DE102008010711A1 - Fuel cell system operating method for vehicle, involves designing control such that gas pressure of fuel and oxidant are coupled with each other by coupling control, and modifying gas flow rate without influence of gas pressure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und ein Brennstoffzellensystem mit einer Regleranordnung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 13 genannten Merkmalen.The The invention relates to a method for operating a fuel cell system with the features mentioned in the preamble of claim 1 and a Fuel cell system with a controller arrangement with the in the preamble of claim 13 mentioned features.
Die Brennstoffzellen sind bekannterweise eine vielversprechende, zukunftsweisende Form der Energiewandlung. In verschiedenen Bereichen könnten sich in nicht allzu ferner Zukunft völlig neue Produkte etablieren. Das Grundprinzip der Brennstoffzelle basiert auf der Oxidation des Brennstoffes auf elektrochemischem Wege in einer galvanischen Zelle. Dabei wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt, welche sich auf vielfältige Weise nutzen lässt. Möglich ist beispielsweise der Antrieb eines Fahrzeuges mithilfe eines Elektromotors oder die Bordstromversorgung, die bereits in einer Vorserienreife vorliegen.The Fuel cells are known to be a promising, forward-looking Form of energy conversion. In different areas could in the not too distant future completely new products establish. The basic principle of the fuel cell is based on the Oxidation of the fuel by electrochemical means in a galvanic Cell. This chemical energy is directly into electrical energy converted, which can be used in many ways. For example, it is possible to drive a vehicle using an electric motor or the on-board power supply already in a pre-production license.
Die erreichbaren Wirkungsgrade einer Brennstoffzelle liegen weit über denen der herkömmlichen Energiewandlungstechnologien. Die Forderung nach Reduzierung des Energieverbrauches durch effizientere Energiewandlungs-Technologien lässt sich damit erfüllen.The achievable efficiencies of a fuel cell are well above those of conventional energy conversion technologies. The Demand for reduction of energy consumption by more efficient Energy conversion technologies can be fulfilled.
Für den Einsatz im Sub-Megawatt-Bereich hat sich Wasserstoff als sinnvoller Energieträger herausgestellt. Dieser wird mit Sauerstoff, zum Beispiel aus der Luft zu Wasser oxidiert. Der Wasserstoff kann dabei auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. Er kann zum Beispiel in Reinform gespeichert oder durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden.For The use of sub-megawatts of hydrogen has made more sense Energy carrier exposed. This is with oxygen, for example, from the air to water oxidized. The hydrogen can be provided in different ways. He can for Example stored in pure form or by reforming of hydrocarbons be generated.
Die beiden Reaktionspartner sind meist räumlich voneinander getrennt, wobei die Trennung so gestaltet ist, dass sie nicht elektrisch leitfähig ist. Die bei der Reaktion frei werdenden Elektronen werden somit gezwungen, sich durch einen elektrischen Stromkreis von der Anode zur Kathode zu bewegen, wodurch sie Arbeit verrichten können.The both reactants are usually spatially separated separated, wherein the separation is designed so that they are not electrical is conductive. The released electrons in the reaction are thus forced to move through an electrical circuit from the anode to the cathode, causing them to do work can.
Bei der Brennstoffzellen-Reaktion entsteht reines Wasser, welches vornehmlich an der Kathode anfällt und mit dem Abgas abgeführt wird. Je nach Betriebstemperatur kann das Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form beziehungsweise in einem Gemisch aus beidem vorliegen.at The fuel cell reaction produces pure water, which is primarily accumulates at the cathode and removed with the exhaust gas becomes. Depending on the operating temperature, the water can be in liquid or gaseous form or in a mixture of both available.
Zur technischen Umsetzung von leistungsfähigen Brennstoffzellen auf Basis von Polymermembranen gibt es zurzeit zwei vielversprechende Technologien.to technical implementation of high-performance fuel cells On the basis of polymer membranes, there are currently two promising ones Technologies.
Zum einen ist es die bekannte Niedertemperaturbrennstoffzelle, deren Funktionsfähigkeit durch ein sulfoniertes Fluorpolymer (Nafion o. a.) gewährleistet wird. Die Protonenleitung ist hierbei von dem Wassergehalt des Polymermaterials abhängig. Dadurch ist die Betriebstemperatur bei Atmosphärendruck auf unter 100°C limitiert. Für diesen Typ ist daher ein entsprechendes Wassermanagement notwendig. Meist müssen die Reaktionsgase sogar befeuchtet werden, um ein Austrocknen der Membran zu vermeiden. Ein zu hoher Anteil an Wasser in flüssiger Form kann jedoch die Versorgung mit Reaktionsgasen stören.To the it is the well-known low-temperature fuel cell, whose Functionality through a sulfonated fluoropolymer (Nafion, etc.). The proton line is dependent on the water content of the polymer material. As a result, the operating temperature is at atmospheric pressure limited to below 100 ° C. For this guy is therefore a corresponding water management necessary. Most need The reaction gases are even moistened to dry out the To avoid membrane. Too much water in liquid However, shape can interfere with the supply of reaction gases.
Der zweite Typ ist die so genannte Hochtemperatur-Polymermembran-Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich im Grunde um eine phosphorsaure Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von ca. 160°C. Da der Protonenleitungsmechanismus hier vom Wasser unabhängig ist, wird keine Mindestfeuchte der Membran benötigt. Kritisch ist jedoch bei diesem Typ der Brennstoffzelle das Auftreten von Wasser in flüssiger Form. In diesem Fall besteht die Gefahr des Austragens von Phosphorsäure aus der Polymermembran und damit einer Schädigung der Brennstoffzelle. Insbesondere bei Kaltstarts kann dies der Fall sein.Of the second type is the so-called high-temperature polymer membrane fuel cell. This is basically a phosphoric acid fuel cell with an operating temperature of approx. 160 ° C. As the proton conduction mechanism Here is independent of the water, no minimum moisture the membrane needed. Critical, however, is in this type the fuel cell the appearance of water in liquid Shape. In this case, there is a risk of discharging phosphoric acid from the polymer membrane and thus damage to the fuel cell. This can be the case in particular with cold starts.
Die Trennung der beiden Reaktionspartner in der Brennstoffzelle erfolgt oft durch eine sehr dünne Elektrolytmembran, die aufgrund von Druckunterschieden zwischen den Gasdrücken von Luft und Wasserstoff sehr leicht zerstört sein kann. Die flüssig betriebenen Brennstoffzellen weisen keine solch bedeutende Druckdifferenzempfindlichkeit auf, sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet.The Separation of the two reactants in the fuel cell takes place often due to a very thin electrolyte membrane due to of pressure differences between the gas pressures of air and hydrogen can be destroyed very easily. The liquid operated Fuel cells do not have such significant pressure differential sensitivity but have other disadvantages.
Der
Regelung der Gasdrücke (von Wasserstoff und Luft) und des
Luftmassenstromes kommt daher im Brennstoffzellensystem eine besondere
Bedeutung zu, da mit diesen Größen die erreichbare Dynamik
des Gesamtsystems beeinflusst wird und gleichzeitig eine maximale
Druckdifferenz zwischen den Gasen für die Brennstoffzelle
vorgegeben ist. Die Forderung nach der Verkopplung der durch das
physikalische System nicht gekoppelten Größen
Wasserstoff- und Luftdruck sowie deren Entkopplung von dem Luftmassenstrom
lassen die Anwendung einer Verkopplungsregelung sinnvoll erscheinen,
die beispielsweise in
Die
Die
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Brennstoffdruck und den Oxidationsmitteldruck einer gasförmig betriebenen Brennstoffzelle jeweils so miteinander gekoppelt zu regeln, dass sie unter allen Betriebsbedingungen in einem großen dynamischen Betriebsbereich eine möglichst konstante vorgegebene und vorgebbare Druckdifferenz untereinander aufweisen. Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, den Druck des Luftgasgemischs von den Änderungen des Luftmassenstroms zu entkoppeln.Of the Invention is therefore based on the object, the fuel pressure and the oxidant pressure of a gaseous operated Fuel cell each coupled so coupled together that They under all operating conditions in a large dynamic Operating range as constant as possible and given have predetermined pressure difference between them. Furthermore belongs It is an object of the invention, the pressure of the air mixture of to decouple the changes in the air mass flow.
Für
den erfindungsgemäßen Reglerentwurf wird ein lineares,
zeitinvariantes System der Luft- und Wasserstoffstrecken des Brennstoffzellensystems zugrunde gelegt, das hier
beispielhaft in vektorieller Form beschrieben ist. Zusammengefasst
sind die obigen Differenzial-Gleichungen in einer Kurzform dargestellt:
ALW Systemmatrix, BLW Eingangsmatrix,
CLW Ausgangsmatrix, xLW n-dimensionaler
Zustandsvektor, uLW = [uKomp,
UDK, uRV] der Eingangsvektor
und yLW = [pL, m . pW] der Ausgangsvektor.For the controller design according to the invention is a linear, time-invariant system of the air and hydrogen routes of the fuel cell system which is described here by way of example in vector form. In summary, the above differential equations are shown in a short form:
A LW system matrix, B LW input matrix, C LW output matrix, x LW n-dimensional state vector, u LW = [u comp , U DK , u RV ] the input vector and y LW = [p L , m. p W ] the output vector.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle aus, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brenngases, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind.The The present invention relates to a method for operating a Fuel cell system with a regulation of the gas pressure values of a gaseous Fuel and a gaseous oxidant in the respective supply lines of a fuel cell, wherein the Gas pressure values of the fuel gas used, preferably hydrogen, and the oxidizing agent used, preferably the air / oxygen, physically not coupled to each other.
Dadurch, dass
- – der Gasdruck des Brennstoffs in einer Brennstoffregelstrecke nach einem ersten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene erste Führungsgröße geregelt wird;
- – der Gasdruck des Oxidationsmittels in einer Oxidationsmittelregelstrecke nach einem zweiten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene zweite Führungsgröße geregelt wird;
- – der Gasmassenstrom wenigstens eines der beiden Gase direkt oder indirekt erfasst und ermittelt wird, und nach einem dritten Regelalgorithmus auf eine dritte vorgegebene veränderbare Führungsgröße in einer Gasmassenstrom-Regelstrecke geregelt wird;
- – die Brennstoffregelstrecke, die Oxidationsmittelregelstrecke und die Gasmassenstrom-Regelstrecke mit ihren jeweiligen Regelalgorithmen in einen sie alle umfassenden Regelkreis einbezogen werden,
- - The gas pressure of the fuel in a fuel control path is controlled according to a first control algorithm to a predetermined first reference variable;
- - The gas pressure of the oxidizing agent is controlled in an oxidant control system according to a second control algorithm to a predetermined second reference variable;
- - The gas mass flow of at least one of the two gases is detected directly or indirectly and determined, and is controlled by a third control algorithm to a third predetermined variable command variable in a gas mass flow system;
- - The fuel control line, the oxidant control system and the gas mass flow control system with their respective control algorithms are included in a comprehensive them all control loop,
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine rückgekoppelte Regelung einer oder mehrerer zusammengesetzter Regelungsarten mit einem Mehrgrößenregler ausgeführt. Es sind hierbei verschiedenartige bekannte Regelkreisanwendungen einsetzbar, kaskadierbar und in einer beliebigen Komplexität in Beziehung zueinander einsetzbar.According to one further embodiment of the method according to the present invention the control in the comprehensive control loop is fed back as one Regulation of one or more composite types of control executed a multi-variable controller. It Various types of known control loop applications can be used here, cascadable and in any complexity in relation used with each other.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine Zustandsregelung im Zustandsraum mit einer Zustandsrückführung ausgeführt. Es ist bekannt, dass die Zustandsregelung in der Lage ist, eine oder mehrere zu regelnden Parametergrößen besonders genau und besonders dynamisch regeln zu können. Ferner ist dadurch – wie oben erwähnt – eine Verkopplung physikalisch ungekoppelter Parametergrößen möglich. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Regelabweichungen der Parametergrößen sehr gering zu halten, wodurch eine maximale Druckdifferenz zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel effizienter auf einen höheren zulässigen Wert geregelt sein kann, ohne die mechanische Unversehrtheit einer Elektrolyt-Membrane zu gefährden.In a preferred embodiment of the method according to the present Invention will be the regulation in the comprehensive control loop as a State control in the state space with a state feedback executed. It is known that the state regulation in is capable of one or more parameter parameters to be controlled to be able to regulate precisely and particularly dynamically. Further is characterized - as mentioned above - a Coupling of physically uncoupled parameter sizes possible. This makes it possible according to the invention the control deviations of the parameter sizes are very high to keep low, creating a maximum pressure difference between Fuel and oxidizer more efficient at a higher permissible value can be regulated without the mechanical To endanger the integrity of an electrolyte membrane.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Zustandsregelung der Brennstoffregelstrecke und der Oxidationsmittelregelstrecke in dem erfindungsgemäßen umfassenden Regelkreis ein lineares, zeitinvariantes System von Gleichungen zugrunde gelegt.In a particularly preferred embodiment of the present invention is the state control of the fuel control path and the oxidant control system in the comprehensive control circuit according to the invention a linear, time-invariant system of equations.
Die Zustandsrückführung wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung so geregelt, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine Gleichheit der Gasdrücke (pW = pL) des Brennstoffs und des Oxidationsmittels bewirkt.The state feedback is controlled in a preferred embodiment of the method of the present invention so that a coupling condition is met, which causes an equality of the gas pressures (p W = p L ) of the fuel and the oxidizing agent.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Zustandsrückführung so geregelt, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine vorgegebene Druckdifferenz (Δp) der Gasdrücke des Brennstoffs (pW) und des Oxidationsmittels (pL) bewirkt und der Gasdruck des Brennstoffs um diese vorgegebene Druckdifferenz höher als der Gasdruck des Oxidationsmittels geregelt wird.According to still another aspect of the present invention, the state feedback is controlled so as to satisfy a coupling condition that causes a predetermined pressure difference (Δp) of the gas pressures of the fuel (p W ) and the oxidant (p L ) and the gas pressure of the fuel therearound predetermined pressure difference is regulated higher than the gas pressure of the oxidizing agent.
Vorzugsweise liegt die vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,5 bar, noch bevorzugter im Wesentlichen bei 0,2 bar. Diese Druckdifferenz ist vorzugsweise zum Betrieb einer gasförmig arbeitenden Brennstoffzelle erforderlich.Preferably is the predetermined pressure difference between the pressure of the fuel and the oxidizing agent in a range between 0.1 and 0.5 bar, more preferably substantially at 0.2 bar. This pressure difference is preferably for operating a gaseous working Fuel cell required.
Erfindungsgemäß werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die den jeweiligen Gasdruck vorgebende erste und zweite Führungsgröße in einem vorbestimmten Verhältnis aneinander gekoppelt.According to the invention according to a further embodiment of the present invention Invention the first and second prescribing the respective gas pressure Command variable in a predetermined Relationship coupled together.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden der Luftmassenstrom und der Gasdruck des Oxidationsmittels jeweils so geregelt, dass der Gasdruck des Oxidationsmittels unabhängig von dem Luftmassenstrom ist.In a further preferred embodiment of the present invention become the air mass flow and the gas pressure of the oxidizing agent each regulated so that the gas pressure of the oxidant independently from the mass air flow.
Das lineare, zeitinvariante System von Gleichungen ist in einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als ein vektorielles Gleichungssystem beschrieben, das ohne ein D-Glied auskommt.The linear, time-invariant system of equations is in a preferred further embodiment of the present invention as a vectorial system of equations described, which manages without a D-member.
In dem umfassenden erfindungsgemäßen Regelkreis ist die Führungsgenauigkeit der wenigstens einen Führungsgröße gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgebbar und wird durch wenigstens einen Zustandsparameter eines Filters eingestellt.In The comprehensive control circuit according to the invention is the guidance accuracy of the at least one reference variable according to a further embodiment of the present invention Invention predetermined by at least one state parameter of a Filters set.
Da die Erfassung der Zustandsparameter einer Zustandsregelung oft sehr aufwendig sein kann, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung parallel zu dem umfassenden Regelkreis eine Beobachterregelstrecke betrieben, wobei die Ausgänge des umfassenden Regelkreises und der Beobachterregelstrecke verglichen werden und das Ergebnis des Vergleichs zu dem Eingang der Beobachterregelstrecke zugeführt wird. Die Ausführung der Beobachterregelstrecke kann in einer bekannten Art und Weise gestaltet sein.There the detection of the state parameters of a state control often very may be complicated, is in a preferred embodiment of Method of the present invention in parallel with the comprehensive Control circuit operated an observer system, the outputs of the comprehensive control loop and the observer control path and the result of the comparison to the entrance of the observer route is supplied. The execution of the Observer Rig can be designed in a known manner.
Nach einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung geht die vorliegende Erfindung von einem Brennstoffzellensystem mit einer Regleranordnung zur Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle aus, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brennstoffs, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind.To Another aspect of the present invention is the present Invention of a fuel cell system with a regulator assembly for Control of the gas pressure values of a gaseous fuel and a gaseous oxidizing agent in the respective ones Supply lines of a fuel cell, wherein the gas pressure values the fuel used, preferably hydrogen, and the one used Oxidizing agent, preferably the air / oxygen, physically not coupled to each other.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mithilfe einer Zustandsrückführung derart geregelt ist, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, bei der der jeweilige Druck oder der Partialdruck des Oxidationsmittels und des Brennstoffs einander gleich sind, und der Druck des Oxidationsmittels keine Abhängigkeit von dem Oxidationsmittelmassenstrom aufweist, sind die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst.Thereby, that the fuel cell system according to the invention so regulated by means of a state feedback is that a coupling condition is met, in which the respective pressure or the partial pressure of the oxidizing agent and the fuel are equal to each other, and the pressure of the oxidant no dependence on the oxidant mass flow has, the objects of the present invention are achieved.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträgt die Druckdifferenz zwischen dem Druck oder dem Partialdruck des Oxidationsmittels und des Brennstoffs 0,1 bis 0,5 bar und noch bevorzugter im Wesentlichen 0,2 bar. Dieser Wert ist durch die mechanische Belastbarkeitsgrenze der verwendeten Elektrolyt-Membrane vorgegeben, das heißt sowohl von dem verwendeten Polymer-Material als auch von den geometrischen Abmessungen, insbesondere der Membrandicke abhängig.According to one further embodiment of the present invention the pressure difference between the pressure or the partial pressure of the Oxidant and the fuel 0.1 to 0.5 bar and more preferably essentially 0.2 bar. This value is due to the mechanical load limit specified the electrolyte membrane used, that is from both the polymer material used and the geometric ones Dimensions, in particular the membrane thickness dependent.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist ferner in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Mittel auf, die das Betreiben des Verfahrens nach einem der oben beschriebenen Verfahrensmerkmale ermöglichen.The has fuel cell system according to the invention further in a preferred embodiment of the present invention Means on the operation of the procedure according to one of the above allow described method features.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.
Die erfindungsgemäße Verkoppelungsregelung der Gasdrücke des Brennstoffs und des Oxidationsmittels ermöglicht eine sehr schnelle und genaue, gekoppelte Druck-Regelung der beiden Gase, so dass eine zwischen den Gasdrücken geforderte Druckdifferenz sehr genau eingehalten werden kann. Dadurch wird zum einen die Elektrolyt-Polymermembrane gegen eine mechanische Zerstörung infolge zu großer Druckdifferenz effizient geschützt und zum anderen kann eine Brennstoffzelle durch das Ermöglichen einer größeren Druckdifferenz effizienter betrieben werden, um beispielsweise einen besseren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung zu erreichen.The Coupling control of the gas pressures according to the invention of the fuel and the oxidizing agent allows one very fast and accurate, coupled pressure control of the two gases, such that a pressure difference required between the gas pressures can be met very accurately. As a result, on the one hand, the electrolyte-polymer membrane against mechanical destruction due to excessive Pressure difference efficiently protected and on the other hand a fuel cell by enabling a larger one Pressure difference can be operated more efficiently, for example, a to achieve better efficiency in energy conversion.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments the accompanying drawings explained. Show it:
Das Schema zeigt ein Zustandsreglersystem mit einer Zustandsrückführung mit einem Führungsvektor wLW = [pLWsoll m .LSoll], einer Reglermatrix R und einer Vorfiltermatrix F.The scheme shows a state controller system with state feedback with a routing vector w LW = [p LWsoll m. LSoll ], a regulator matrix R and a prefilter matrix F.
Die
Verkopplung der Gasdrücke wird mit T2 = [1
0 –1] definiert. Die transformierte Ausgangsmatrix lautet
folglich
Durch
Wahl der Eigenwerte λRi zur Bestimmung
der Dynamik des geschlossenen Regelkreises und durch die Auswertung
der Gleichungen
Bei
der Bestimmung der Parametervektoren können hierbei die
verbleibenden Freiheitsgrade zur Entkopplung des Luftdruckes von
dem Luftmassenstrom genutzt werden. Die Wahl der restlichen n – m Parametervektoren
muss dann erfindungsgemäß so erfolgen, dass alle
Rechtseigenvektoren untereinander linear unabhängig sind,
das heißt also Rang VR = n gilt.
Aus den Rechtseigenvektoren und den Parametervektoren kann dann
die Reglermatrix berechnet werden zu:
Das
Vorfilter F wird erfindungsgemäß durch Auswertung
der Gleichung
Das
in
Wenn der Sollwert wenigstens eines der beiden Gasdrücke sprunghaft verändert wird, folgen die jeweiligen Gasdrücke dem Sollweitsprung mit nahezu gleicher Dynamik. Gleichzeitig bleibt der Massenstrom der Luft konstant.If the setpoint of at least one of the two gas pressures leaps and bounds is changed, follow the respective gas pressures the Sollweitsprung with almost the same dynamics. At the same time remains the mass flow of the air is constant.
In diesen drei übereinander korrespondierend angeordneten Diagrammen ist dargestellt, dass eine Veränderung des Massenstroms der Luft keinen Einfluss auf die Gasdrücke des Wasserstoffs und der Luft ausübt.In these three arranged one above the other corresponding Diagrams shows that a change in mass flow the air does not affect the gas pressures of hydrogen and the air exerts.
Für
die Integration des Reglers in eine nichtlineare Simulation des
gesamten Brennstoffzellensystems ist der Verkopplungsregler durch
einen Integralanteil erweitert worden, um Störungen und
Nichtlinearitäten auszugleichen.
Es
ist erkennbar, dass die Gasdrücke des Wasserstoffs pW und der Luft pL den
jeweiligen korrespondierenden Sollwertsprüngen in
Die
Druckdifferenz Δp in
Die
wesentlichen Störungen auf die jeweilige Druckregelung
werden auf der Luftseite durch Luft-Massenstromänderungen
und auf der Wasserstoffseite durch zyklisches Öffnen des
Ablassventils uPV (auch oft engl. Purge-Ventil
genannt) verursacht. An dem zeitlichen Verlauf des in
In
Die vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen. Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.The previous embodiments of the present invention are by way of example only, and not to be construed as limiting the present invention. The present invention can easily be applied to other applications become. The description of the embodiment is by way of illustration provided and not to the scope of the claims limit. Many alternatives, modifications and Variants are obvious to one of ordinary skill in the art without that he is the scope of the present invention would have to leave the, in the following claims is defined.
- 1010
- ZustandsrückführungsreglerState feedback controller
- 1212
- Regelstreckecontrolled system
- 2020
- Integrationsglied, IntegralanteilIntegrator, integral component
- AA
- Systemmatrixmatrix
- BB
- Eingangsmatrixinput matrix
- CC
- Ausgangsmatrixoutput matrix
- m .m.
- Massenstrom-ÄnderungMass flow change
- RR
- Reglermatrixknob matrix
- ΔpAp
- Druckdifferenzpressure difference
- pL p L
- Luftdruck, OxidationsmitteldruckAir pressure, Oxidant pressure
- pW p W
- Wasserstoffdruck, BrennstoffdruckHydrogen pressure, fuel pressure
- pLSoll p LSoll
- Sollwert des Luftdrucks, des Oxidationsmitteldruckssetpoint the air pressure, the oxidant pressure
- pWSoll p WSoll
- Sollwert des Wasserstoffdrucks, des Brennstoffdruckssetpoint the hydrogen pressure, the fuel pressure
- uRV u RV
- Reglerventil-StellgrößeRegulator valve control variable
- uDK u DK
- Drosselklappen-StellgrößeThrottle manipulated variable
- uPV u PV
- Ablassventil-StellgrößeDrain valve manipulated variable
- uKomp u comp
- Kompressor-StellgrößeCompressor control value
- ww
- Führungsgrößecommand variable
- xx
- Zustandsgrößestate variable
- yy
- Ausgangsgrößeoutput
- Indizesindices
- LL
- Luftair
- WW
- Wasserstoffhydrogen
- LWLW
- Luft und Wasserstoffair and hydrogen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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