CN114982025A - 用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池，将通过电动驱动的空气压缩机压缩的空气输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族(20)中表示，所述特性曲线族具有喘振极限(26)和扼流极限(28)并且存储在所述电动驱动的空气压缩机的控制装置中。为了延长所述燃料电池系统的使用寿命，在所述电动驱动的空气压缩机的运行中检测至少一个电流信号并且将其与存储在所述特性曲线族(20)中的预喘振极限值(29)进行比较，其中，所述电动驱动的空气压缩机有针对性地如此操控，使得在所述电动驱动的空气压缩机的运行中不达到同样存储在所述特性曲线族(20)中的喘振极限值。

Description

用于运行燃料电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有燃料电池的燃料电池系统的方法，将通过电动驱动的空气压缩机压缩的空气输送给该燃料电池，该空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族中表示，该特性曲线族具有喘振极限(Pumpgrenze)和扼流极限(Stopfgrenze)并且存储在电动驱动的空气压缩机的控制装置中。本发明还涉及一种这种类型的燃料电池系统。
背景技术
从美国专利US 7,771,883 B2中已知一种具有压气机的燃料电池系统，该压气机(Kompressor)产生增压空气流(Ladeluftstrom)，其中，在发动机的控制装置中存储有压气机的压气机特性曲线族，其中，该控制装置确定压气机的出口压力和温度，其中，由压气机的转速和来自质量流量计的空气流信号确定以下位置：系统在该位置处工作，以便防止压气机转入喘振状态中。
发明内容
本发明的任务是，简化燃料电池系统的运行。
该任务在一种用于运行燃料电池系统的方法中通过以下方式得到解决，所述燃料电池系统具有燃料电池，将通过电动驱动的空气压缩机压缩的空气输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族中表示，所述特性曲线族具有喘振极限和扼流极限并且存储在所述电动驱动的空气压缩机的控制装置中：在所述电动驱动的空气压缩机的运行中检测至少一个电流信号并且将其与存储在所述特性曲线族中的预喘振极限值(Vorpumpgrenzwert)进行比较，其中，有针对性地如此操控所述电动驱动的空气压缩机，使得在所述电动驱动的空气压缩机的运行中不达到同样存储在所述特性曲线族中的喘振极限值。空气压缩机也可以称为压气机。在要求保护的方法中，前瞻性地采取了措施，以便避免在电动驱动的空气压缩机的运行中达到喘振极限。由此可以显著增加燃料电池系统的使用寿命。在此，有针对性地如此改变如下的电流信号，使得在空气压缩机的运行中不达到喘振极限：通过所述电流信号操控电动驱动的空气压缩机。
该方法的一个优选实施例的特征在于，在所存储的特性曲线图中，绘制随着电流比的变化而变化的压力比，连同电动驱动的空气压缩机的运行点。有利地，在燃料电池系统与串联运行的电动驱动的空气压缩机一起使用之前，在燃料电池系统的试验中创建该特性曲线族。通过特性曲线族可以有效降低燃料电池系统运行中的控制和调节开销。
该方法的另一优选实施例的特征在于，预喘振极限曲线与喘振极限间隔开安全距离范围。通过适当地选择安全距离范围的大小，可以以相对较小的开销实现以下：在电动驱动的空气压缩机的运行中，从不达到或几乎从不达到预喘振极限。
该方法的另一优选实施例的特征在于，使用特性曲线族，以便确定电动驱动的空气压缩机的运行点相对于电动驱动的空气压缩机的喘振极限的位置。然后，可以以低的开销通过简单的比较来求取是否必须采取前述的前瞻性的措施。
该方法的另一优选实施例的特征在于，改变电流信号，以便相对于喘振极限地匹配电动驱动的空气压缩机的运行点。在此，如有必要，可以迭代地或逐步地进行，以便在没有较大效率损失的情况下防止达到喘振极限。
该方法的另一优选实施例的特征在于，电动驱动的空气压缩机包括永久励磁的同步电机。有利地，以不同的电流、电流信号或不同的频率操控该永久励磁的同步电机，以便防止在电动驱动的空气压缩机的运行中达到喘振极限。
替代地或附加地，在一种燃料电池系统中通过如下方式解决上面说明的任务，所述燃料电池系统具有燃料电池，将通过电动驱动的空气压缩机压缩的空气输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族中表示，所述特性曲线族具有喘振极限和扼流极限并且存储在所述电动驱动的空气压缩机的控制装置中：所述特性曲线族包括预喘振极限曲线，所述预喘振极限曲线取决于所述空气压缩机的电动驱动器的电流比和压力比。如此，能够以简单的方式和方法可靠地防止在燃料电池系统的运行中达到喘振极限。
该燃料电池系统的一种优选实施例的特征在于，空气压缩机的电动驱动器包括永久励磁的同步电机，该永久励磁的同步电机根据特性曲线族中的运行点的位置以不同频率操控。如此，可以防止在电动驱动的空气压缩机的运行中达到喘振极限，而无需在控制技术或调节技术方面的大的开销。
本发明还涉及一种具有计算机程序的计算机程序产品，该计算机程序具有软件单元，当计算机程序在计算机上实施时，该软件单元用于执行前述方法。例如，计算机是用于燃料电池系统中的空气压缩机的电动驱动器的控制装置。
替代地或附加地，在一种用于燃料电池系统的特性曲线族中通过如下方式解决上面说明的任务，所述燃料电池系统具有燃料电池，将通过电动驱动的空气压缩机压缩的空气输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在所述特性曲线族中表示，所述特性曲线族具有喘振极限和扼流极限并且存储在所述电动驱动的空气压缩机的控制装置中：在所述特征曲线图中绘制随着电流比的变化而变化的压力比，连同所述电动驱动的空气压缩机的运行点，并连同预喘振极限曲线。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由以下描述得出，其中参照附图详细描述了各种实施例。
附图示出：
图1示出了燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统具有燃料电池和电动驱动的空气压缩机并具有压力传感器装置；
图2示出了与图1中类似的燃料电池系统，该燃料电池系统没有压力传感器装置，但是具有用于测量输送给燃料电池的空气质量流的测量装置；
图3示出了具有喘振极限、扼流极限和预喘振极限的特性曲线族，其存储在图1和图2中的燃料电池系统的控制装置中；
图4示出了一个笛卡尔坐标图，在所述笛卡尔坐标图中绘制了电流信号随时间的变化过程；和
图5示出了与图4中类似的图示，其具有改变的电流信号。
具体实施方式
在图1和图2中示意性示出了具有燃料电池2和电动驱动的空气压缩机3的燃料电池系统1。为了表示相同或类似的部分，使用相同的附图标记。燃料电池系统1以与开头评价的美国专利US 7,771,883 B2中公开的燃料电池系统相同或类似的方式构建。
通过箭头4在图1和图2中表明经由空气过滤器5输送给空气压缩机3的空气。空气压缩机5由电动驱动器6驱动。电动驱动器6实施为具有控制装置7的永久励磁的同步电机8。
在燃料电池2的空气出口处布置有阀装置9。前述特征在图1和图2中所示的燃料电池系统1中是相同地实施的。下面讨论在图1和图2中所示的燃料电池系统1之间的差异。
图1中所示的燃料电池系统1包括压力传感器装置10，利用所述压力传感器装置检测由空气压缩机3输送给燃料电池2的经压缩的空气的压力。通过箭头11表明，电动驱动器6的控制装置7在控制方面与压力传感器装置10连接。通过箭头12表明，控制装置7在控制方面与阀装置9连接。
在图2中所示的燃料电池系统1中，代替压力传感器装置(图1中的10)设置了测量装置14，利用该测量装置检测在空气过滤器5和空气压缩机3之间的空气质量流。通过箭头15，在图2中表明，电动驱动器6的控制装置7在控制方面与测量装置14连接。
在图3中，在笛卡尔坐标图中示出了用于运行电动驱动的空气压缩机(图1和图2中的3)的特性曲线族20。在x轴21上绘制了I相对于Imax的电流比。在y轴22上绘制了p相对于pmax的压力比。
在特性曲线族20中，示例性地标出了在空气压缩机的运行中的三个运行点23、24、25。特性曲线族20包括喘振极限26和扼流极限28。特性曲线族20还包括预喘振极限曲线27。预喘振极限曲线27与喘振极限26间隔开。
在图4和图5中示出了两个另外的笛卡尔坐标图。在x轴31上以合适的时间单位绘制了时间。在y轴32上绘制了每单位时间的电流信号的频率。在两个曲线图中示出了具有不同频率的两个电流信号33、34的变化过程。
应该避免空气压缩机3(其也称为压气机)在喘振极限26附近的运行。表示空气压缩机3的电动驱动器6的永久励磁的同步电机8的操控借助用于电流的经调节的旋转场进行，如在图4和图5中表明的那样。然后，永久励磁的同步电机8的电流和永磁体产生用于压缩所抽吸的空气4的机械扭矩。
由压力和温度，或直接由空气压缩机3的所测得的空气质量流以及电流信号33、34的已知的频率确定空气压缩机3的运行点23至25。然后，将相应的运行点(例如24)与存储在控制装置7中的特性曲线族20进行比较。
如果运行点位于预喘振极限曲线27附近，则可以对旋转场的频率进行匹配，以便保持在与喘振极限26的适当的安全距离中。

Claims (10)

1.一种用于运行燃料电池系统(1)的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池(2)，将通过电动驱动的空气压缩机(3)压缩的空气(4)输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族(20)中表示，所述特性曲线族具有喘振极限(26)和扼流极限(28)并且存储在所述电动驱动的空气压缩机(3)的控制装置(7)中，其特征在于，在所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行中检测至少一个电流信号(33，34)并且将所述至少一个电流信号与存储在所述特性曲线族(20)中的预喘振极限值(29)进行比较，其中，有针对性地如此操控所述电动驱动的空气压缩机(3)，使得在所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行中不达到同样存储在所述特性曲线族(20)中的喘振极限值(30)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所存储的特性曲线族(20)中绘制随着电流比的变化而变化的压力比，连同所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行点(23，24，25)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，预喘振极限曲线(27)与所述喘振极限(26)间隔开安全距离范围。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述特性曲线族(20)，以便确定所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行点(24)相对于所述电动驱动的空气压缩机(3)的喘振极限(26)的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，改变所述电流信号(33，34)，以便相对于所述喘振极限(26)地匹配所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行点(24)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电动驱动的空气压缩机(3)包括永久励磁的同步电机(8)。
7.一种燃料电池系统(1)，所述燃料电池系统具有燃料电池(2)，将通过电动驱动的空气压缩机(3)压缩的空气(4)输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在特性曲线族(20)中表示，所述特性曲线族具有喘振极限(26)和扼流极限(28)并且存储在所述电动驱动的空气压缩机(3)的控制装置中，其特征在于，所述特性曲线族(20)包括预喘振极限曲线(27)，所述预喘振极限曲线取决于所述空气压缩机(3)的电动驱动器(6)的电流比和压力比。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气压缩机(3)的电动驱动器(6)包括永久励磁的同步电机(8)，根据特性曲线族(20)中的运行点(24)的位置以不同的频率(33，34)操控所述同步电机。
9.一种具有计算机程序的计算机程序产品，所述计算机程序具有软件单元，当所述计算机程序在计算机上实施时，所述软件单元用于执行前述方法。
10.一种特性曲线族(20)，所述特性曲线族(20)用于燃料电池系统(1)，所述燃料电池系统具有燃料电池(2)，将通过电动驱动的空气压缩机(3)压缩的空气(4)输送给所述燃料电池，所述空气压缩机的运行范围能够在所述特性曲线族(20)中表示，所述特性曲线族具有喘振极限(26)和扼流极限(29)并且存储在所述电动驱动的空气压缩机(3)的控制装置(7)中，其特征在于，在所述特征曲线图(20)中绘制随着电流比的变化而变化的压力比，连同所述电动驱动的空气压缩机(3)的运行点(23，24，25)，并连同预喘振极限曲线(27)。
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