DE102008004701A1

DE102008004701A1 - Strategie zur Regelung einer Brennstoffzellenleistungsanforderung

Info

Publication number: DE102008004701A1
Application number: DE102008004701A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schaffnit; Jochen Lenz; Peter Willimowski; Andreas Voigt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: US20080176111A1; US8642222B2; DE102008004701B4

Abstract

Leistungsanforderungsregler, der verhindert, dass ein Leistungsanforderungssignal zu einem Brennstoffzellenstapelregler mehr Kompressorluft und Wasserstoffgas liefert, als es notwendig ist, um den gegenwärtigen Leistungsbedarf des Fahrzeugs zu erfüllen. Der Stapelregler erzeugt ein Signal des verfügbaren Stromes von dem Brennstoffzellenstapel. Dieses Signal und der gemessene Strom, der tatsächlich von dem Stapel gezogen wird, werden von einem Proportional-Integral(P-I)-Regler in dem Leistungsanforderungsregler empfangen. Wenn der verfügbare Stapelstrom signifikant größer als der verwendete Stapelstrom ist, liefert der P-I-Regler ein Ausgangssignal, das das Leistungsanforderungssignal reduziert, an den Stapelregler, so dass der von dem Stapel erzeugte Strom und der von dem Stapel gezogene Strom im Wesentlichen gleich sind. Ein Übergangsdetektor schaltet den P-I-Regler während eines Leistungsübergangs nach oben ab, so dass er das Leistungsanforderungssignal nicht reduziert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Leistungsanforderungsregelstrategie für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Leistungsanforderungsregelstrategie verwendet, die die Strömung von Luft und Wasserstoff zu einem Brennstoffzellenstapel regelt, so dass der gesamte Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden kann, durch die elektrischen Lasten in dem System verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Die dynamische Leistung eines Brennstoffzellensystems ist begrenzt. Ferner kann es sein, dass die Zeitverzögerung vom Systemstart zur Fahrbarkeit und langsamen Beschleunigung des Fahrzeugs nicht akzeptabel ist. Während eines bestimmten Fahrzyklus variiert die Stapelzellenspannung, da die variable Fahrerleistungsanforderung der Stapelpolarisie rungskurve folgt. Die Spannungszyklen können die Stapelhaltbarkeit verringern. Diese Nachteile können durch Verwendung einer Hochspannungsbatterie parallel zu dem Brennstoffzellenstapel minimiert werden. Es werden Algorithmen verwendet, um die Verteilung von Leistung von der Batterie und dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen und damit die angeforderte Leistung zu erfüllen.
Aus den oben beschriebenen Gründen sind einige Brennstoffzellenfahrzeuge Hybridfahrzeuge, die eine wieder aufladbare ergänzende Leistungsquelle zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel verwenden, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator (auch als Ultrakondensator oder Doppelschichtkondensator bezeichnet). Die Leistungsquelle liefert ergänzende Leistung für die verschiedenen Fahrzeugnebenaggregatlasten, zum Systemstart und bei Hochleistungsbedarf, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung bereitzustellen. Insbesondere liefert der Brennstoffzellenstapel Leistung an einen Traktionsmotor und andere Fahrzeugsysteme durch eine DC-Spannungsbusleitung zum Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert die ergänzende Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten, wenn zusätzliche Leistung über die hinaus erforderlich ist, die der Stapel bereitstellen kann, wie bei einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung eine Leistung von 100 kW oder mehr erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird dazu verwendet, die Batterie zu denjenigen Zeiten wieder aufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, den Systemleistungsbedarf zu erfüllen. Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor während der regenerativen Bremsung verfügbar ist, wird auch dazu verwendet, die Batterie durch die DC-Busleitung wieder aufzuladen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenleistungssystem für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug offenbart, das einen Leistungsanforderungsregler aufweist, der verhindert, dass ein Leistungsanforderungssignal zu einem Brennstoffzellenstapelregler mehr Kompressorluft und Wasserstoffgas bereitstellt, als es notwendig ist, um den gegenwärtigen Leistungsbedarf des Fahrzeugs zu erfüllen. Der Stapelregler erzeugt ein Signal des verfügbaren Stroms von dem Brennstoffzellenstapel. Dieses Signal und der gemessene Strom, der tatsächlich von dem Brennstoffzellenstapel gezogen wird, werden von einem Proportional-Integral-(P-I)-Regler in dem Leistungsanforderungsregler aufgenommen. Wenn der verfügbare Stapelstrom signifikant größer als der verwendete Stapelstrom ist, liefert der P-I-Regler ein Ausgangssignal, das das Leistungsanforderungssignal reduziert, an den Stapelregler, so dass der von dem Stapel erzeugte Strom und der von dem Stapel gezogene Strom im Wesentlichen gleich sind. Der Leistungsanforderungsregler weist auch einen Übergangsdetektor auf, der bestimmt, ob das Leistungsanforderungssignal einem signifikanten Leistungsübergang nach oben entspricht, und, wenn dies der Fall ist, den P-I-Regler abschaltet, so dass er das Leistungsanforderungssignal während des Leistungsübergangs nach oben nicht reduziert.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel und eine Hochspannungsbatterie aufweist;
2 ist ein Blockdiagramm eines bekannten Brennstoffzellenleistungssystems für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug;
3 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenleistungssystems für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug, das einen Leistungsanforderungsregler aufweist, um zu verhindern, dass ein Leistungsanforderungssignal mehr verfügbaren Stapelstrom, als benötigt wird, bereitstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse und der Leistung an der vertikalen Achse, das zeigt, wie der Leistungsanforderungsregler in 3 das Leistungsanforderungssignal reduziert, so dass der verfügbare Stapelstrom nicht größer als nötig ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Leistungsanforderungsregelstrategie für ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Beispielsweise besitzt die Leistungsanforderungsregelstrategie der Erfindung besondere Anwendung für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug. Jedoch kann, wie es dem Fachmann angemerkt sei, die Leistungsanforderungsregelstrategie der Erfindung auch Anwendung für andere Brennstoffzellensysteme besitzen.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 und einer Batterie 14, das eine Leistungselektronik aufweist. Um ein Laden oder Entladen der Batterie vorzusehen, ist eine Spannungsdifferenz zwischen der Stapelspannung und der Batteriespannung erforderlich. Wenn die Stapelspannung größer als die Batteriespannung ist, arbeitet die Leistungselektronik als ein Spannungsverstärker, wobei die Verstärkung kleiner oder gleich Eins ist, um die Batterie zu laden. Der Brennstoffzellenstapel 12 liefert elektrische Leistung an eine Hochspannungs-DC-Busleitung 16. Die Batterie 14 ist auch mit der Hochspannungsbusleitung 16 gekoppelt und liefert ergänzende Leistung, wie oben beschrieben ist. Ein Kompressor 18 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, und eine Wasserstoffquelle 20 liefert eine Wasserstoffströmung an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) 22 auf, das elektrisch mit der Busleitung 16 und einem ETS 24 gekoppelt ist, das einen AC-Traktionsmotor aufweist. Das PIM 22 wandelt die DC-Spannung auf der Busleitung 16 in eine AC-Spannung um, die für das ETS 24 geeignet ist. Das ETS 24 liefert die Traktionsleistung zum Betrieb des Fahrzeugs, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der Traktionsmotor kann für die hier beschriebenen Zwecke ein beliebiger geeigneter Motor sein, wie ein AC-Induktionsmotor, ein AC-Permanentmagnetmotor und eine AC-Dreiphasensynchronmaschine. Beim regenerativen Bremsen, wenn der Traktionsmotor als ein Generator arbeitet, wird elektrische AC-Leistung von dem Motor durch das PIM 22 in DC-Leistung umgewandelt, die dann an die Busleitung 16 angelegt wird, um die Batterie 14 wieder aufzuladen. Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch ein bidirektionales 12 V-DC/DC-Leistungswandlermodul (PCM) 26 auf, das elektrisch mit der Busleitung 16 gekoppelt ist und die Hochspannungsleistung auf der Busleitung 16 in eine niedrige DC-Spannung oder AC-Spannung umwandelt, die für Nebenaggregate 28, wie Leuchten, Heizer, etc., in dem Fahrzeug geeignet ist.
Die maximale Leistungsmenge, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 gezogen werden kann, ist von der Wasserstoffgaslieferung zu dem Stapel 12 abhängig. Für Brennstoffzellenfahrzeuge ist die elektrische Last an dem Stapel 12 hauptsächlich von der Drehmomentanforderung des Fahrers abhängig. Somit muss die Menge an elektrischer Leistung, die notwendig ist, um die Drehmomentanforderung zu erfüllen, berechnet werden. Auf Grundlage dieser elektrischen Leistung wird die Wasserstofflieferung für den Stapel 12 bestimmt. Sobald die Wasserstoffgaslieferung bereitgestellt ist, ist der entsprechende Strom von dem Stapel 12 verfügbar. Wenn die an den Brennstoffzellenstapel 12 gelieferte Wasserstoffgaslieferung einer höheren Last entspricht, als tatsächlich von dem Stapel 12 gezogen wird, können die Stapelbetriebsbedingungen wie auch die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden. Wenn daher der Stromfluss von dem Stapel 12 kleiner ist als der Strom, der von dem Stapel 12 auf Grundlage des Wasserstoffdurchflusses und der Luftströmung verfügbar ist, wird angestrebt, die Leistungsanforderung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu reduzieren, um den gezogenen Strom anzupassen.
2 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenleistungssystems 30 mit einem Stapelregler 32 für ein Brennstoffzellensystem an einem Hyb ridfahrzeug. Wenn der Fahrzeugbediener für eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit eine Drehmomentanforderung für das ETS 24 bereitstellt, wird diese Drehmomentanforderung in ein Leistungsanforderungssignal umgewandelt, das auf Leitung 34 vorgesehen wird. Das Leistungsanforderungssignal wird durch einen Addierer 38 zu einem Nebenaggregat-Leistungsanforderungssignal auf Leitung 36 von den verschiedenen Nebenaggregatquellen addiert. Das Gesamtsignal der Leistungsanforderung des Brennstoffzellenmoduls von dem Addierer 38 wird dann durch einen Addierer 42 zu einem Kompressorleistungsanforderungssignal von einem Kompressorregler 40 addiert. Ein Stapelleistungsanforderungssignal wird dann an den Stapelregler 32 geliefert, um die gewünschte Leistung von dem Stapel 12 bereitzustellen und damit die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Der Stapelregler 32 verwendet einen Algorithmus, von denen dem Fachmann mehrere bekannt sind und der für die Leistungsanforderung einen gewünschten Luftmassenstrom auf Leitung 44 und einen gewünschten Wasserstoffdurchfluss zu dem Stapel 12 auf Leitung 46 erzeugt. Der gewünschte Luftmassenstrom wird von dem Kompressorregler 40 in das Kompressorleistungsanforderungssignal umgewandelt und an den Addierer 42 geliefert. Auf Grundlage des Luftmassenstromsignals und des Wasserstoffdurchflusssignals gibt der Stapelregler 32 auch ein Signal auf Leitung 48 aus, das festlegt, wie viel Strom von dem Brennstoffzellenstapel 12 durch die verschiedenen Lasten gezogen werden kann. Das System 30 kann auch einen Leistungsbegrenzungsregler (nicht gezeigt) aufweisen, der verhindert, dass mehr Strom von dem Stapel 12 gezogen wird, als verfügbar ist, was die zulässige Leistung für die Systemlasten reduziert.
Allgemein werden mathematische Modelle verwendet, um die Drehmomentanforderung von dem Fahrer zu der ETS-Leistungsanforderung auf der Leitung 34 umzuwandeln. Beispielsweise kann ein mathematisches Modell verwendet werden, um die notwendige elektrische Leistung abzuschätzen, um ein bestimmtes mechanisches Drehmoment in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu erreichen. Da diese Modelle typischerweise verschiedene Ungenauigkeiten für bestimmte Betriebsbedingungen besitzen, kann der Stapelregler 32 bewirken, dass die Strömung von Luft und Wasserstoff zu dem Stapel 12 einem höheren Strom entspricht, der von dem Stapel 12 bereitgestellt werden kann, was mehr ist, als von dem Stapel 12 gezogen werden kann. Insbesondere kann es sogar mit genauen Modellen nicht sichergestellt werden, dass bei allen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs während des gesamten Fahrzyklus eine exakte Leistungsanforderung infolge verschiedener Betriebsparameter erfüllt wird, wie Änderungen, die durch die Verschlechterung von Komponenten bewirkt werden. In dieser Situation erzeugt der Stapel 12, da mehr Luft von dem Kompressor 18 an den Brennstoffzellenstapel 12 geliefert wird, als für die gewünschte Stromentnahme von dem Stapel 12 notwendig ist, nicht ausreichend Wasser, um die Feuchtigkeit der Membrane in dem Stapel 12 aufrecht zu erhalten, wodurch bewirkt wird, dass diese austrocknen, wobei die Lebensdauer des Stapels 12 möglicherweise verringert wird.
3 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenleistungssystems 50, das dem Brennstoffzellenleistungssystem 30 ähnlich ist, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 50 umfasst ein Leistungsanforderungsregler-Subsystem 52 mit einem P-I-Leistungsanforderungsregler 54. Der P-I-Regler 54 empfängt ein Signal auf Leitung 56 von dem Stapelregler 32, das den tatsächlichen Stapelstrom angibt, der von dem Stapel 12 gezogen wird, und ein Signal auf Leitung 58, das den verfügbaren Strom angibt, den der Stapel 12 angesichts der gegenwärtigen Systembetriebsbedingungen, wie Temperatur, Zellenspannung, Wasserstoffversorgung, Luftversorgung, etc. erzeugen kann. Der Fachmann erkennt leicht verschiedene Algorithmen, die verwendet werden können, um den tatsächlichen Stapelstrom und den verfügbaren Stapelstrom von dem Stapel 12 in dem Regler 32 zu berechnen.
Der P-I-Regler 54 vergleicht das Signal des verfügbaren Stapelstroms mit dem Signal des tatsächlichen Stapelstroms, und wenn der verfügbare Stapelstrom signifikant größer als der tatsächliche Stapelstrom ist, gibt der P-I-Regler 54 dann ein Leistungsanforderungsreduziersignal aus, das das Leistungsanforderungssignal zu dem Regler 32 auf die richtige Größe reduziert, so dass die beiden Signale signifikant gleich sind. Insbesondere gibt der P-I-Regler 54 ein Signal an einen Addierer 62 aus, das zu einem Roh-Stapelleistungsanforderungssignal auf Leitung 60 von dem Addierer 42 addiert wird, das das Rohstapelleistungsanforderungssignal auf ein Stapelleistungsanforderungssignal reduziert, das an den Stapelregler 32 angelegt wird, um die gewünschte Kompressordrehzahl und den gewünschten Wasserstoffdurchfluss auf den Leitungen 44 bzw. 46 zu erzeugen, so dass der verfügbare Stapelstrom und der tatsächliche Stapelstrom im Wesentlichen übereinstimmen. Der P-I-Regler 54 gibt kein Leistungsanforderungsreduziersignal an den Addierer 62 aus, wenn der gewünschte Stapelstrom größer als der verfügbare Stapelstrom ist oder wenn der verfügbare Stapelstrom um weniger als eine vorbestimmte Schwelle, beispielsweise 5 Ampere, größer als der tatsächliche Stapelstrom ist.
Bei einer Anforderung nach aufwärts gerichtetem Leistungsübergang, beispielsweise bei einer Beschleunigung, kann die Qualität des angeforderten Stapelstroms und des tatsächlichen Stapelstroms nicht erreicht werden, da die begrenzte Dynamik des Brennstoffzellenstapels 12 eine Ansprechverzögerung zwischen dem angeforderten und dem verfügbaren Strom erzeugt. Während dieser Übergangsbedingungen wird das Leistungsanforderungssignal nicht reduziert. Insbesondere existiert allgemein eine gewisse Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, wenn das Stapelleistungsanforderungssignal für eine neue Leistungsanforderung nach oben geht, und dem Zeitpunkt, wenn der Stapel 12 in der Lage ist, den Strom bereitzustellen, der beispielsweise von einem Hochfahren des Kompressors, einem Schalten von Ventilen, etc. verfügbar ist. Daher wird gemäß der Erfindung der P-I-Regler 54 deaktiviert, wenn ein aufwärts gerichteter Leistungsübergang detektiert wird. Wenn der Regler 54 aktiv ist, ist die angeforderte stabile Leistung immer noch wesentlich höher als die tatsächliche Leistung. Diese Differenz wird durch den Regler 54 reduziert, um die Qualität der angeforderten Leistung in dem tatsächlichen Stapelstrom zu erreichen.
Wie oben beschrieben ist, ist es erwünscht, den P-I-Regler 54 während eines Leistungsübergangs nach oben abzuschalten, so dass der P-I-Regler 54 das Leistungsanforderungssignal während des Leistungsübergangs nach oben nicht reduziert. Um diesen Bedarf zu erfüllen, weist der Leistungsanforderungsregler 52 einen Übergangsdetektor 64 auf, der das rohe Stapelleistungsanforderungssignal von dem Addierer 42 empfängt. Wenn der Übergangsdetektor 64 bestimmt, dass das rohe Stapelleistungsanforderungssignal von dem Addierer 42 mit einer derartigen Rate ansteigt, die einen Leistungsübergang nach oben anzeigt, dann gibt der Übergangsdetektor 64 ein Signal an den P-I-Regler 54 aus, das verhindert, dass der P-I-Regler das leistungsbewirkende Signal an den Addierer 62 ausgibt, um das Stapelleistungsanforderungssignal zu reduzieren. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform deaktiviert der Übergangsdetektor 64 den P-I-Regler 54, wenn sich das rohe Stapelleistungsanforderungssignal innerhalb einer Sekunde um mehr als 10% der maximalen Stapelleistung ändert. Wenn der aufwärts gerichtete Leistungsübergang vorbei ist und das System in einen stabilen Betrieb zurückgekehrt ist, kann dann der Übergangsdetektor 64 den P-I-Regler 54 zurück einschalten. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Zeitdauer, die der P-I-Regler 54 während eines Leistungsübergangs nach oben deaktiviert ist, dem Dreifachen des Ansprechens einer Stufe von 10–90% des Stapels 12 entsprechen, um sicherzustellen, dass ein stabiler Zustand erreicht werden kann, bevor der P-I-Regler 54 erneut aktiv wird.
4 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse und der Leistung (kW) an der vertikalen Achse, das einige der Signale in dem System 50 zeigt, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Die Schaubildlinie 70 zeigt das rohe Stapelleistungsanforderungssignal von dem Addierer 42. Das rohe Stapelleistungsanforderungssignal besitzt einen unmittelbaren Leistungsübergang nach oben, wobei der P-I-Regler 54 durch den Übergangsdetektor 64 durch Signalleitung 72 deaktiviert wird. Wenn das P-I-Regler-Aktivierungssignal zum Zeitpunkt von etwa 502 Sekunden zurück auf Null geht, beginnt der P-I-Regler 54 die Ausgabe des Leistungsreduziersignals zu dem Addierer 62 auf Schaubildlinie 74, um das rohe Stapelleistungsanforderungssignal zu reduzieren und das Stapelleistungsanforderungssignal von dem Addierer 62 zu erhalten, das durch die Schaubildlinie 76 gezeigt ist. Der Proportionalteil des Reglers 54 multipliziert die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Stapelstromwert, um den Ausgang des P-I-Reglers 54 an der Schaubildlinie 74 zu erzeugen. In Ansprechen auf den Ausgang von dem P-I-Regler 54 wird das rohe Stapelleistungsanforderungssignal von dem Addierer 42 reduziert, um das Stapelleistungsanforderungssignal auf der Schaubildlinie 76 bereitzustellen. Ferner erreicht die Stapelleistung an der Schaubildlinie 78 das Stapelleistungsanforderungssignal an der Schaubildlinie 76 zu einer gewissen Zeitperiode, die erwünscht ist.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der auf eine Kathodenluftströmung und eine Anodenwasserstoffgasströmung anspricht; einem Kompressor zur Lieferung der Kathodenluftströmung an den Brennstoffzellenstapel; einem Brennstoffzellenstapelregler, der ein Wasserstoffdurchflusssignal zur Lieferung eines gewünschten Wasserstoffdurchflusses zu dem Brennstoffzellenstapel, ein Signal eines gewünschten Luftstroms, das den gewünschten Luftstrom zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels angibt, ein Signal des verfügbaren Stapelstroms, das den Strom angibt, der von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, und ein Signal des tatsächlichen Stapelstroms erzeugt, das den tatsächlichen Strom angibt, der von dem Stapel gezogen wird; einem Leistungsanforderungsregler, der auf das Signal des tatsächlichen Stapelstroms und das Signal des verfügbaren Stapelstroms anspricht und ein Leistungsanforderungsreduziersignal liefert, wenn das Signal des verfügbaren Stapelstroms größer als das Signal des tatsächlichen Stapelstroms ist; und einem Addierer zum Addieren des Leistungsanforderungsreduziersignals und eines rohen Stapelleistungsanforderungssignals, um das rohe Stapelleistungsanforderungssignal zu reduzieren, wobei der Brennstoffzellenstapelregler auf das reduzierte rohe Stapelleistungsanforderungssignal anspricht, so dass das Signal des tat sächlichen Stapelstroms und das Signal des verfügbaren Stapelstroms etwa gleich sind.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Übergangsdetektor, wobei der Übergangsdetektor auf das rohe Stapelleistungsanforderungssignal anspricht, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler abschaltet, wenn der Übergangsdetektor einen Leistungsübergang nach oben detektiert.
System nach Anspruch 2, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler abschaltet, wenn sich das rohe Stapelleistungsanforderungssignal innerhalb einer Sekunde oder weniger um mehr als 10% einer maximalen Stapelleistung ändert.
System nach Anspruch 2, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler in dem ausgeschalteten Zustand für eine Zeitdauer des etwa Dreifachen eines Ansprechens einer Stufe von 10–90% des Brennstoffzellenstapels beibehält.
System nach Anspruch 1, wobei der Leistungsanforderungsregler das Leistungsanforderungsreduziersignal nur bereitstellt, wenn das Signal des verfügbaren Stapelstroms um eine vorbestimmte Schwelle größer als das Signal des tatsächlichen Stapelstroms ist.
System nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Schwelle etwa 5 Ampere beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Leistungsanforderungsregler ein Proportional-Integral-Regler ist.
System nach Anspruch 1, wobei das rohe Stapelleistungsanforderungssignal eine Kombination eines Leistungsanforderungssignals des elektrischen Traktionssystems, eines Leistungsanforderungssignals von Nebenaggregaten und eines Leistungsanforderungssignals eines Kompressors ist.
System nach Anspruch 1, wobei sich das System an einem Brennstoffzellenfahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem für ein Hybridbrennstoffzellenfahrzeug, wobei das Fahrzeug umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der auf eine Kathodenluftströmung und eine Anodenwasserstoffgasströmung anspricht; einen Kompressor zur Lieferung der Kathodenluftströmung an den Brennstoffzellenstapel; einen ersten Addierer zur Addition eines Leistungsanforderungssignals eines elektrischen Traktionssystems von einem elektrischen Traktionssystem an dem Fahrzeug, eines Leistungsanforderungssignals von Nebenaggregaten von Nebenaggregatleistungslasten an dem Fahrzeug und eines Leistungsanforderungssignals eines Kompressors, das die Drehzahl des Kompressors bestimmt, um ein rohes Stapelleistungsanforderungssignal bereitzustellen; einen Brennstoffzellenstapelregler, der ein Wasserstoffdurchflusssignal zur Bereitstellung eines gewünschten Wasserstoffdurchflusses zu dem Brennstoffzellenstapel, ein Signal einer gewünschten Luftströmung, das dazu verwendet wird, das Kompressorleistungsanforderungssignal zu erzeugen, und ein Signal eines verfügbaren Stapelstroms, das den Strom angibt, der von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, und ein Signal eines tatsächlichen Stapel stroms, das den tatsächlichen Strom angibt, der von dem Brennstoffzellenstapel gezogen wird, erzeugt; einen Leistungsanforderungsregler, der auf das Signal des tatsächlichen Stapelstroms und das Signal des verfügbaren Stapelstroms anspricht und ein Leistungsanforderungsreduziersignal bereitstellt, wenn das Signal des verfügbaren Stapelstroms größer als das Signal des tatsächlichen Stapelstroms ist; einen zweiten Addierer zur Addition des Leistungsanforderungsreduziersignals und des rohen Stapelleistungsanforderungssignals, um ein Stapelleistungsanforderungssignal zu erzeugen, das an den Brennstoffzellenstapelregler geliefert wird, so dass das Signal des tatsächlichen Stapelstroms und das Signal des verfügbaren Stapelstroms etwa gleich sind; und einen Übergangsdetektor, wobei der Übergangsdetektor auf das rohe Stapelleistungsanforderungssignal anspricht, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler abschaltet, wenn der Übergangsdetektor einen Leistungsübergang nach oben detektiert.
System nach Anspruch 10, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler abschaltet, wenn das rohe Stapelleistungsanforderungssignal sich innerhalb einer Sekunde oder weniger um mehr als 10% einer maximalen Stapelleistung ändert.
System nach Anspruch 10, wobei der Übergangsdetektor den Leistungsanforderungsregler in dem ausgeschalteten Zustand für eine Zeitdauer des etwa Dreifachen eines Ansprechens einer Stufe von 10–90% des Brennstoffzellenstapels beibehält.
System nach Anspruch 10, wobei der Leistungsanforderungsregler das reduzierende Leistungsanforderungsreduziersignal nur bereitstellt, wenn das Signal des verfügbaren Stapelstroms um eine vorbestimmte Schwelle größer als das Signal des tatsächlichen Stapelstroms ist.
System nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Schwelle etwa 5 Ampere beträgt.
System nach Anspruch 10, wobei der Leistungsanforderungsregler ein Proportional-Integral-Regler ist.
Verfahren zum Verhindern, dass der von einem Brennstoffzellenstapel verfügbare Strom den tatsächlich von dem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom überschreitet, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Strommenge bestimmt wird, die der Brennstoffzellenstapel erzeugen kann; die Strommenge bestimmt wird, die von dem Brennstoffzellenstapel gezogen wird; und die Strommenge, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, reduziert wird, wenn die Menge der Menge des Stromes, der von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, den von dem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Reduzieren der Strommenge, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, umfasst, dass ein rohes Stapelleistungsanforderungssignal reduziert wird, das eine Kombination eines Leistungsanforderungssignals des elektrischen Traktionssystems, eines Leistungsanforderungssignals von Neben aggregaten und eines Leistungsanforderungssignals eines Kompressors ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass verhindert wird, dass das Leistungsanforderungssignal reduziert wird, wenn sich der Brennstoffzellenstapel in einem Leistungsübergang nach oben befindet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verhindern einer Reduzierung des Leistungsanforderungssignals, wenn sich der Brennstoffzellenstapel in einem Leistungsübergang nach oben befindet, umfasst, dass verhindert wird, dass das Leistungsanforderungssignal reduziert wird, wenn sich ein rohes Stapelleistungsanforderungssignal innerhalb einer Sekunde oder weniger um mehr als 10% einer maximalen Stapelleistung ändert.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verhindern einer Reduzierung des Leistungsanforderungssignals, wenn sich der Brennstoffzellenstapel in einem Leistungsübergang nach oben befindet, umfasst, dass verhindert wird, dass das Leistungsanforderungssignal reduziert wird, und zwar für eine Zeitdauer des etwa Dreifachen eines Ansprechens einer Stufe von 10–90% des Brennstoffzellenstapels.