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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Steuerung einer relativen Feuchte (RH) eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 10 2008 047 389 A1 bekannt.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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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 an dem Anodenkatalysator aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, 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.
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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 geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Jede MEA ist gewöhnlich schichtartig zwischen zwei Lagen aus porösem Material, einer Gasdiffusionsschicht (GDL), angeordnet, die die mechanische Stabilität der Membran schützt und eine gleichförmige Reaktanden- und Feuchteverteilung unterstützt. Derjenige Teil der MEA, der die Anoden- und Kathodenströmungen trennt, wird als der aktive Bereich bezeichnet, und nur in diesem Bereich können die Wasserdämpfe frei zwischen der Anode und Kathode getauscht werden. MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. 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.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten (Separatoren) auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler (Strömungsfelder) für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Von Brennstoffzellenmembranen ist es bekannt, dass sie eine Wasseraufnahme besitzen, die notwendig ist, um eine Protonenleitfähigkeit bereitzustellen. Das Wasseraufnahmeverhalten von Brennstoffzellenmembranen bewirkt jedoch eine Zunahme des Volumens der Membranen, wenn Bedingungen feuchter oder nasser werden, und eine Abnahme des Volumens, wenn Bedingungen trockener werden. Änderungen des Volumens der Zellenmembranen können eine mechanische Beanspruchung an der Membran selbst und den benachbarten Brennstoffzellenkomponenten bewirken. Zusätzlich kann eine Membran, die zu feucht ist, Probleme während Niedertemperaturumgebungen bewirken, wobei ein Gefrieren des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel Eis erzeugen kann, das Strömungskanäle blockiert und den Neustart des Systems beeinträchtigt. Membranen, die zu trocken sind, können eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit bei dem nächsten Systemneustart besitzen, was die Neustartleistungsfähigkeit beeinträchtigt und eine Stapelhaltbarkeit reduzieren kann.
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In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas eines Brennstoffzellenstapels abzufangen und das Wasser dazu zu verwenden, die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten. Ferner ist es aus der
DE 10 2007 026 331 A1 bekannt, bei Bedarf die relative Feuchte des Kathodenabgases durch Verringerung der Temperatur eines Kühlfluides, das den Stapel kühlt, Erhöhung des Kathodendruckes des Stapels oder Verringerung der Kathodenstöchiometrie zu erhöhen und damit zu verhindern, dass die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft unter einen vorbestimmten Prozentsatz fällt. Es ist in der Technik auch bekannt, Sensoren für relative Feuchte (RH) zu verwenden, um die Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu überwachen. Jedoch können RH-Sensoren unzuverlässig sein und können ausfallen.
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Daher besteht in der Technik ein Bedarf, ein Verfahren zur Beibehaltung eines geeigneten Niveaus an Zellenmembranbefeuchtung bereitzustellen, wenn die RH-Sensoren nicht richtig funktionieren, wie durch ungültige RH-Sensorablesungen nachgewiesen ist, um eine Stapelleistung zu verbessern, in dem die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von flüssigem Wasser reduziert wird, die Lebensdauer der Stapelmembranen verlängert wird und die Stapelhaltbarkeit erhöht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchte (RH) einer Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen RH-Sensor an einer Kathodeneinlassleitung zur Bereitstellung eines RH-Signals, das die RH von Kathodeneinlassluft angibt. Wenn der RH-Sensor ein gültiges bzw. plausibles RH-Signal liefert, wird das RH-Signal als ein RH-Durchschnitt der Kathodeneinlassluft berechnet. Wenn der RH-Sensor kein gültiges RH-Signal liefert, wird der berechnete RH-Durchschnitt verwendet, um die RH der Kathodeneinlassluft zu steuern. Wenn der RH-Sensor kein gültiges Signal während der Inbetriebnahme bereitstellt, dann wird die Stapelleistung zeitweilig auf einen optimalen Pegel für eine bekannte RH der Kathodeneinlassluft gesetzt.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems; und
- 2A und 2B sind ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bereitstellung einer Steuerung der relativen Feuchte (RH) eines Einlasses des Brennstoffzellenstapels während einer RH-Sensor-Fehlfunktion zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜRHUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchte (RH) eines Kathodeneinlasses einer Brennstoffzelle oder einer Gruppe von Brennstoffzellen gerichtet ist, wenn ein RH-Sensor nicht richtig funktioniert, ist lediglich beispielhafter Natur.
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1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 14 an einer Anodeneingangsleitung 16 auf und liefert einen Anodenausgang an Leitung 18. Ein Ablassventil 26 ist in der Anodenabgasleitung 18 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass die Anode einen Anodenabfluss, typischerweise Stickstoff, von dem Stapel 12 periodisch oder kontinuierlich ablässt. Ein Kompressor 20 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Kathodeneinlassleitung 22 durch eine Wasser-dampfübertragungs-(WVT-)Einheit 24, die die Kathodeneinlassluft befeuchtet. Ein Sensor 36 für relative Feuchte (RH) in der Kathodeneinlassleitung 22 misst die RH der in den Stapel 12 eintretenden Kathodeneinlassluft. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 28 ausgegeben. Die Abgasleitung 28 lenkt das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 24, um die Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneinlassluft bereitzustellen. Eine Bypassleitung 30 ist um die WVT-Einheit 24 herum vorgesehen, um zu ermöglichen, dass das Kathodenabgas die WVT-Einheit 24 umgehen kann. Ein Bypassventil 32 ist in der Bypassleitung 30 vorgesehen und so gesteuert, dass das Kathodenabgas selektiv durch oder um die WVT-Einheit 24 umgelenkt wird, um die gewünschte Menge an Feuchte für die Kathodeneinlassluft bereitzustellen.
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Eine Batterie (nicht gezeigt) liefert Leistung an verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, wie den Kompressor 20. Das System 10 umfasst auch einen Controller 34, der RH-Messsignale von dem RH-Sensor 36 empfängt und die Drehzahl des Kompressors 20, die Injektion von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 14 wie auch die Position des Bypassventils 32 und des Ablassventils 26 steuert.
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Bei bekannten Systemen, wenn der RH-Sensor 36 nicht richtig funktioniert, d.h. wenn die RH-Sensormessungen nicht gültig sind, verliert der Controller 34 seine Rückkopplung und schaltet von der rückkopplungsbasierten Regelung auf eine rückkopplungsfreie Steuerung (im Sinne einer Steuerkette). Ein Steuer-Controller (d.h. ein Controller ohne Rückkopplung) verwendet nur einen gegenwärtigen Zustand und nutzt keine Rückkopplung, um zu bestimmen, ob sein Eingang das gewünschte Ziel erreicht hat, wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Eine rückkopplungsfreie Steuerung kann zu einer unkorrekten Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 12 führen, wobei hierfür der folgende Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt worden ist, um eine Alternative zu der rückkopplungsfreien Steuerung bereitzustellen, wenn der RH-Sensor 36 nicht richtig funktioniert.
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2 ist ein Flussdiagramm 40 für eine nicht beschränkende Ausführungsform eines Algorithmus zur Steuerung der relativen Feuchte (RH) der Kathodeneinlassluft zu dem Brennstoffzellenstapel 12. Das Brennstoffzellensystem 10 wird bei Kasten 46 gestartet, und der Algorithmus stellt bei Kasten 50 Systemerwärmungs- und andere Inbetriebnahmeprozeduren bereit. Nachdem die Erwärmungs- und anderen Inbetriebnahmeprozeduren vollständig sind, tritt das Brennstoffzellensystem 10 bei Kasten 52 in einen normalen Betriebsmodus oder Laufmodus ein. Der Algorithmus bestimmt, nach dem das Brennstoffzellensystem 10 in den Laufmodus eingetreten ist, oder während der Inbetriebnahmeprozedur an Entscheidungsraute 54, ob der RH-Sensor 36 einen gültigen RH-Wert bereitstellt. Es kann jeder geeignete Algorithmus verwendet werden, um zu bestimmen, dass die Ablesung des Sensors 36 gültig ist, wie ein Algorithmus, der bestimmt, ob die Sensorablesung ein möglicher Wert ist.
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Wenn der RH-Sensor 36 einen gültigen RH-Wert an der Entscheidungsraute 54 erfasst, wird das Bypassventil 32 dazu verwendet, die Kathodeneinlass-RH durch den Controller 34 unter Verwendung einer Rückkopplung von dem RH-Sensor 36 bei Kasten 56 zu steuern, um eine rückkopplungsbasierte Regelung bereitzustellen. Wenn die RH-Sensorablesungen gültig sind, führt der Controller 34 bei Kasten 58 eine Berechnung und Aufzeichnung des Kathodeneinlass-RH-Durchschnitts oder eines gefilterten Durchschnitts der Sensormessungen über eine kalibrierbare Zeitperiode aus, die durch Erfassungssignalcharakteristiken des RH-Sensors 36 bestimmt ist. Mit anderen Worten berechnet der Algorithmus einen Durchschnitt der RH-Messungen innerhalb jeder vorbestimmten Zeitperiode. Der Wert des RH-Durchschnitts oder des gefilterten Durchschnitts einer vorhergehenden Zeitperiode wird durch den Controller 34 bei dem Kasten 58 aufgezeichnet und in einem Speicher gespeichert, wie einen nichtflüchtigen Speicher.
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Der Algorithmus bestimmt erneut an der Entscheidungsraute 60, ob der RH-Sensor 36 einen gültigen RH-Wert während des Laufmodus erfasst. Wenn der RH-Sensor 36 eine Erfassung eines gültigen RH-Wertes an der Entscheidungsraute 60 fortsetzt, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 56 zurück, um die Steuerung der Kathodeneinlass-RH gemäß der Rückkopplung von dem RH-Sensor 36 fortzusetzen, und der Controller 34 setzt die Berechnung und Speicherung der Werte des RH-Durchschnitts oder des gefilterten Durchschnitts für jede Zeitperiode bei dem Kasten 58 fort.
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Wenn der RH-Sensor 36 an der Entscheidungsraute 60 keinen gültigen RH-Wert erfasst, werden bei Kasten 62 die Werte des RH-Durchschnitts oder gefilterten Durchschnitts für den RH-Sensor 36 für die vorbestimmte Zeitperiode, die durch den Controller 34 bei Kasten 58 gespeichert ist, von dem Speicher abgerufen. Der abgerufene RH-Wert wird bei Kasten 64 durch ein RH-Schätzmodell verwendet, um eine geschätzte Rückkopplung der Kathodeneinlass-RH zu dem Controller 34 bereitzustellen. Der Algorithmus setzt das Abrufen des RH-Wertes von dem Speicher bei dem Kasten 62 fort und setzt eine Schätzung der Kathodeneinlass-RH unter Verwendung dieses Wertes bei dem Kasten 64 fort, solange der RH-Sensor 36 an der Entscheidungsraute 60 keinen gültigen RH-Wert abliest. Wenn der RH-Sensor 36 eine Ablesung eines gültigen RH-Wertes an der Entscheidungsraute 60 wieder aufnimmt, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 56 zurück und steuert die Kathodeneinlass-RH gemäß der Rückkopplung von dem RH-Sensor 36, wie oben diskutiert ist.
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Wenn der RH-Sensor 36 keinen gültigen RH-Wert an der Entscheidungsraute 54 während der Systeminbetriebnahmeabfolge erfasst, dann existieren keine historischen Kathodeneinlass-RH-Daten und sind nicht für das RH-Schätzmodell verfügbar. Daher erfordert der Controller 34, dass der Brennstoffzellenstapel 12 bei einem vorbestimmten optimierten Leistungspegel unter Verwendung einer rückkopplungsfreien Kathodeneinlass-RH-Steuerung arbeitet. Der optimierte Leistungspegel ist derjenige Pegel, bei dem der Stapel 12 die höchste relative Feuchte besitzt, ohne dass flüssiges Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 auftritt. Der optimierte Leistungspegel wird durch die Stapelkonstruktion bestimmt und kann prozessentkoppelt durch Analyse und Experiment erhalten werden. Zusätzlich zum Setzen der Stapelausgangsleistung auf den optimalen Pegel kann der Systemsteueralgorithmus Abhilfeaktionen einleiten, um einen richtigen Betrieb des Sensors 36 zu bewirken.
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Sobald bei dem Kasten 68 der optimale Leistungspegel für den Stapel 12 bestimmt und gesetzt ist, stellt der Controller 34 die Position des Bypassventils 32 ein, um die Kathodeneinlass-RH auf den gewünschten Pegel, der dem optimierten Leistungspegel entspricht, zu setzen. Als Nächstes bestimmt der Algorithmus, ob eine vorbestimmte Zeitperiode abgelaufen ist. Die Zeitperiode basiert auf Stapelcharakteristiken, wie der Anzahl von Zellen in dem Stapel 12, und wird nur dazu verwendet, die Zeitdauer zu bestimmen, die der Stapel bei dem optimierten Leistungspegel richtig arbeiten kann, was allgemein eine begrenzte und kleine Zeitdauer ist. Wenn die Zeitperiode nicht abgelaufen ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 70, ob die Leistungsanforderung von dem Stapel 12, wie von dem Fahrzeugbetrieb, größer als die durch den Brennstoffzellenstapel 12 bei dem optimierten Leistungspegel erzeugte Leistung ist. Wenn die Leistungsanforderung von dem Stapel 12 an der Entscheidungsraute 70 nicht größer als die durch den Stapel 12 bei dem optimierten Leistungspegel erzeugte Leistung ist, was bedeutet, dass mehr Leistung von dem Stapel 12 erzeugt wird, als notwendig ist, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 72, ob der Ladezustand (SOC) der Batterie kleiner als eine vorbestimmte Ladeschwelle ist. Wenn der Batterie-SOC an der Entscheidungsraute 72 unterhalb der vorbestimmten Ladeschwelle liegt, was bedeutet, dass die Batterie Ladung aufnehmen kann, wird die Batterie bei Kasten 74 unter Verwendung der zusätzlichen Leistung geladen, die durch den Stapel 12 erzeugt wird, der bei dem optimierten Leistungspegel arbeitet, wobei die Differenz zwischen der durch den Stapel erzeugten Leistung und der durch die Lasten verbrauchten Leistung klein sein soll. Wenn der Batterie-SOC an der Entscheidungsraute 72 bei oder oberhalb der vorbestimmten Ladeschwelle liegt, wird die durch den Stapel 12 erzeugte zusätzliche Leistung bei Kasten 76 an andere Komponenten des Systems 10 oder des Fahrzeugs, in dem das System 10 angeordnet ist, dissipiert. Beispielsweise kann die durch den Algorithmus erzeugte zusätzliche Leistung dazu verwendet werden, das Fahrzeug zu starten, oder kann durch andere leistungsverbrauchende Komponenten abhängig von der Leistungsregulierungsstruktur des Fahrzeugs verwendet werden. Sobald der Gebrauch der überschüssigen Leistung gewählt ist, kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 80 zurück, um zu bestimmen, ob die Zeitperiode abgelaufen ist.
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Wenn die von dem Stapel 12 geforderte Leistung an der Entscheidungsraute 70 größer als die von dem Stapel 12 bei dem optimierten Leistungspegel erzeugte Leistung ist, kann die Batterie dazu verwendet werden, die zusätzliche Leistung bereitzustellen, die oberhalb des Leistungsbetrages, der durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird, der bei dem optimierten Leistungspegel arbeitet, angefordert wird. Der Algorithmus kehrt dann zu der Entscheidungsraute 80 zurück, um zu bestimmen, ob die Zeitdauer abgelaufen ist.
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Sobald die Zeitdauer an der Entscheidungsraute 80 abgelaufen ist, läuft der Algorithmus zu dem Kasten 56, um die rückkopplungsbasierte RH-Regelung unter Verwendung des RH-Wertes für den optimierten Leistungspegel bereitzustellen, der bei dem Kasten 58 in dem Speicher gespeichert wird. Zusätzlich erlaubt der Algorithmus eine Einstellung der Stapelleistung auf die Leistungsanforderung. Wenn der Sensor 36 an der Entscheidungsraute 60 immer noch ein ungültiges Signal liest, dann verwendet das Modell den gespeicherten RH-Wert für den optimierten Leistungspegel bei dem Kasten 64.
