RGnist，所述测量传感器当然设置在调控单元3的适合的位置上、例如在反应气体管路12中。在此，所述测量传感器Sn不是必须直接测量受控参量RGn，而是也可以测量代表受控参量RGn的测量值。该测量常常遭受开头所述的限制。因此，为了改善测量受控参量实际值RGnist的质量，按照本发明不是直接使用利用测量传感器Sn检测到的测量值以用于控制，而是使用经校正的测量值，如下面参考图3所阐述的那样。
从调控单元3的合适的模型
Figure BDA0002522118210000062
(向所述模型输送操纵参量SGn)，响应于所述操纵参量SGn计算新的受控参量
Figure BDA0002522118210000063
在此，如果在调控单元3中包含其它执行器An并且所述模型
Figure BDA0002522118210000064
需要所述执行器，则也还可以给模型
Figure BDA0002522118210000065
输送调控单元3的其它操纵参量。同样地，也可以给模型
Figure BDA0002522118210000066
输送调控单元3的所需的测量值m。合适的传感器模型
Figure BDA0002522118210000067
从受控参量RGn中计算用于受控参量RGn的测量值的模型值
Figure BDA0002522118210000068
为此，在需要的情况下也可以给传感器模型
Figure BDA0002522118210000069
提供调控单元3的状态参量x，所述状态参量同样可以在模型
Figure BDA00025221182100000610
中计算。将利用测量传感器Sn检测出的受控参量实际值RGnist和利用传感器模型
Figure BDA00025221182100000611
计算出的模型值
Figure BDA00025221182100000612
输送给校正单元Ω，在该校正单元中计算受控参量RG的校正值RGcorr。将符号正确的校正值RGcorr和在调控单元3的模型
Figure BDA0002522118210000071
中计算出的受控参量
Figure BDA0002522118210000072
的总和用作经建模的用于控制的受控参量实际值
Figure BDA0002522118210000073
将经建模的受控参量实际值
Figure BDA0002522118210000074
也输送给传感器模型
Figure BDA0002522118210000075
以便由此计算受控参量RGn的模型值
Figure BDA0002522118210000076
调控单元3的模型
Figure BDA0002522118210000077
传感器模型
Figure BDA0002522118210000078
和校正单元Ω例如可以作为在控制单元15中的合适的软件实现，但是当然也可以分别单独地或共同地作为合适的硬件和/或软件实现。
检测用于控制的受控参量实际值RGnist的这种方式特别是适合于经调控的反应物的相对湿度
Figure BDA0002522118210000079
但也可以用于其它的受控参量RGn、例如压力p、温度T或质量流量
Figure BDA00025221182100000710
根据图1的调控单元3例如可以通过下面描述的数学物理模型
Figure BDA00025221182100000711
来建模，其中当然也可以使用其它模型、也可以使用经训练的模型。
用于调控单元3的示例性模型
Figure BDA00025221182100000712
如下给出：
从在混合室11中的质量平衡中得出
Figure BDA00025221182100000713
Figure BDA00025221182100000714
其中包含气体的质量mG、到混合室11中的气体的质量流量
Figure BDA00025221182100000715
从混合室11中出来的气体的质量流量
Figure BDA00025221182100000716
到混合室11中的水蒸汽的质量流量
Figure BDA00025221182100000717
以及从混合室11中出来的水蒸汽的质量流量
Figure BDA00025221182100000718
从混合室11中出来的气体和水蒸气的质量流量通过
Figure BDA00025221182100000719
给出，其中包含在调控单元3中的总质量m和气体的质量mG和水蒸气的质量mS以及反应物的质量流量
Figure BDA00025221182100000720
在此，当然必须适用m＝mG+mS。
从调控单元3的能量平衡得出
Figure BDA0002522118210000081
Figure BDA0002522118210000082
在此，U表示内能，并且h表示气体的比焓(在此以及在下文中通过下标G标出)、水蒸气的比焓(在此以及在下文中通过下标S标出)和在混合室11之后的反应物的比焓(在此以及在下文中无下标)，并且ui表示气体和水蒸气的比内能。众所周知，气体的比焓h是在压力恒定的情况下的比热容cp与气体的温度T的乘积。在水蒸汽的情况下，还添加潜热r0。气体的内能ui是在体积恒定的情况下的比热容cv与气体的温度T的乘积。在水蒸汽的情况下，还添加潜热r0。如果将所有情况置入到能量平衡中并且考虑质量平衡，则得到描述调控单元3的温度动态的以下系统方程。
Figure BDA0002522118210000083
从对于理想气体的热力学状态方程中进一步得出
pV＝(mGRG+mSRS)T
其中包含在燃料电池2的输入端上的压力p和温度T。R以已知的方式表示气体的气体常数(下标G)、水蒸汽的气体常数(下标S)或反应物的气体常数(无下标)。在此优选地，体积V不仅表示混合室11的体积，而且表示在调控单元3中的管道的体积。反应物的压力p和质量流量
Figure BDA0002522118210000084
也受背压阀7的显著影响，这可以如下建模。
Figure BDA0002522118210000091
Figure BDA0002522118210000092
其中，A表示背压阀7的开口横截面以及p0表示环境压力。
相对湿度
Figure BDA0002522118210000093
通过如下建模，即，
Figure BDA0002522118210000094
其中，pW(T)表示饱和分压，所述饱和分压例如通过
Figure BDA0002522118210000095
给出。参数pm、C1、C2例如可以由Plant R.S.et al.的“大气对流的参数化(Parameterization ofAtmospheric Convection)”(第一卷，帝国大学出版社，2015年)得到。
附加地，还可以根据操纵参量uS、uG和uN以具有时间常数τ1,τ2,τ3,τ4,的1阶延迟元件的形式对执行器An的动力学进行建模：
Figure BDA0002522118210000096
Figure BDA0002522118210000097
Figure BDA0002522118210000098
Figure BDA0002522118210000099
其中，TG,0和A0是预定的偏移参量。
从上述系统方程看出，存在如下形式的非线性多参量系统(MIMO，多输入多输出multiple input multiple output)
Figure BDA00025221182100000910
RG＝h(x)
其中包含从上述建模中得到的系统函数f(x)、g(x)、h(x)、如下的状态向量x、具有操纵参量SGn的操纵参量向量SG和具有受控参量RGn的受控参量向量RG：
Figure BDA0002522118210000101
为了更好地阐明，在图1中示出这些参量在调控单元3中分别出现在哪里。
校正单元Ω从利用测量传感器Sn测量出的受控参量实际值RGnist与用于受控参量RGn的测量值的利用传感器模型
Figure BDA0002522118210000102
计算出的模型值
Figure BDA0002522118210000103
之间的偏差来计算校正值RGcorr。在最简单的情况下，可以简单地使用所述两个值的差作为校正值RGcorr。但也可以在校正单元Ω中实现控制器、例如PI控制器，所述控制器控制(即向零控制)所述差。然而，也可以在校正单元Ω中应用更复杂的(例如基于模型的)控制方法。
简单的动态传感器模型
Figure BDA0002522118210000104
例如是已知的、简单的1阶延迟元件(PT1元件)，所述延迟元件在反应物的受控参量RGn、例如湿度
Figure BDA0002522118210000105
改变的情况下例如考虑传感器惯性(从测量传感器Sn的数据已知或通过利用测量传感器Sn的测量已知)。此外，还可以考虑在传感器模型
Figure BDA0002522118210000106
中(例如与系统压力p)的耦合。这又不仅可以通过动态模型实现、或者在简单的实施方案中作为静态校正因数或者以综合特性曲线的形式实现。
通过利用动态传感器模型
Figure BDA0002522118210000107
对测量传感器Sn的建模，可以反映测量传感器Sn与环境条件、例如压力、湿度、质量流量、温度的相关性，并且因此也反映在瞬态特性中的传感器误差。对此能够有利的是，在传感器模型
Figure BDA0002522118210000108
中考虑调控单元3的状态参量x。通过校正单元Ω来校正所述传感器误差。因此，特别是也不需要针对所有的环境条件对在调控单元3中的测量传感器Sn进行校准，因为所述传感器误差在计算出的用于控制受控参量RGn的受控参量实际值
Figure BDA0002522118210000111
中被补偿。
此外，可以对动态的传感器模型进行明确的、时间相关的建模。因此，可以一同考虑传感器特性(例如动力学特性)关于时间的变化、即例如老化的影响。

Claims (5)

1.用于确定用于燃料电池(2)的反应物的调控单元(3)的至少一个受控参量(RGn)的实际值的方法，其中，利用测量传感器(Sn)测量受控参量实际值(RGnist)的测量值，其特征在于，利用调控单元(3)的模型
Figure FDA0002522118200000011
来计算受控参量模型值
Figure FDA0002522118200000012
利用用于测量传感器(Sn)的传感器模型
Figure FDA0002522118200000013
来计算受控参量实际值的模型值
Figure FDA0002522118200000014
由利用测量传感器(Sn)测量出的受控参量实际值(RGnist)和受控参量实际值的利用传感器模型
Figure FDA0002522118200000015
计算出的模型值
Figure FDA0002522118200000016
来计算用于受控参量(RGn)的校正值(RGcorr)，并且将所述至少一个受控参量的实际值
Figure FDA0002522118200000017
计算为所述校正值(RGcorr)与利用调控单元(3)的模型
Figure FDA0002522118200000018
计算出的受控参量模型值
Figure FDA0002522118200000019
的总和受控参量，其中，所述受控参量的实际值
Figure FDA00025221182000000110
也在传感器模型
Figure FDA00025221182000000111
中用于计算受控参量实际值的模型值
Figure FDA00025221182000000112
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述调控单元(3)的模型
Figure FDA00025221182000000113
中处理在所述调控单元(3)中所测量的测量参量(m)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用所述调控单元(3)的模型
Figure FDA00025221182000000114
来计算调控单元(3)的在传感器模型
Figure FDA00025221182000000115
中处理的状态参量(x)。
4.燃料电池(2)反应物的调控单元(3)的受控参量(RGn)的控制，其中，利用所述控制对在受控参量理论值(RGNsoll)与受控参量实际值(RGnist)之间的偏差进行补偿，并且为了所述控制，按照权利要求1至3之一来确定所述受控参量实际值(RGnist)。
5.在用于反应物的调控单元(3)中用于控制燃料电池(2)的反应物的受控参量(RGn)的系统，其中，设有测量传感器(Sn)，以便测量受控参量实际值(RGnist)的测量值；以及设有控制单元(15)，在所述控制单元中实现有控制器(R)，所述控制器对在受控参量理论值(RGnsoll)与受控参量实际值(RGnist)之间的偏差进行补偿，其特征在于，设有调控单元(3)的模型
Figure FDA0002522118200000021
所述模型计算受控参量模型值
Figure FDA0002522118200000022
设有用于测量传感器(Sn)的传感器模型
Figure FDA0002522118200000023
所述传感器模型计算受控参量实际值的模型值
Figure FDA0002522118200000024
设有校正单元(Ω)，所述校正单元由利用测量传感器(Sn)所测量的受控参量实际值(RGnist)与受控参量实际值的利用传感器模型
Figure FDA0002522118200000025
计算出的模型值
Figure FDA0002522118200000026
计算用于受控参量(RGn)的校正值(RGcorr)；并且控制器(R)将所述校正值(RGcorr)与利用调控单元(3)的模型
Figure FDA0002522118200000027
计算出的受控参量模型值
Figure FDA0002522118200000028
的总和用作受控参量实际值
Figure FDA0002522118200000029
其中，传感器模型
Figure FDA00025221182000000210
还使用经建模的受控参量实际值
Figure FDA00025221182000000211
以用于计算受控参量实际值的模型值
Figure FDA00025221182000000212
CN201880078256.0A 2017-12-05 2018-11-30 通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量 Active CN111433956B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA51007/2017 2017-12-05
ATA51007/2017A AT520522B1 (de) 2017-12-05 2017-12-05 Regelung einer Regelgröße einer Konditioniereinheit eines Reaktanden einer Brennstoffzelle mit Ermittlung eines Istwertes der Regelgröße
PCT/EP2018/083105 WO2019110433A1 (de) 2017-12-05 2018-11-30 REGELUNG EINER REGELGRÖßE EINER KONDITIONIEREINHEIT EINES REAKTANDEN EINER BRENNSTOFFZELLE MIT ERMITTLUNG EINES ISTWERTES DER REGELGRÖßE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111433956A true CN111433956A (zh) 2020-07-17
CN111433956B CN111433956B (zh) 2023-05-16

Family

ID=64572356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880078256.0A Active CN111433956B (zh) 2017-12-05 2018-11-30 通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11431011B2 (zh)
JP (1) JP7372242B2 (zh)
CN (1) CN111433956B (zh)
AT (1) AT520522B1 (zh)
DE (1) DE112018006210A5 (zh)
WO (1) WO2019110433A1 (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030203253A1 (en) * 2002-04-30 2003-10-30 Clingerman Bruce J. Lambda sensing with a fuel cell stack
EP2246294A1 (en) * 2008-02-13 2010-11-03 Honda Motor Co., Ltd. Control apparatus for fuel reformer
US20130089801A1 (en) * 2010-06-17 2013-04-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
AT518518A4 (de) * 2016-07-20 2017-11-15 Avl List Gmbh Geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3849480B2 (ja) * 2001-10-01 2006-11-22 日産自動車株式会社 燃料改質器の制御装置
JP2005052808A (ja) * 2003-08-01 2005-03-03 Toyota Motor Corp システム同定装置及びコンピュータプログラム
JP2006066300A (ja) * 2004-08-27 2006-03-09 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システムの燃焼温度制御装置およびその設計方法
JP2006086071A (ja) * 2004-09-17 2006-03-30 Yokogawa Electric Corp 仮想改質装置及びこれを用いた燃料電池試験装置
US7402287B2 (en) * 2004-12-17 2008-07-22 Texaco Inc. Apparatus and methods for producing hydrogen
KR20100030153A (ko) * 2008-09-09 2010-03-18 삼성전자주식회사 연료전지 시스템 및 그 연료공급방법
DE102008043869A1 (de) * 2008-11-19 2010-05-20 Robert Bosch Gmbh Regelungssystem für eine Regelstrecke
DE102013001413B4 (de) * 2012-04-19 2024-01-18 Audi Ag Temperaturregelung für eine Brennstoffzelle
AT516385B1 (de) 2015-06-23 2016-05-15 Avl List Gmbh Temperiereinheit für ein gasförmiges oder flüssiges Medium

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030203253A1 (en) * 2002-04-30 2003-10-30 Clingerman Bruce J. Lambda sensing with a fuel cell stack
EP2246294A1 (en) * 2008-02-13 2010-11-03 Honda Motor Co., Ltd. Control apparatus for fuel reformer
US20130089801A1 (en) * 2010-06-17 2013-04-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
AT518518A4 (de) * 2016-07-20 2017-11-15 Avl List Gmbh Geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle

Also Published As

Publication number Publication date
JP7372242B2 (ja) 2023-10-31
CN111433956B (zh) 2023-05-16
AT520522A4 (de) 2019-05-15
JP2021506057A (ja) 2021-02-18
AT520522B1 (de) 2019-05-15
US11431011B2 (en) 2022-08-30
DE112018006210A5 (de) 2020-09-03
WO2019110433A1 (de) 2019-06-13
US20210167407A1 (en) 2021-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10714766B2 (en) Controlled gas conditioning for a reaction gas of a fuel cell
del Real et al. Development and experimental validation of a PEM fuel cell dynamic model
Gruber et al. Nonlinear MPC for the airflow in a PEM fuel cell using a Volterra series model
JP7411384B2 (ja) 試験室及び制御方法
Yuan et al. A novel model-based internal state observer of a fuel cell system for electric vehicles using improved Kalman filter approach
Liu et al. PEM fuel cell air-feed system observer design for automotive applications: An adaptive numerical differentiation approach
Özbek et al. Modeling and control of a PEM fuel cell system: A practical study based on experimental defined component behavior
Rosich et al. On-line model-based fault detection and isolation for PEM fuel cell stack systems
CN105027341A (zh) 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
Serra et al. Controllability analysis of decentralised linear controllers for polymeric fuel cells
CN115763900A (zh) 一种燃料电池用增湿器增湿能力预测方法及系统
Rehrl et al. A modeling approach for HVAC systems based on the LoLiMoT algorithm
Li et al. Gas supply control and experimental validation for polymer electrolyte membrane fuel cells
JP4626650B2 (ja) モデル構造のパラメータ決定方法、パラメータ決定装置、制御装置および温度調節器
Wang et al. Modeling and control for PEMFC hydrogen management subsystem based on neural network compensation and prescribed tracking accuracy
CN111864228A (zh) 一种燃料电池电堆空气进气状态动态调节系统和方法
CN111433956B (zh) 通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量
JP2000242323A (ja) プラント運転ガイダンスシステム
CN105240130B (zh) 控制和保护燃气涡轮的方法及使用此类方法的燃气涡轮
Li et al. Oxygen excess ratio controller design of PEM fuel cell
Ma et al. Study on air pressure-flow decoupling control in fuel cell system based on feedforward algorithm
Schmitt et al. Numerical Integration for Nonlinear Model Predictive Control of a Fuel Cell System
CN112588333A (zh) 多温区控制的恒温恒湿试验箱及多模式快速控温控湿方法
EP2447793B1 (en) Method for ascertaining process values for a process controll
JP3843714B2 (ja) 気体温度制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant