DE102007031571A1 - Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher (3) und einer Brennstoffzellenanordnung (2), von der eine elektrische Leistung (P<SUB>BZ</SUB>) für den Verbraucher (3) bereitgestellt wird und die durch einen die bereitgestellte Leistung (P<SUB>BZ</SUB>) repräsentierenden Ausgangsstrom (I<SUB>BZ</SUB>) und eine die bereitgestellte Leistung (P<SUB>BZ</SUB>) repräsentierende Ausgangsspannung (P<SUB>BZ</SUB>) sowie einen zugeohörigen Arbeitspunkt (AP) charakterisiert ist, wobei anhand einer aktiven Variation einer oder eines durch den elektrischen Verbraucher (3) vorgegebenen Spannung (U) oder Strom (I) eine dynamische Leistungskennzahl (K<SUB>MPP</SUB>) ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt (AP) der Brennstoffzellenanordnung (2) ermittelt und eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer Brennstoffzellenanordnung, von der eine elektrische Leistung für den Verbraucher bereitgestellt wird, und die durch einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung, die die bereitgestellte Leistung repräsentieren, sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt charakterisiert ist.
  • Aus der DE 43 22 765 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle bekannt. Das dort beschriebene und durch die DE 100 63 654 A1 weitergebildete Verfahren offenbart, wie aus einer Fahrpedalstellung eine Leistungsanforderung oder falls die Brennstoffzelle die geforderte Leistung momentan nicht liefern kann, eine korrigierte Leistungsanforderung ermittelt wird. Die Brennstoffzelle wird dann gemäß dieser gegebenenfalls korrigierten Leistungsanforderung mit einer geeigneten Menge an Medien, z. B. Luft und Methanol oder Luft und Wasserstoff, versorgt. Der elektrische Verbraucher, z. B. ein Antriebsmotor des Fahrzeugs, wird dann so gesteuert, dass er genau diese momentan von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung abnimmt. Dadurch entsteht ein sehr hoher Steuerungs- und Regelungsaufwand, bei welchem die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung und die vom Antriebsmotor abzunehmende Leistung immer, das heißt in jedem Moment, exakt gleich gehalten werden müssen. Gelingt dies nicht, so kommt es bei einer zu hohen vom Antriebsmotor abgenommenen/geforderten Leistung (mit PM > PBZ, PM = vom Motor geforderte Leistung, PBZ von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung) zu einem so genannten "Zusammenbrechen" der Brennstoffzelle. Auch der umgekehrte Fall einer zu hohen Leistung der Brennstoffzelle (PM < PBZ) führt zumindest zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad und zu erheblichen Korrekturerfordernissen. Für einen sicheren Betrieb ist der hohe Aufwand des zeitlich und größenmäßig exakten Einregelns gleicher Leistungen (PM = PBZ) also unerlässlich. Dies ist jedoch mit einer entsprechend hohen Systemkomplexität, einer aufwändigen Sensorik und damit hohen Kosten, bei gleichzeitig eher schlechter Systemzuverlässigkeit, verbunden.
  • Aus der DE 10 2004 038 330 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem hochdynamisch arbeitenden elektromotorischen Verbraucher, und einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, die bzw. der eine elektrische Leistung für den wenigstens einen Verbraucher bereitstellt, bekannt. Die der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Menge an Medien wird entsprechend des Leistungsbedarfs des elektrischen Verbrauchers gesteuert, indem beispielsweise die Spannung der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels "festgehalten" wird, wobei auf der Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels ein Arbeits- oder Betriebspunkt eingestellt wird, welcher es erlaubt die gewünschte Leistung bevorzugt bei möglichst gutem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Durch die Berücksichtigung und Einstellung der Parameter der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels anhand der diese repräsentierenden, momentan wirksamen Spannungs-Strom-Kennlinie und daraus resultierend der Anforderung einer fortlaufenden Ermittlung der aktuell wirksamen Spannungs-Strom-Kennlinie ist auch dieses Verfahren aufwändig und zeitintensiv.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer Brennstoffzellenanordnung, von der eine elektrische Leistung für den Verbraucher bereitgestellt wird, und die durch einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung, die die bereitgestellte Leistung repräsentieren, sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt charakterisiert ist, wird anhand einer aktiven Variation einer/eines durch den elektrischen Verbraucher vorgegebenen Spannung oder Stroms eine dynamische Leistungskennzahl ermittelt, anhand der der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung ermittelt und eingestellt wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass auf die fortlaufende Ermittlung der die Brennstoffzellenanordnung charakterisierenden Spannungs-Strom-Kennlinie verzichtet werden sollte und somit ohne Kenntnis der Spannungs-Strom-Kennlinie als Arbeitspunkt insbesondere der Arbeitspunkt mit Leistungsanpassung, d. h. der Arbeitspunkt, in welchem die von der Brennstoffzellenanordnung abgegebene Leistung gleich der vom elektrischen Verbraucher geforderten Leistung ist (auch Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsausbeute genannt), ermittelt werden kann. Hierzu wird eine durch den elektrischen Verbraucher vorgegebene Spannung direkt oder druch Variation des Stromes für die Brennstoffzellenanordnung aktiv variiert, insbesondere um einen vorgegebenen Spannungswert bzw. Strom wert periodisch erhöht bzw. erniedrigt. Dabei erfolgt die aktive Variation der Spannung vorzugsweise mit einer hohen Frequenz und kleiner Auslenkung der Änderung, so dass ein periodisches, z. B. nicht sinusförmiges oder sinusförmiges Signal erzeugt wird, welches für die Regelung hochdynamischer, fahrzeugtypischer Lastszenarien zur Verfügung steht und eine schnelle Ausregelung in den Arbeitspunkt der Leistungsanpassung ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann anstelle der aktiven Variation der Spannung eine vom elektrischen Verbraucher vorgegebene Belastung, insbesondere ein Strom aktiv variiert werden. Darüber hinaus kann die Amplitude der periodischen Erhöhung bzw. Erniedrigung des Spannungswertes bzw. des Stromwertes vorgegeben werden. Dabei wird der vorgebbare Wert der Amplitude maßgeblich bestimmt durch die Auflösung des Regelungsverfahrens bzw. den gewünschten Genauigkeitsgrad der Ermittlung des Arbeitspunktes.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine betriebssichere, kostengünstige und optimierte Kopplung einer Brennstoffzellenanordnung mit einem elektrischen Verbraucher gegeben ist. Insbesondere ist eine vereinfachte Lastregelung zur Leistungsabgabe mit einer hohen Dynamik ermöglicht, wobei die Lastregelung in den Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe (= so genannter Maximum Power Point – kurz MPP genannt) ohne Kenntnis der Spannungs-Strom-Kennlinie (auch Polarisationskennlinie genannt) schnellst möglich erfolgt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Steuerungs- und/oder Regelungsverfahrens für ein System mit einer Brennstoffzellenanordnung und einen an diese gekoppelten elektrischen Verbraucher,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit aktiver Variation der Spannung,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit einem oberhalb des Arbeitspunktes mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit einem im Arbeitspunkt mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme, und
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit einem unterhalb des Arbeitspunktes mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerungs- und/oder Regelungsverfahrens für ein System 1 aus einer Brennstoffzellenanordnung 2 und wenigstens einem an diese gekoppelten elektrischen Verbraucher 3. Bevorzugt findet eine derartige Kopplung bei einem Fahrzeug mit integrierter Brennstoffzellenanordnung 2 Anwendung. Unter einer Brennstoffzellenanordnung 2 wird insbesondere eine einzelne Brennstoffzelle oder ein aus mehreren Brennstoffzellen gebildeter Brennstoffzellenstapel verstanden. Als elektrischer Verbraucher wird insbesondere ein Antriebsmotor M eingesetzt.
  • Der Antriebsmotor M ist an die Brennstoffzellenanordnung 2 üblicherweise über einen Umrichter 4 gekoppelt, durch welchen der aus der Brennstoffzellenanordnung 2 gelieferte Strom IBZ, ein Gleichstrom, zur Verwendung im Antriebsmotor M in Drehstrom ID umgerichtet wird. Darüber hinaus sind der Antriebsmotor M und die Brennstoffzellenanordnung 2 über mindestens ein Steuergerät 5 miteinander verbunden, welches der Einstellung der Anforderungen des Verbrauchers 3 an der Brennstoffzellenanordnung 2 dient und das im Umrichter 4 integriert sein kann (gestrichelt dargestellt) oder als eine separate Komponente ausgebildet sein kann.
  • Ferner kann die Brennstoffzellenanordnung 2 und/oder der Antriebsmotor M in nicht näher dargestellter Art und Weise mit weiteren Komponenten über ein elektrisches Bordnetz und/oder Steuerungs-/Regelungsnetz verbunden sein. Beispielsweise kann die Brennstoffzellenanordnung 2 über einen DC/DC-Wandler mit einer Batterie oder einem Doppelschichtkondensator verbunden sein, wodurch diese beispielsweise geladen werden können bzw. bei Bedarf Energie an den Antriebsmotor M abgeben können. Dabei kann der DC/DC-Wandler an dem Umrichter 4 angeschlossen sein. Auch können der DC/DC-Wandler und andere Komponenten im Umrichter 4 integriert sein.
  • Im Betrieb des Systems 1 ist die für den Antriebsmotor M entnommene Leistung PBZ vom Arbeitspunkt AP der Brennstoffzellenanordnung 2 abhängig, wenn diese durch den Antriebsmotor M als elektrischer Verbraucher 3 belastet wird. Der Arbeitspunkt AP der Brennstoffzellenanordnung 2 ist gekennzeichnet durch genau die sich einstellende Ausgangsspannung UBZ der Brennstoffzellenanordnung 2, welche sich bei entsprechender Belastung durch den Ausgangsstrom IBZ für den Antriebsmotor M ergibt. Die dabei entnommene Leistung ist: PBZ = IBZ·UBZ [1]. mit PBZ = entnehmbare/entnommene Leistung aus der Brennstoffzellenanordnung 2, IBZ = Ausgangsstrom der Brennstoffzellenanordnung 2, UBZ = Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung 2.
  • Dabei wird eine vom Antriebsmotor M angeforderte Leistung PBZSoll dadurch geregelt, dass mittels des Steuergerätes 5 durch aktive Variation der an der Brennstoffzellenanordnung 2 einzustellenden Spannung U gemäß: U = Ua + dUa(t) [1]mit Ua = vom elektrischen Verbraucher vorgegebene Spannung,
    dUa(t) = Wechselanteil der Spannung mit z. B. dUa(t) = dUa0(t)·sin(2·π·f·t),und einer daraus resultierenden Belastung, welche ebenfalls mit einem zusätzlichen Wechselanteil des Stromes dIa(t) versehen ist, gemäß: I = Ia + dIa(t) [2]mit Ia = Strom, dIa(t) = Wechselanteil des Stroms,
    eine dynamische Leistungskennzahl KMPP ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt AP der Brennstoffzellenanordnung 2 bestimmt und eingestellt wird. Anhand der ermittelten Leistungskennzahl KMPP und des einzustellenden Arbeitspunktes AP wird dann mittels eines Reglers 6 die an der Brennstoffzellenanordnung 2 einzustellende Ausgangsspannung UBZSoll vorgegeben.
  • Nachfolgend wird die Ermittlung der Leistungskennzahl KMPP näher erläutert.
  • Durch die aktive Variation der einzustellenden Spannung U der Brennstoffzellenanordnung 2 gemäß [1] und der daraus resul tierenden Variation des Stroms I gemäß [2] ergibt sich eine Leistung P, welche sich ebenfalls aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammensetzt gemäß: P = Pa + dPa(t) [3]mit Pa = Leistung der Brennstoffzellenanordnung 2, dPa(t) = Wechselanteil der Leistung.
  • Dabei ergeben sich jedoch aufgrund der real wirksamen Kennlinie unterschiedliche Flächeninhalte (= Energie) der Gesamtleistung für den Anteil der positiven Halbwelle des Wechselanteils dPa(t) im Gegensatz zum Anteil der negativen Halbwelle des Wechselanteils dPa(t) gemäß:
  • Figure 00080001
  • Liegt dabei der Arbeitspunkt AP genau auf dem Arbeitspunkt AP (MPP) mit Leistungsanpassung (UBZ = 0,5·U0, U0 = Leerlaufspannung), so gilt:
    Figure 00080002
    bei hinreichend kleiner Auslenkung des Wechselanteils dPa(t).
  • Die Leistungskennzahl KMPP wird zur spannungsgesteuerten Regelung wie folgt bestimmt:
    Figure 00080003
    wobei gilt: KMPP > 0: UMMP < UBZ < U0 [7] KMPP = 0: UBZ = UMMP(Leistungsanpassung) [8] KMPP < 0: 0V < UBZ < UMMP [9]und wobei der Bereich des maximalen Wirkungsgrades der Brennstoffzellenanordnung 2 bei KMPP > 0 liegt.
  • Anhand der ermittelten Leistungskennzahl KMPP kann ohne Kenntnis der momentan wirksamen Spannungs-Strom-Kennlinie (= Polarisationskennlinie) der Brennstoffzellenanordnung 2 mit der Bedingung KMPP = 0 mittels des Reglers 6 die Regelung in den Arbeitspunkt AP(MPP) mit Leistungsanpassung und somit maximaler Leistungsausbeute mittels einer Soll-Leistungskennzahl KMPPSoll geführt werden.
  • Dabei sind unter anderem folgende Parameter bzw. Einstellungen zu berücksichtigen. Bei einer beispielsweise periodischen, sinusförmigen Variation der Spannung U ist die Frequenz f des Wechselanteils dUa(t) der Spannung U größer als die gewünschte Bandbreite der Leistungsregelung vorzugeben.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann darüber hinaus die Auflösung bzw. der Genauigkeitsgrad der Ermittlung des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung durch Änderung der Amplitude des Wechselanteils dUa(t) der Spannung U vorgegeben und eingestellt werden.
  • Die Form des vorgegebenen Wechselanteils dUa(t) kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann anstelle eines periodischen, sinusförmigen Signals ein Rechtecksignal verwendet werden. Die Verwendung eines Rechtecksignals erhöht gegenüber einem sinusförmigen Signal den Genauigkeitsgrad bei der Ermittlung und Einstellung des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung mit dem Nachteil von Oberwellenstörungen für das System 1.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann für die Regelung auch der Wirkungsgrad ηist der Brennstoffzellenanordnung 2 berücksichtigt werden, indem der Wert der Leistungskennzahl KMPP auf Werte > 0 geregelt wird. Somit kann je nach Vorgabe die spannungsgesteuerte Regelung mit hoher Dynamik und ungünstigem Wirkungsgrad ηist bzw. mit gedämpfter Dynamik und hohem Wirkungsgrad ηist eingestellt werden.
  • 2 zeigt ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm der Brennstoffzellenanordnung 2 mit aktiver Variation der an der Brennstoffzellenanordnung 2 einzustellenden Spannung U gemäß: U = Ua + dUa(t) [10]und daraus resultierender Variation des Stroms I gemäß: I = Ia + dIa(t) [11]und Verschiebung des Arbeitspunktes AP.
  • 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm D1 einer Brennstoffzellenanordnung 2 mit oberhalb des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkten AP1 bis AP3 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme D2 bis D5. Dabei wird die einzustellende Spannung U in diesem Ausführungsbeispiel periodisch, insbesondere sinusförmig variiert, wobei folgende Kenngrößen und deren Verlauf bzw. Wert in den Diagrammen D1 bis D5 dargestellt sind:
    UN = momentan wirksame Polarisationskennlinie der Brennstoffzellenanordnung 2 bezogen auf eine Zelle pro cm2,
    PN = daraus resultierende Leistungskurve (= f(IBZ)),
    uN_t_n = Ua – dUa (= negative Halbwelle),
    uN_t_p = Ua + dUa (= positive Halbwelle),
    iN_t_n = resutlierender Strom (negative Halbwelle),
    iN_t_p = resultierender Strom (positive Halbwelle),
    PN_t_n = Leistung der Brennstoffzellenanordnung 2 = uN_t_n·iN_t_n (negative Halbwelle),
    PN_t_p = Leistung der Brennstoffzellenanordnung 2 = uN_t_p·iN_t_p (positive Halbwelle),
    KMPP = Leistungskennzahl = 1 – Int(PN_t_)/(Int(PN_t_), Int = Integral der Halbwelle.
  • Die Kenngrößen gelten auch für die nachfolgend beispielhaft dargestellten Diagramme D6 bis 15.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm D6 einer Brennstoffzellenanordnung 2 mit einem im Arbeitspunkt AP(MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt AP4 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme D7 bis D10 und 5 zeigt ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm D11 mit einem unterhalb des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt AP5 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme D12 bis D15.
    • 1
    System
    2
    Brennstoffzellenanordnung
    3
    elektrischer Verbraucher
    4
    Umrichter
    5
    Steuergerät
    6
    Regler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4322765 C1 [0002]
    • - DE 10063654 A1 [0002]
    • - DE 102004038330 A1 [0003]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher (3) und einer Brennstoffzellenanordnung (2), von der eine elektrische Leistung (PBZ) für den Verbraucher (3) bereitgestellt wird und die durch einen die bereitgestellte Leistung (PBZ) repräsentierenden Ausgangsstrom (IBZ) und eine die bereitgestellte Leistung (PBZ) repräsentierende Ausgangsspannung (PBZ) sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt (AP) charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer aktiven Variation einer oder eines durch den elektrischen Verbraucher (3) vorgegebenen Spannung (U) oder Strom (I) eine dynamische Leistungskennzahl (KMPP) ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt (AP) der Brennstoffzellenanordnung (2) ermittelt und eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) periodisch variiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Wechselanteils (dUa(t)) der Spannung (U) variiert wird.
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