DE102006044505B4

DE102006044505B4 - System und Verfahren zum Bereitstellen einer Vorwärtsströmungsregelung eines mittels einer Pumpe durch ein Rohr gepumpten Fluids

Info

Publication number: DE102006044505B4
Application number: DE102006044505.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Maier; Sascha Schäfer; Thomas Weispfenning; Peter Willimowski; Rolf Isermann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: DE102006044505A1; US20070065691A1; US8855945B2

Abstract

System zum Bereitstellen einer Vorwärtsströmungsregelung eines mittels einer Pumpe durch ein Rohr gepumpten Fluids, wobei das System umfasst: einen Systemwiderstandseigenschaftsprozessor, der derart ausgestaltet ist, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor eine Reynolds-Zahl auf der Grundlage eines Fluidgeschwindigkeitswerts des Fluids, eines Durchmessers des Rohrs und einer kinematischen Viskosität des Fluids berechnet, wobei der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor ferner eine Druckverlustzahl verwendet, die eine Funktion der Reynolds-Zahl ist, wobei der Widerstandseigenschaftsprozessor ferner einen Druckverlustwert auf der Grundlage der Druckverlustzahl, der Dichte des Fluids und der Geschwindigkeit des Fluids ermittelt, wobei der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor einen Förderhöhenwert auf der Grundlage des Druckverlustwerts, des Fluiddichtewerts und einer Gravitationsbeschleunigung des Fluids berechnet; und einen Pumpeneigenschaftsprozessor, der derart ausgestaltet ist, dass der Pumpeneigenschaftsprozessor eine gewünschte Pumpendrehzahl auf der Grundlage des Förderhöhenwerts und eines vorbestimmten Volumenstrom-Sollwerts des Fluids ermittelt.

Description

Diese Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Vorwärtsströmungsregelung eines mittels einer Pumpe durch ein Rohr gepumpten Fluids und insbesondere ein thermisches Teilsystem für ein Brennstoffzellensystem, bei dem das thermische Teilsystem eine Vorwärtsregelung (feed-forward control) einsetzt, um die Drehzahl der Pumpe zu ermitteln, die ein Kühlfluid durch das Teilsystem pumpt.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Kraftstoff, da er rein ist und verwendet werden kann, um in einer Brennstoffzelle effizient Strom zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Einrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode getrennt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurchgelangen und werden somit durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode gesendet werden. Die Arbeit kann ein Fahrzeug betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC von proton exchange membrane fuel cells) sind weit verbreitete Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird an gegenüberliegenden Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran definiert einen Membranelektrodenaufbau (MEA von membrane electrode assembly).
Verschiedene Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Bei dem oben erwähnten Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktionsgas auf, typischerweise eine Luftströmung, die mittels eines Kompressors durch den Stapel gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff durch den Stapel verbraucht, und etwas Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktionsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Es ist notwendig, dass ein Brennstoffzellenstapel bei einer optimalen relativen Feuchtigkeit und Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb und eine effiziente Haltbarkeit bereitzustellen. Eine typische Stapelbetriebstemperatur für Fahrzeuganwendungen beträgt etwa 80°C. Die Stapeltemperatur liefert bei einem bestimmten Stapeldruck die relative Feuchtigkeit in den Brennstoffzellen in dem Stapel. Übermäßige Stapeltemperaturen, die über der optimalen Temperatur liegen, können Brennstoffzellenkomponenten beschädigen und die Lebensdauer der Brennstoffzellen reduzieren. Auch Stapeltemperaturen, die unter der optimalen Temperatur liegen, reduzieren die Stapelleistung. Daher setzen Brennstoffzellensysteme thermische Teilsysteme ein, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel steuern, um ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Ein typisches thermisches Teilsystem für einen Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kühler, einen Ventilator und eine Pumpe. Die Pumpe pumpt ein Kühlfluid, wie beispielsweise eine Wasser/Glykol-Mischung, durch Kühlfluidkanäle in dem Brennstoffzellenstapel, wo das Kühlfluid die Abwärme des Stapels aufnimmt. Das Kühlfluid wird durch ein Rohr oder einen Schlauch von dem Stapel zu dem Kühler geleitet, an dem sie durch Umgebungsluft gekühlt wird, die entweder von einer Bewegung des Fahrzeugs durch den Kühler oder durch einen Betrieb des Ventilators gedrängt wird. Aufgrund des hohen Bedarfs an Kühlerluftströmung, um eine große Menge von Abwärme abzugeben, um eine relativ niedrige Betriebstemperatur bereitzustellen, ist der Ventilator für gewöhnlich leistungsstark und der Kühler relativ groß. Die physikalische Größe des Kühlers und die Leistung des Ventilators müssen im Vergleich zu jenen eines Verbrennungsmotors mit ähnlicher Leistung aufgrund der niedrigeren Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems und der Tatsache, dass nur eine vergleichsweise kleine Menge von Wärme über das Kathodenabgas in dem Brennstoffzellensystem abgegeben wird, größer sein.
Der Brennstoffzellenstapel erfordert eine bestimmte Kühlfluid-Strömungsrate, um die gewünschte Stapelbetriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Die Kühlfluid-Strömungsrate muss groß genug sein, so dass sich in dem Brennstoffzellenstapel keine überhitzten Stellen bilden, die die Zellen beschädigen könnten. Verschiedene Systemparameter, die die Stromdichte des Stapels, die Kühlfluidtemperatur, die Kühlfluidviskosität, den Systemdruckabfall, die Ventilposition etc. umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind, bestimmen die Kühlfluid-Strömungsrate. Für ein thermisches Teilsystem, das eine Zentrifugalströmungspumpe einsetzt, steht die Kühlfluidströmung mit dem Systemdruckabfall in Korrelation, da keine Druckunabhängigkeit besteht, wie es bei Verdrängungspumpen der Fall ist.
Da Brennstoffzellensysteme thermisch empfindlich sind, erfordert die Kühlfluidströmung typischerweise einen Strömungsregler, wie beispielsweise einen Proportional-Integral-Rückführregler (PI-Rückführregler), der Fachleuten weithin bekannt ist. Rückführregler erfordern typischerweise eine proportional regelbare Pumpe. Da der Druck unbekannt ist, ist die Ist-Kühlfluidströmung für den Strömungsregler notwendig.
Derzeit werden Strömungssensoren verwendet, um die Strömungsrate des Kühlfluids im Kühlkreislauf zu messen, und ein geeigneter Algorithmus wird eingesetzt, um für die bestimmten Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems die gemessene Strömungsrate mit der gewünschten Strömungsrate zu vergleichen. Für diesen Zweck verwendete Strömungssensoren sind typischerweise jedoch nicht zuverlässig. Ferner sind diese Strömungssensoren groß, schwer und teuer. Es ist erwünscht, den Strömungssensor aus dem thermischen Teilsystem eines Brennstoffzellensystems zu beseitigen.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein thermisches Teilsystem für ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Vorwärtsregelalgorithmus (feed-forward control algorithm) einsetzt, um die Kühlfluidströmung in dem System zu regeln. Das thermische Teilsystem umfasst eine Pumpe, die ein Kühlfluid durch einen Kühlkreislauf pumpt, einen Brennstoffzellenstapel und einen Kühler in dem Brennstoffzellensystem. Ein Bypass-Ventil wird verwendet, um den Kühler selektiv zu umgehen.
Der Algorithmus berechnet auf der Grundlage der Geschwindigkeit des Kühlfluids, eines Durchmessers des Kühlkreislaufrohrs und einer kinematischen Viskosität (Temperatur) des Kühlfluids eine Reynolds-Zahl. Der Algorithmus verwendet auch eine Druckverlustzahl, die auf der Reynolds-Zahl und einer Position des Bypass-Ventils basiert. Der Algorithmus definiert ferner einen Druckverlustwert, der auf der Druckverlustzahl, der Dichte des Kühlfluids und der Geschwindigkeit des Kühlfluids basiert. Der Algorithmus berechnet dann auf der Grundlage des Druckverlustwerts, der Fluiddichte und der Gravitationsbeschleunigung einen Förderhöhenwert. Der Algorithmus verwendet dann den Förderhöhenwert und einen vorbestimmten Sollwert des Volumenstroms, um eine gewünschte Pumpendrehzahl auf der Grundlage der momentanen Betriebsparameter des Systems zu ermitteln.
Weitere Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen. In dieser zeigt:
1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer Pumpe, deren Drehzahl unter Verwendung eines Vorwärtsalgorithmus geregelt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Blockdiagramm des Vorwärtsalgorithmus, der verwendet wird, um die gewünschte Pumpendrehzahl zu ermitteln.
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die sich auf ein thermisches Teilsystem für ein Brennstoffzellensystem richtet, das eine Vorwärtsregelung zum Ermitteln der Drehzahl einer Pumpe einsetzt, die ein Kühlfluid durch das Teilsystem pumpt, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist eine schematische Darstellung eines thermischen Teilsystems für ein Brennstoffzellensystem 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Eine Kühlkreislaufpumpe 14 pumpt ein geeignetes Kühlfluid, wie beispielsweise eine Wasser/Glykol-Mischung, durch einen Kühlkreislauf 16 und den Stapel 12. Wie nachstehend ausführlich erläutert, regelt ein Regler 26 die Drehzahl der Pumpe 14, wobei der Regler 26 einen Vorwärtsalgorithmus einsetzt, um die gewünschte Pumpendrehzahl für die speziellen Betriebsparameter des Systems 10, wie beispielsweise die Stapelstromdichte, zu ermitteln.
Ein erster Temperatursensor 18 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf 16, wenn sie in den Stapel 12 gelangt, und ein zweiter Temperatursensor 20 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf 16, wenn sie aus dem Stapel 12 gelangt. Eine geeignete Abkühleinrichtung, wie beispielsweise ein Kühler 24, kühlt das Kühlfluid in dem Kühlkreislauf von dem Stapel 12, so dass ihre Temperatur reduziert wird. Der Kühler 24 kann einen Ventilator (nicht gezeigt) umfassen, der kühlende Luft durch den Kühler 12 drängt, um die Kühleffizienz des Kühlers 24 zu erhöhen. Ferner können auch andere Kühleinrichtungen anstatt des Kühlers 24 verwendet werden. Eine Bypass-Leitung 28 in dem Kühlkreislauf 16 ermöglicht, dass der Kühler 24 umgangen wird, wenn die Betriebstemperatur des Stapels 12 nicht bei einer gewünschten Betriebstemperatur liegt, wie beispielsweise während des Systemstarts. Ein Bypass-Ventil 30 wird selektiv geregelt, um das Kühlfluid entweder über den Kühler 24 oder über die Bypass-Leitung 28 zu verteilen, um dabei zu helfen, eine gewünschte Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Das Ventil 30 kann ein beliebiges für diesen Zweck geeignetes Ventil sein, das selektiv eine bestimmte Menge des Kühlfluids an den Kühler 24 und die Bypass-Leitung 28 liefern kann.
Gemäß der Erfindung setzt der Regler 26 einen Vorwärtsalgorithmus ein, um bei Kenntnis der Pumpen- und Systemeigenschaften und der Kühlfluidtemperatur die gewünschte Pumpendrehzahl zu berechnen. 2 ist ein Blockdiagramm 40 des von dem Regler 26 verwendeten Vorwärtsalgorithmus, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Algorithmus berechnet eine Systemwiderstandseigenschaft als einen Förderhöhenwert H in einem Systemwiderstandseigenschaftsprozessor 42. Um den Förderhöhenwert H zu ermitteln, empfängt der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor 42 einen Volumenstrom-Sollwert V ._{pmp_sp} auf einer Leitung 46 für den Volumenstrom, die den gewünschten Volumenstrom liefert, die Temperatur des Kühlfluids T_Fld auf einer Leitung 48 und die Position Pos_Vlv des Bypass-Ventils 30 auf einer Leitung 50. Der Volumenstrom-Sollwert V ._{pmp_sp} wird durch eine Nachschlagetabelle für die momentane Betriebsparameter des Systems 10 geliefert. Die Systemwiderstandseigenschaft basiert hauptsächlich auf einer Druckverlustzahl ζ, die eine Funktion der Reynolds-Zahl Re und der Position Pos_Vlv des Bypass-Ventils 30 ist. Insbesondere weist das Kühlsystem einen bestimmten Widerstand auf, wenn das Kühlfluid durch den Kühlkreislauf 16 strömt, basierend auf verschiedenen Parametern, die ihre Strömung bestimmen.
Die Druckverlustzahl ζ ist ein dimensionsloser Wert und ist definiert als:
wobei Δp der Druckverlust in Pa ist, ϱ die Flussdichte des Kühlfluids in kg/m³ ist und w die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids in m/s ist.
Die Reynolds-Zahl Re ist definiert als: Re = w·d / ν (2) wobei d der hydraulische Durchmesser des Kühlkreislaufs 16 in m ist und v die durch die Temperatur des Kühlfluids bestimmte kinematische Viskosität in m²/s ist.
Wie in der Technik wohl bekannt ist, kann der Wert der kinematischen Viskosität v aus den gemessenen Temperaturwerten von einem oder beiden Temperatursensoren 18 und 20 berechnet werden. Da sich der Druckabfall verringert, wenn sich die Temperatur des Kühlfluids als ein Ergebnis einer Verringerung der Fluidviskosität erhöht, liefert ein Verwenden des gemessenen Temperaturwerts von dem Temperatursensor 18 eine höhere Strömungsrate, da die Temperatur des Kühlfluids niedriger ist, wenn sie in den Stapel 12 gelangt. Bei einer Ausführungsform wird ein Durchschnitt der gemessenen Temperaturwerte von sowohl dem Temperatursensor 18 als auch dem Temperatursensor 20 verwendet.
Die Beziehung zwischen dem Volumenstrom V . und der Geschwindigkeit w des Kühlfluids ist gegeben als: V . = A·w (3) wobei A eine Querschnittsfläche des Kühlkreislaufs in m² ist.
Die Gleichungen (1)–(3) zeigen, dass sich für eine durch die kinematische Viskosität v gelieferte bestimmte Kühlfluidtemperatur der Druckabfall in dem Kühlkreislauf 16 entlang einer bestimmten Funktion einher erhöht, wenn sich der Volumenstrom V . erhöht. Diese Funktion kann unter Verwendung der dimensionslosen Parameter Re und ζ in Kombination mit der Position Pos_Vlv des Bypass-Ventils 30 in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Somit kann bei Kenntnis des Volumenstrom-Sollwerts V ._{pmp_sp} und der Temperatur T_Fld des Kühlfluids die Reynolds-Zahl Re durch diese Gleichungen berechnet werden.
Eine Beziehung für den Förderhöhenwert H ist gegeben durch: Δp = ρgH (4) wobei g die Gravitationsbeschleunigung in m/s ist und H der Förderhöhenwert in m ist.
Auf der Grundlage der obigen Diskussion ist, sobald die Reynolds-Zahl Re durch Gleichung (2) berechnet ist, dann die Druckverlustzahl ζ als eine Funktion der Reynolds-Zahl Re und der Position Pos_Vlv des Ventils 30 bekannt. Diese Beziehung zwischen der Druckverlustzahl ζ, der Reynolds-Zahl Re und der Position Pos_Vlv des Ventils 30 kann in einer Nachschlagetabelle gespeichert sein. Sobald die Druckverlustzahl ζ bekannt ist, kann der Druckverlustwert Δp aus Gleichung (1) berechnet werden. Sobald der Druckverlustwert Δp bekannt ist, kann dann der Förderhöhenwert H durch Gleichung (4) berechnet werden.
Aus den obigen Gleichungen wird der Förderhöhenwert H durch den Systemwiderstandseigenschaftsprozessor 42 wie folgt berechnet:
Der Förderhöhenwert H wird an einen Pumpeneigenschaftsprozessor 44 ausgegeben, der die gewünschte Pumpendrehzahl n auf der Grundlage des Förderhöhenwerts H und des Volumenstrom-Sollwerts V ._{pmp_sp} berechnet. Bei einer Ausführungsform verwendet der Prozessor 44 zu diesem Zweck die nachstehende Polynomgleichung (6). H = a₁n² + a₂nV . + a₃V .² (6)
Gleichung (6) liefert eine quadratische Beziehung zwischen dem Förderhöhenwert H und dem Volumenstrom-Sollwert V . für den Pumpendrehzahlwert n an dem Ausgang des Prozessors 44. Der Pumpendrehzahlwert n weist den Drehzahlregler des Motors an, der die Pumpe 14 antreibt. Der Volumenstrom V . durch den Kühlkreislauf 16 wird dadurch geändert, dass die Drehzahl der Pumpe 14 so angepasst wird, dass sie gleich dem gewünschten Volumenstrom-Sollwert ist. Daher liefert der Algorithmus eine Vorwärtsregelung, um die Drehzahl der Pumpe 14 einzustellen, um die geeignete Kühlfluid-Strömungsrate vorherzusagen, um die geeignete Betriebstemperatur des Stapels 12 bereitzustellen, wenn sich die Stromdichte des Stapels 12 ändert.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein thermisches Teilsystem für ein Brennstoffzellensystem, das einen Algorithmus unter Verwendung einer Vorwärtsregelung einsetzt. Der Algorithmus berechnet eine Reynolds-Zahl auf der Grundlage der Geschwindigkeit des Kühlfluids, eines Durchmessers eines Kühlkreislaufrohrs und einer kinematischen Viskosität (Temperatur) eines Kühlfluids. Der Algorithmus verwendet auch eine auf der Reynolds-Zahl basierende Druckverlustzahl und eine Position eines Bypass-Ventils. Der Algorithmus definiert auch einen Druckverlustwert, der auf der Druckverlustzahl, der Dichte des Kühlfluids und der Geschwindigkeit des Kühlfluids basiert. Der Algorithmus berechnet dann einen Förderhöhenwert auf der Grundlage des Druckverlustwerts, der Fluiddichte und einer Gravitationsbeschleunigung. Der Algorithmus verwendet dann den Förderhöhenwert und einen vorbestimmten Sollwert des Volumenstroms, um eine gewünschte Pumpendrehzahl auf der Grundlage der momentanen Betriebsparameter des Systems zu ermitteln.

Claims

System zum Bereitstellen einer Vorwärtsströmungsregelung eines mittels einer Pumpe durch ein Rohr gepumpten Fluids, wobei das System umfasst: einen Systemwiderstandseigenschaftsprozessor, der derart ausgestaltet ist, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor eine Reynolds-Zahl auf der Grundlage eines Fluidgeschwindigkeitswerts des Fluids, eines Durchmessers des Rohrs und einer kinematischen Viskosität des Fluids berechnet, wobei der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor ferner eine Druckverlustzahl verwendet, die eine Funktion der Reynolds-Zahl ist, wobei der Widerstandseigenschaftsprozessor ferner einen Druckverlustwert auf der Grundlage der Druckverlustzahl, der Dichte des Fluids und der Geschwindigkeit des Fluids ermittelt, wobei der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor einen Förderhöhenwert auf der Grundlage des Druckverlustwerts, des Fluiddichtewerts und einer Gravitationsbeschleunigung des Fluids berechnet; und einen Pumpeneigenschaftsprozessor, der derart ausgestaltet ist, dass der Pumpeneigenschaftsprozessor eine gewünschte Pumpendrehzahl auf der Grundlage des Förderhöhenwerts und eines vorbestimmten Volumenstrom-Sollwerts des Fluids ermittelt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er die Reynolds-Zahl unter Verwendung der Gleichung Re = w·d / ν berechnet, wobei w der Fluidgeschwindigkeitswert ist, d der Durchmesser des Rohrs ist und v die kinematische Viskosität des Fluids ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er die Druckverlustzahl unter Verwendung der Reynolds-Zahl aus einer Nachschlagetabelle ermittelt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er den Druckverlustwert unter Verwendung der Gleichung
berechnet, wobei ζ die Druckverlustzahl ist, Δp der Druckverlustwert ist, ϱ die Dichte des Fluids ist und w die Geschwindigkeit des Fluids ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er den Förderhöhenwert unter Verwendung der Gleichung
berechnet, wobei H der Förderhöhenwert ist, ζ die Druckverlustzahl ist, g die Gravitationsbeschleunigung ist, A die Querschnittsfläche des Rohrs ist und V . der Volumenstrom des Fluids ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpeneigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er die gewünschte Pumpendrehzahl unter Verwendung der Polynomgleichung H = a₁n² + a₂nV . + a₃V .² ermittelt, wobei H der Förderhöhenwert ist, n die Pumpendrehzahl ist und V . der Volumenstrom-Sollwert des Fluids ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemwiderstandseigenschaftsprozessor derart ausgestaltet ist, dass er auch eine Position eines Ventils verwendet, um die Druckverlustzahl zu ermitteln.
Verfahren zum Bereitstellen einer Vorwärtsströmungsregelung eines mittels einer Pumpe durch ein Rohr gepumpten Fluids, wobei das Verfahren umfasst, dass eine Reynolds-Zahl auf der Grundlage einer Geschwindigkeit des Fluids, eines Durchmessers des Rohrs und einer kinematischen Viskosität des Fluids berechnet wird; eine auf der Reynolds-Zahl basierende Druckverlustzahl verwendet wird; ein Druckverlustwert auf der Grundlage der Druckverlustzahl, der Dichte des Fluids und der Geschwindigkeit des Fluids ermittelt wird; ein Förderhöhenwert auf der Grundlage des Druckverlustwerts, der Dichte des Fluids und einer Gravitationsbeschleunigung des Fluids berechnet wird; und eine gewünschte Pumpendrehzahl auf der Grundlage des Förderhöhenwerts und eines Volumenstrom-Sollwerts ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Reynolds-Zahl umfasst, dass die Gleichung Re = w·d / ν verwendet wird, wobei w der Fluidgeschwindigkeitswert ist, d der Durchmesser des Rohrs ist und v die kinematische Viskosität des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwenden einer Druckverlustzahl umfasst, dass die Druckverlustzahl unter Verwendung der Reynolds-Zahl aus einer Nachschlagetabelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des Druckverlustwerts umfasst, dass die Gleichung
verwendet wird, wobei ζ die Druckverlustzahl ist, Δp der Druckverlustwert ist, ϱ die Fluiddichte des Fluids ist und w die Fluidgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des Förderhöhenwerts umfasst, dass die Gleichung
verwendet wird, wobei H der Strömungswiderstandswert ist, ζ die Druckverlustzahl ist, g die Gravitationsbeschleunigung ist, A die Querschnittsfläche des Rohrs ist und V . der Volumenstrom des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der gewünschten Pumpendrehzahl umfasst, dass die Polynomgleichung H = a₁n² + a₂nV . + a₃V .² verwendet wird, wobei H der Förderhöhenwert ist, n die Pumpendrehzahl ist und V . der Volumenstrom-Sollwert des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwenden der Druckverlustzahl auch umfasst, dass eine Position eines Ventils verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Kühlfluid ist, das mittels der Pumpe durch einen Kühlkreislauf gepumpt wird, um einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem zu kühlen.