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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Steuern des
Ausgangsstroms eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere auf
ein Verfahren zum sofortigen Verringern des Ausgangsstroms eines
Brennstoffzellenstapels, wenn entweder die minimale Zellenspannung
oder die Stapelspannung auf einen vorgegebenen Spannungssollwert
fällt,
und daraufhin zum Erhöhen
des zulässigen
Stroms auf gesteuerte Weise, falls die minimale Zellenspannung oder
die Stapelspannung über
den Sollwert zunimmt.
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2. Diskussion des verwandten
Gebiets
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und zur effizienten
Erzeugung von Elektrizität
in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle
ist eine elektromechanische Vorrichtung, die eine Anode und eine
Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen enthält. Die Anode empfängt Wasserstoffgas
und die Kathode empfängt
Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert,
um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen
gehen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen
reagieren mit dem Sauerstoff und mit den Elektronen in der Kathode,
um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch den Elektrolyten gehen und werden somit über eine Last geleitet, um
Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode gesendet werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) sind eine verbreitete Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC enthält allgemein
eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran wie etwa eine
Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und die Kathode enthalten üblicherweise fein verteilte
Katalysatorpartikel, üblicherweise
Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer gemischt sind. Das Katalysatorgemisch ist auf den gegenüberliegenden
Seiten der Membran abgelagert. Die Kombination aus dem Anodenkatalysatorgemisch,
dem Kathodenkatalysatorgemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung
(MEA). MEAs sind verhältnismäßig teuer
herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für den effektiven
Betrieb.
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Üblicherweise
sind mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert,
um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug
kann z. B. zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen.
Der Brennstoffzellenstapel empfängt
ein Kathodeneingangsgas, üblicherweise
eine Luftströmung,
die von einem Kompressor durch den Stapel gedrängt wird. Von dem Stapel wird
nicht der gesamte Sauerstoff verbraucht und ein Teil der Luft wird
als ein Kathodenabgas abgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt
enthalten kann. Außerdem
empfängt
der Brennstoffzellenstapel ein Anodenwasserstoff-Eingangsgas, das
in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Der
Brennstoffzellenstapel enthält
eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem
Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs
zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten enthalten
eine Anodenseite und eine Kathodenseite für angrenzende Brennstoffzellen
in dem Stapel. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen,
die das Anodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen.
Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengas-Strömungskanäle vorgesehen,
die das Kathodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen.
Eine Endplatte enthält
Anodengas-Strömungskanäle und die
andere Endplatte enthält
Kathodengas-Strömungskanäle. Die
Bipolarplatten und die Endplatten sind aus einem leitenden Material
wie etwa aus rostfreiem Stahl oder aus einem leitenden Verbundwerkstoff
hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen
erzeugte Elektrizität
aus dem Stapel.
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Wie
im Gebiet gut verstanden ist, wird dann, wenn eine minimale Zellenspannung
oder die Gesamtstapelspannung unter einen vorgegebenen Wert fällt, die
Zellenspannungsumkehr zu einer Möglichkeit,
die zu einer schnellen Verringerung des Katalysatorkohlenstoffträgers in
der MEA führen
kann und schließlich
die Zellenspannung und die Gesamtsystemhaltbarkeit und -zuverlässigkeit
verringert. Zum Beispiel ist es für eine Minimalzelle unter 300
mA erwünscht,
die Stromabgabe von dem Stapel zu verringern, da die schlecht funktionierende
Zelle eine wesentliche Wärmemenge
erzeugen könnte
und wenn die Spannungsabgabe der Zelle gegen null geht, den Kohlenstoff
in den MEAs zu korrodieren beginnt.
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Üblicherweise
ist es eine wesentliche Herausforderung, eine minimale Stapelspannung
aufrechtzuerhalten und gleichzeitig sehr schnelle Aufwärtsübergänge und
eine sehr schnelle Stromentnahme aus dem Stapel zuzulassen. Für jene Fälle, in
denen die Stromentnahme aus dem Stapel verringert werden muss, um
eine zu niedrige Stapelspannung zu vermeiden, ist es eine Herausforderung
zu wissen, wie der Strom schnell und gleichmäßig zu verringern ist, um Oszillationen
oder mehr Leistungsverlust als notwendig zu vermeiden. Ferner ist
es eine Herausforderung zu wissen, wann wieder zulässiger Strom
hinzugefügt
werden kann, wenn der Stapel wiederhergestellt worden ist. Falls
der hinzugefügte
Strom die Stapelspannung nachfolgend wieder senkt, ist das Verfahren
zum Vermeiden der Oszillation eine nochmals weitere Herausforderung.
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Es
gibt bekannte Techniken, um den zulässigen Stapelstrom zu verringern,
während
die Stapelspannung und/oder die minimale Zellenspannung unter einen
Schwellenwert fallen. Eine bekannte Technik verwendet eine modellierte
Spannungs/Strom-Kurve und begrenzt den Strom rein auf der Grundlage
eines vorhergesagten Spannungs/Strom-Anstiegs der Kurve. Das Problem
bei dieser Implementierung ist, dass üblicherweise der Anstieg häufig in
einer Situation, in der dies nicht notwendig ist, zu hart eingreift
und dadurch die Übergangsraten
beschränkt.
Außerdem
ist bekannt, dass sie in Situationen, in denen sie es tun sollte,
nicht eingreift. Eine weitere Alternative kann ein Standard-Proportional-Integral-Controller
(Standard-PI-Controller) ohne Vorstrom sein, bei dem ein Fehler
erzeugt wird, der durch die P- und die I-Verstärkung verstärkt wird, um den Strom zu verringern.
Das Problem bei dieser Implementierung ohne Vorstrom ist, dass es
dann, wenn die Rückkopplungsspannung
unter den Schwellenwert bei niedrigem Strom fällt, eine Zeitdauer gibt, in
der die P- und die
I-Verstärkung
den Strom von dem maximalen Systemstrom verringern, den tatsächlichen
Systemstrom bzw. Ist-Systemstrom aber nicht verringern. Im Ergebnis
kann der Strom steigen, während
er fallen sollte, wobei wertvolle Eingreifzeit verlorengeht. Das
Bemühen,
das Ansprechen dieser Implementierung zu erhöhen, verleitet dazu, die P-
und die I- Verstärkung zu
erhöhen.
Allerdings können
dann sehr leicht starke Oszillationen und/oder übermäßig aggressive Verringerungen
ausgelöst
werden. Der Stapelspannungsschwellenwert wird so ausgewählt, dass
er ein Wert über
einer wahren minimalen Stapelspannung wird, wobei Hochspannungskomponenten
in dem System abgeschaltet werden, um das System zu schützen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Stromabgabe
von einem Brennstoffzellenstapel offenbart, um zu verhindern, dass
die Stapelspannung oder die minimale Brennstoffzellenspannung unter
vorgegebene Spannungssollwerte fällt.
Das Verfahren für
die Stapelspannungssteuerung umfasst das Bestimmen, ob die Stapelspannung
auf den vorgegebenen Spannungssollwert gefallen ist, und wenn das
der Fall ist, das Erfassen und das Halten des tatsächlichen
Stapelstroms an diesem Punkt als den maximal zulässigen Stapelstrom. Falls die
Stapelspannung weiter unter den Spannungssollwert fällt, wird
der Spannungssollwert von der tatsächlichen Spannung subtrahiert,
um ein positives Fehlersignal zu erhalten. Daraufhin werden die
Controllerverstärkungen
mit dem Fehlersignal multipliziert, um den von dem Stapel zulässigen Strom
zu verringern, um das Fehlersignal auf null anzusteuern und um die
Stapelspannung zu erhöhen.
Falls die Stapelspannung höher
als der Spannungssollwert, aber niedriger als ein Spannungsschwellenwert
ist, wird die tatsächliche
Stapelspannung von dem Spannungssollwert subtrahiert, um ein anderes
positives Fehlersignal zu erzeugen, das mit einer Controllerverstärkung multipliziert
wird, um den zulässigen
Stapelstrom zu erhöhen
und um die Stapelausgangsspannung auf den Sollwert anzusteuern.
Das Verfahren für die
minimale Brennstoffzellenspannung arbeitet auf dieselbe Weise, aber
mit anderen Werten.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
und aus den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems, das einen Controller
nutzt, der die Stromabgabe von einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung steuert;
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2 ist
ein Ablaufplandiagramm, das ein von dem Controller in dem in 1 gezeigten
System verwendetes Verfahren zum Verringern und Steuern der Stromabgabe
von dem Brennstoffzellenstapel als Antwort darauf, dass die Stapelspannung
unter einen vorgegebenen Spannungssollwert fällt, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ist
ein Ablaufplandiagramm, das ein von dem Controller in dem System
aus 1 verwendetes Verfahren zum Verringern und Steuern
der Stromabgabe von dem Brennstoffzellenstapel als Antwort darauf, dass
eine minimale Zellenspannung unter einen vorgegebenen Spannungssollwert
fällt,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein System und auf ein Verfahren zum Verringern
und Steuern der Stromabgabe von einem Brennstoffzellenstapel als
Antwort darauf gerichtet ist, dass die Stapelspannung oder eine
minimale Zellenspannung unter vorgegebene Spannungssollwerte fällt, ist
dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder
ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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Wie
im Folgenden ausführlich
diskutiert wird, schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren. zum Verringern der zulässigen Stromabgabe
von einem Brennstoffzellenstapel, falls entweder die Stapelspannung oder
eine minimale Zellenspannung auf einen vorgegebenen Spannungssollwert
fällt,
und daraufhin zum wahlweisen Erhöhen
der zulässigen
Stromabgabe, während
die minimale Zellenspannung oder die Stapelspannung wiederhergestellt
zu werden beginnt, vor. Das Verfahren enthält das sofortige Verringern
der zulässigen Stromabgabe
von dem Brennstoffzellenstapel auf ihren gegenwärtigen Wert, sobald entweder
die Stapelspannung oder die minimale Zellenspannung den Spannungssollwert
erreicht. Während
sich daraufhin die Stapelspannung oder die minimale Zellenspannung
zu erhöhen
beginnt, wird zugelassen, dass dem Stapel auf gesteuerte Weise mehr
Strom entnommen wird. Dies ist entgegengesetzt zu den Techniken
des Standes der Technik zum Steuern des Stapelstromflusses von dem
Brennstoffzellenstapel, die unter Verwendung der Verstärkungen
des Controllers den Strom von seinem normalen Maximalwert verringern
oder den Strom von null erhöhen,
wenn die minimale Zellenspannung oder die Stapelspannung den Sollwert
erreicht.
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1 ist
ein allgemeiner Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems 10,
das einen Brennstoffzellenstapel 12 enthält. Außerdem enthält das System 10 eine
Zellenspannungs-Überwachungseinheit 14,
die die einzelnen Spannungsabgaben der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 überwacht
und die Spannungssignale an einen Controller 16 liefert.
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Außerdem empfängt der
Controller 16 ein Stapelspannungssignal von dem Brennstoffzellenstapel 12. Wie
im Folgenden ausführlich
diskutiert wird, steuert der Controller 16 die zulässige Stromabgabe
des Brennstoffzellenstapels 12 als Antwort darauf, dass
die Brennstoffzellen unter einen minimalen Zellenspannungssollwert
fallen, und/oder darauf, dass die Stapelspannung unter einen minimalen
Stapelspannungs-Sollwert fällt. Der
Controller 16 kann den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 12 durch
Steuern eines Kompressors 18 steuern, der dem Brennstoffzellenstapel 12 Kathodeneingangsluft
zuführt.
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2 ist
ein Ablaufplandiagramm 30, das ein von einem Algorithmus
in dem Controller 16 ausgeführtes Verfahren zum Begrenzen
und Steuern der Stromabgabe des Brennstoffzellenstapels 12,
wenn die Stapelspannung unter einen vorgegebenen Spannungssollwert
wie etwa 220 V fällt,
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. Der Wert von 220 V ist anwendungsspezifisch
und ist in dieser Ausführungsform
relativ zu einer minimalen Stapelspannung von 180 V, bei der die
Hochspannungskomponenten in dem System 10 abzuschalten
beginnen, ausgewählt
worden. Zunächst
bestimmt der Algorithmus im Kasten 32, ob das Brennstoffzellenmodul
oder der Brennstoffzellenstapel 12 in einem normalen Arbeitszustand
ist. Falls das Brennstoffzellenmodul in einem normalen Arbeitszustand
ist, fragt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 34,
ob die Stapelausgangsspannung höher
als 230 V ist. Die 230 V werden als Betriebsspannungs-Ende des Systems
betrachtet.
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Falls
die Stapelspannung in der Entscheidungsraute 34 nicht höher als
230 V ist, fragt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 36,
ob die Stapelspannung höher
als 220 V, d. h. als der Spannungssollwert zum Begrenzen des Stromflusses
in Ansprechen auf die minimale Stapelspannung, ist. Falls die Stapelspannung in
der Entscheidungsraute 36 höher als 220 V ist, subtrahiert
der Algorithmus im Kasten 38 den 220-V-Sollwert von der
tatsächlichen
Stapelspannung, um ein positives Fehlersignal zu erhalten. An diesem
Punkt liegt die Brennstoffzellenstapel-Ausgangsspannung weiter über dem
220-V-Sollwert, bei dem noch mehr Strom von dem Stapel 12 geliefert
werden kann.
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In
diesem Beispiel wird das Fehlersignal im Kasten 40 in jedem
Zeitschritt mit einer Integralverstärkung I multipliziert und zu
einer vorherigen Summe addiert, um den verfügbaren Stromfluss zu erhöhen. Allerdings sollte
der Stapel 12 beim ersten Durchlauf durch diesen Teil des
Verfahrens für
einen Abfall der Stapelausgangsspannung bereits auf dem maximal
zulässigen
Strom sein, da die Spannung noch nicht auf den Spannungssollwert
von 220 V gefallen ist. Im Kasten 46 addiert die Integralverstärkung I
Strom, bis das Fehlersignal null ist und die Stapelspannung genau
220 V beträgt
oder bis die maximale Stromabgabe des Stapels 399 A, der vorgegebene
maximale Strom des Stapels 12, ist. Im Kasten 48 sollte
die Integralverstärkung
I eine maximale Anstiegsrate, dividiert durch einen maximalen negativen
Fehler, wie etwa 10 V oder 50 A/s, sein. Es wird angemerkt, dass
es in diesem Fall keine Proportionalverstärkung P gibt. Im Kasten 50 wird
daraufhin der maximal zulässige
Strom auf der Grundlage der wie diskutierten Stapelspannung eingestellt,
woraufhin der Algorithmus zum Kasten 32 zurückkehrt,
um zu bestimmen, ob das Brennstoffzellenmodul noch in einem Arbeitszustand
ist.
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Falls
die Stapelspannung in der Entscheidungsraute 36 nicht höher als
der 220-V-Sollwert ist, bestimmt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 42,
ob die Stapelspannung gleich 220 V ist. In dem Moment, in dem die
Stapelspannung den 220-V-Sollwert erreicht, wird im Kasten 44 der
Strom, der dem Stapel 12 zu diesem Zeitpunkt entnommen
wird, erfasst und gehalten und von dem gehaltenen Strom der maximale
Stapelstrom von 399 A subtrahiert. Dies ist eine negative Zahl,
die in dem Kasten 46 zu dem maximalen Strom von 399 A addiert
wird, sodass die gegenwärtige
Stromabgabe jetzt der maximal zulässige Strom von dem Stapel 12 ist.
Falls der Strom addiert wird, gibt es, wenn er zunimmt, im Kasten 48 wie
oben diskutiert einen Ratengrenzwert dafür, wie schnell der Stromfluss
zunehmen kann.
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Irgendeine
Abnahme der maximalen Stromabgabe des Stapels 12 ist momentan.
Momentan ist hier als die Fähigkeit
definiert, den Strom in einem Zeitschritt um den maximalen Systemstrom
zu verringern. Falls der maximale Systemstrom z. B. 399 A beträgt und der
Systemzeitschritt 12,5 ms ist, müsste
die Abwärtsstromrate,
damit sie garantiert momentan ist, höher als 399/0,0125 oder höher als
31920 A/s sein. Im Kasten 50 ist nun die Differenz zwischen
der maximalen Stromabgabe und dem berechneten Vorstrom der maximale Strom,
der auf der Grundlage der Stapelspannung zulässig ist.
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Nun
kehrt das Verfahren über
die Entscheidungsrauten 34, 36 und 42,
in denen die Stapelspannung weiter abnimmt, zurück, woraufhin die Ausgabe der
Entscheidungsraute 42 nein ist und die Stapelspannung im
Kasten 52 kleiner als 220 V ist. Daraufhin subtrahiert
der Algorithmus im Kasten 54 die tatsächliche Stapelspannung von
dem 220-V-Stapelsollwert, um ein positives Fehlersignal zu erhalten.
Im Kasten 56 wird das Fehlersignal daraufhin in jedem Zeitschritt
mit der Integralverstärkung
I und mit der Proportionalverstärkung
P multipliziert und die Integralverstärkung I zu der vorherigen Summe
addiert. Die Integralverstärkung
I subtrahiert den Strom, bis das Fehlersignal null ist und die Stapelspannung
genau 220 V beträgt
oder bis die maximale Stromabgabe ein bestimmter Wert wie etwa 36
A ist. Die Integralverstärkung
I sollte durch den negativen Fehlerfall vorgeschrieben sein.
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In
dieser nicht einschränkenden
Ausführungsform
ist die Integralverstärkung
I konstant und wird die Proportionalverstärkung P durch eine Nachschlagetabelle 58 geliefert,
die die Proportionalverstärkung
P als eine Funktion des Stapelstroms einstellt. Die Proportionalverstärkung P
sollte so kalibriert werden, dass bei jeder Stromabgabe eine minimale
Systemspannung wie etwa eine Stapelspannung von 180 V zu einem minimalen
Strom wie etwa 10 A führt.
Diese Berechnung muss die Tatsache enthalten, dass die Stromrückkopplung
bei 220 V als ein Vorstromterm erfasst wird. Die Proportionalverstärkung P
sollte ebenfalls bei einem bestimmten Maximalwert abgeschnitten
werden. Dieser Wert kann experimentell durch Untersuchen der höchsten Proportionalverstärkung P
im stationären
Zustand, die akzeptabel niedrige Oszillationen ergibt, ermittelt werden.
Diese kann ebenfalls analytisch unter Verwendung der Sensorgenauigkeit,
der Präzision,
der Systemstabilität
usw. ermittelt werden. Daraufhin wird der neue minimale Stapelstrom
wie oben diskutiert in dem Kasten 46 von dem maximalen
Strom von 399 A subtrahiert und im Kasten 50 der neue maximale
Strom, der auf der Grundlage der Stapelspannung zulässig ist,
wieder zurückgesetzt.
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Während die
Stromabgabe des Stapels 12 verringert wird, da die Spannung
auf 220 V oder darunter gefallen ist, kann sich die Stapelspannung
daraufhin erhöhen
und im Ergebnis der verringerten maximalen Stromabgabe wiederhergestellt
werden. Während
der Algorithmus die Entscheidungsrauten 34, 36 und 42 durchläuft, kann
die Stapelspannung in der Entscheidungsraute 34 kleiner
als 230 V sein und in der Entscheidungsraute 36 höher als
220 V sein, wobei wie oben diskutiert im Kasten 38 ein
positives Fehlersignal erzeugt wird. In dieser Situation wird das
Fehlersignal im Kasten 40 mit der Integralverstärkung I
multipliziert und im Kasten 46 Strom addiert, der im Kasten 48 ratenbegrenzt
wird, um im Kasten 50 den neuen Strom einzustellen, der
nun höher
als der vorherige maximale Strom ist.
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Schließlich sollte
der Stapel 12 in der Entscheidungsraute 34 wiederhergestellt
werden, wobei die Stapelspannung für die maximale Stromabgabe,
die von einem vorherigen Wert erhöht worden ist, 230 V übersteigt.
In der Entscheidungsraute 60 fragt der Algorithmus daraufhin,
ob es wegen der niedrigen Stapelspannung eine vorherige Strombegrenzung
gab, wobei der Algorithmus, wenn das der Fall ist, im Kasten 62 die maximale
Stromabgabe von der vorherigen Iteration für eine vorgegebene Anzahl von
n Sekunden hält
und daraufhin den maximalen Strom auf 399 A festsetzt. Nachdem die
n Sekunden verstrichen sind, wird der Stromanstieg im Kasten 48 ratenbegrenzt
und wie oben diskutiert im Kasten 50 eingestellt. Falls
es in der Entscheidungsraute 60 keine vorherige Begrenzung
wegen niedriger Stapelspannung gab, stellt der Algorithmus den maximalen
Strom im Kasten 64 auf 399 A ein. Dieser Betrieb wirkt
als ein Entpreller, sodass die Steuerung nicht sofort zurückkehrt,
um die Stromabgabe des Stapels 12 zu verringern.
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Die
Zeit n wirkt als ein Speichereffekt. In einer Implementierung könnte die
Zeit n null Sekunden sein, wobei in dem Moment, in dem die Stapelspannung über 230
V geht, die maximale Stromabgabe im Kasten 48 mit 50 A/s
zu steigen beginnt. Dies würde
möglicherweise
Zuverlässigkeit
gegen Leistung eintauschen. In einer anderen Implementierung könnte die
Zeit n 60 Sekunden betragen, wobei der maximale Strom, der zuvor
ermittelt wurde, als die Stapelspannung kleiner als 230 V war, 60
Sekunden als der maximale Strom gehalten wird. Dies würde Leistung
gegen Zuverlässigkeit
eintauschen. Zum Beispiel wird angenommen, dass der Stapel 12 auf
der maximalen Leistung war, bei der der Leistungsmanager den Strom
auf 250 A verringerte, was zur Aufrechterhaltung von ideal 220 V führt. Falls
es einen Abwärtsübergang
gibt und die minimale Zellenspannung sehr schnell über 230
V steigt, kann auf den Abwärtsübergang
daraufhin innerhalb von 60 Sekunden ein Aufwärtsübergang zurück zur maximalen Leistung folgen,
wobei der maximale Strom daraus erinnert wird, als das System das
letzte Mal auf der maximalen Leistung war. Falls sich die Systemgesundheit
seit dem letzten Mal nicht geändert
hat, führt
dies zu einem nahezu idealen Aufwärtsübergang auf den maximalen Strom,
der 220 V entspricht.
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Wie
oben diskutiert wurde, wird der Stapelstrom ebenfalls begrenzt,
falls die Ausgangsspannung der am schlechtesten arbeitenden Zelle
unter einen bestimmten Spannungssollwert wie etwa in dieser nichteinschränkenden
Ausführungsform
300 mV fällt.
Dasselbe Verfahren, wie oben für
die Stapelspannung diskutiert wurde, wird zum Begrenzen des Stroms
des Stapels 12 für
eine schlecht arbeitende Zelle verwendet.
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3 ist
ein Ablaufplandiagramm 70, das den Betrieb für eine minimale
Zellenspannung, in dem gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen
identifiziert sind, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In den Entscheidungsrauten 36 und 42 wird
der Sollwert niedriger Zellenspannung als 300 mV ausgewählt und
in der Entscheidungsraute 34 wird der Schwellenwert niedriger
Zellenspannung als 400 mV ausgewählt.
Weiter wird in den Kästen 38 und 54 der
Sollwert minimaler Zellenspannung von der tatsächlichen minimalen Zellenspannung
subtrahiert. Der Betrieb des Begrenzens des Stroms wird in derselben
Weise wie in 2 ausgeführt. Die Proportionalverstärkung P
und die Integralverstärkung
I können
von den in dem Verfahren aus 2 verwendeten
verschieden sein und wären
anwendungsspezifisch.
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Die
vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt
aus dieser Diskussion und aus den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen leicht,
dass daran verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem wie in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken
und Umfang der Erfindung abzuweichen. BEZUGSZEICHENLISTE ZU FIG. 2:
| 32 | Brennstoffzellenmodul
im Arbeitszustand |
| 34 | Ist
die Stapelspannung > 230
V |
| 36 | Ist
die Stapelspannung > 220
V |
| 42 | Ist
die Stapelspannung = 220 V |
| 52 | Stapelspannung < 220 V |
| 50 | Auf
der Grundlage der Stapelspannung maximal zulässiger Strom |
| 60 | Gab
es eine vorherige Strombegrenzung wegen niedriger Stapelspannung |
| 48 | Irgendeine
Zunahme des maximalen Stroms von der Stapelspannung auf 50 A/s begrenzt |
| 62 | Halte
den maximalen Strom, der ermittelt wurde, während die Spannung < 230 V war, n Sekunden
lang, stelle den maximalen Strom daraufhin auf 399 A ein |
| 64 | Maximaler
Strom wegen Stapelspannung = 399 A |
| 38, 54 | Subtrahiere
den 220-V-Sollwert von der tatsächlichen
Stapelspannung, um einen positiven Fehler zu erhalten |
| 44 | Erfasse
und halte den tatsächlichen
Stapelstrom in dem Moment, in dem die Stapelspannung = 220 V ist,
und subtrahiere 399 A |
| 46 | Addiere
399 A plus den Eingangswert |
| 40 | Multipliziere
den Fehler in jedem Zeitschritt mit einer I-Verstärkung und
addiere zur vorherigen Summe |
| 56 | Multipliziere
den Fehler in jedem Zeitschritt mit einer I-Verstärkung und
mit einer P-Verstärkung
und addiere die I-Verstärkung
zur vorherigen Summe |
| 58 | P-Verstärkung =
f(StkCurrent) |
BEZUGSZEICHENLISTE ZU FIG. 3:
| 32 | Brennstoffzellenmodul
im Arbeitszustand |
| 34 | Ist
die niedrigste Zellenspannung > 400
mV |
| 36 | Ist
die niedrigste Zellenspannung > 300
mV |
| 42 | Ist
die niedrigste Zellenspannung = 300 mV |
| 52 | Niedrigste
Zellenspannung < 300
mV |
| 50 | Auf
der Grundlage der minimalen Brennstoffzellenspannung maximal zulässiger Strom |
| 60 | Gab
es eine vorherige Strombegrenzung wegen einer niedrigen Zellenspannung |
| 48 | Irgendeine
Zunahme des maximalen Stroms wegen minimaler Zellenspannung auf
50 A/s begrenzt |
| 62 | Halte
den maximalen Strom, der ermittelt wurde, während die Spannung < 400 mV war, n Sekunden
lang, stelle daraufhin den maximalen Strom auf 399 A ein |
| 64 | Maximaler
Strom wegen minimaler Zellenspannung = 399 A |
| 38 | Subtrahiere
den 300-mV-Sollwert von der tatsächlichen
minimalen Zellenspannung, um einen positiven Fehler zu erhalten |
| 44 | Erfasse
und halte den tatsächlichen
Stapelstrom in dem Moment, in dem die minimale Brennstoffzellenspannung
gleich 300 mV ist, und subtrahiere 399 A |
| 54 | Subtrahiere
den 300-mV-Sollwert von der tatsächlichen
minimalen Brennstoffzellenspannung, um einen positiven Fehler zu
erhalten |
| 46 | Addiere
399 A plus den Eingangswert |
| 40 | Multipliziere
den Fehler in jedem Zeitschritt mit einer I-Verstärkung und
addiere zur vorherigen Summe |
| 56 | Multipliziere
den Fehler in jedem Zeitschritt mit einer I-Verstärkung und
mit einer P-Verstärkung
und addiere die I-Verstärkung
zur vorherigen Summe |
| 58 | P-Verstärkung =
f(StkCurrent) |