DE102012105322A1

DE102012105322A1 - Erweiterter Regelalgorithmus für ein elektronisches Druckregelsystem mit gepulsten Störgrößen

Info

Publication number: DE102012105322A1
Application number: DE201210105322
Authority: DE
Inventors: Oliver Maier; Michael Leykauf
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; General Motors LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US9166238B2; US20130052556A1; CN102956902B; CN102956902A

Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Regeln des Drucks innerhalb eines Volumens zwischen einem Druckregler und einem Injektor, der Wasserstoffgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert. Das Verfahren beinhaltet das Verzögern einer Kopie des gepulsten Signals, das das Öffnen und Schließen des Injektors für eine vorbestimmte Zeitperiode regelt und liefert ein Vorspannsignal aus einer Look-up-Tabelle, welche über einen gewünschten mittleren Massenfluss an Wasserstoffgas in den Brennstoffzellenstapel und dem Druck auf der Hochstromseite des Wasserstoffgasflusses aus dem Druckregler bestimmt ist. Das Verfahren wählt das Vorspannsignal als ein Druckregler-Regelsignal aus, das den Druckregler regelt, sobald das verzögerte Pulsinjektorsignal hoch ist und wählt einen beliebigen Wert bei oder nahezu Null als Druckregler-Regelsignal aus, sobald ein verzögerter Puls für den Injektor niedrig ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren zum Regulieren eines Gasflusses von einem Hochdruckgastanksystem und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Regulieren eines Gasflusses von einem Hochdruckgastanksystem, wobei das Verfahren eine synchrone Kontrolle zwischen einem elektronischen Druckregler und einem Injektor, der Gas in eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert, bereitstellt.
2. Diskussion des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Treibstoff, da er sauber ist und effizient dazu genutzt werden kann, um Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Solche wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen als die heutigen Fahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen. Es wird erwartet, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in naher Zukunft auf dem Automobilmarkt an Popularität gewinnen werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhalten eine feste Polymerelektrolytmembran, die Protonen leitet, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode beinhaltet typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise einen hoch aktiven Katalysator wie Platin (Pt), welcher auf Kohlenstoffteilchen gelagert ist und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran angeordnet. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Membranelektrodenanordnungen sind relativ aufwändig herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für ihren effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt am Kathodeneingang ein Eingangsgas, typischerweise einen Luftfluss, der durch den Stapel über einen Kompressor geleitet wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird vom Stapel aufgebraucht und etwas an Luft wird als Kathodenabgas abgelassen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anodenwasserstoff-Eingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. In einem bekannten Brennstoffzellensystem wird Wasserstoffgasbrennstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels mittels einem oder mehrerer Injektoren injiziert. Der Injektor kontrolliert den Betrag an injiziertem Brennstoff für eine gewisse Stapelstromdichte basierend auf einem Pulsweiten-modulierten (PWM) Steuersignal, das das Öffnen und Schließen des Injektors steuert.
Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Serie von bipolaren Platten, die zwischen verschiedenen Membranelektrodenanordnungen im Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die Membranelektrodenanordnungen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. Anodengasflussfelder werden auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, um das Anodenreaktionsgas an die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließen zu lassen. Kathodengasflusskanäle werden auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die es gestatten, dass das Kathodenreaktionsgas in die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten werden aus leitfähigem Material, beispielsweise einem rostfreien Stahl oder eines leitfähigen Verbunds gebildet. Die Endplatten leiten die Elektrizität aus dem Stapel heraus, die innerhalb der Brennstoffzellen erzeugt wurde. Die bipolaren Platten beinhalten Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
Typischerweise wird Wasserstoffgas für ein Brennstoffzellensystem unter hohem Druck in einem Tanksystem gespeichert, das einen oder mehrere miteinander verbundene Druckkessel auf dem Fahrzeug bereitstellt, um das Wasserstoffgas, das notwendig ist, für den Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Der Druck innerhalb der Kessel kann 700 Bar oder mehr sein. In einer bekannten Ausführungsform beinhalten die Druckkessel eine innere Plastikbeschichtung, die eine gasdichte Abdichtung für das Wasserstoffgas bereitstellt, und eine äußere aus Karbonfiber-Verbundmaterial bestehende Schicht, die die strukturelle Integrität des Kessels liefert.
Ein Wasserstoffspeichersystem beinhaltet typischerweise zumindest einen Druckregler als Teil von verschiedenen und zahlreichen Ventilen, Anzeigen und Passungen, die für den Betrieb des Wasserstoffspeichersystems notwendig sind, die den Druck des Wasserstoffgases aus dem Hochdruck in den Kesseln auf einen konstanten Druck, der für den Brennstoffzellenstapel geeignet ist, reduzieren. Verschiedene Druckregler, unter anderem mechanische Druckregler und elektronische Druckregler, sind aus dem Stand der Technik bekannt, um diese Funktion zu liefern.
Die meisten Brennstoffzellensysteme verwenden einen oder mehrere Injektoren zum Injizieren des Wasserstoffgases mit reduziertem Druck in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Die Injektoren werden typischerweise mittels eines Pulsweiten-modulierten Signals (PWM) geregelt, die einen bestimmten Duty-Cycle und eine Frequenz aufweisen, welche den gewünschten Massenfluss an Wasserstoffgas für eine Zielstapelstromdichte liefern. Allerdings verursacht das Öffnen und Schließen des Injektors in Antwort auf das PWM-Signal Druckoszillationen oder Störungen im Anodengasvolumen zwischen dem Injektor und dem Druckregler, die die Leistungsfähigkeit des Druckreglers reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Regeln des Drucks innerhalb eines Volumens zwischen einem Druckregler und einem Injektor offenbart, der Wasserstoffgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert. Das Verfahren beinhaltet das Verzögern einer Kopie des gepulsten Signals, welches das Öffnen und Schließen des Injektors für eine vorbestimmte Zeitperiode regelt und stellt ein Vorspannsignal aus einer Look-up-Tabelle bereit, die mittels eines gewünschten mittleren Massenflusses an Wasserstoffgasfluss zum Brennstoffzellenstapel und dem Druck auf der Hochstromseite des Wasserstoffgasflusses aus dem Druckregler bestimmt wird. Das Verfahren wählt das Vorspannsignal als ein Druckregler-Kontrollsignal, das den Druckregler steuert, falls das verzögerte Pulsinjektorsignal hoch ist und wählt einen beliebigen Wert bei oder ungefähr bei Null als das Druckregler-Kontrollsignal, falls ein verzögerter Pulsinjektor niedrig ist. Das Druckregler-Kontrollsignal kann größenlimitiert sein, um Peak-Oszillationen zu reduzieren. Ein Proportional-Integral-Regler erzeugt ein Druckfehlersignal basierend auf einer Differenz zwischen einem gewünschten Druck in dem Volumen und dem tatsächlichen Druck innerhalb des Volumens und addiert das Druckfehlersignal auf das Druckregler-Kontrollsignal, um eine Druckkorrektur vorzunehmen.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Hochdruck-Gastanksystems für einen Brennstoffzellenstapel;
2 ist ein Blockdiagramm, das den Betrieb eines Algorithmus zum Regeln des Wasserstoffgases für das System aus der 1 veranschaulicht; und
3 zeigt einen Graphen, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen sind, die eine zeitliche Beziehung zwischen einem PWM-Signal zum Regeln eines Anodeninjektors, eines verzögerten PWM-Signals und eines größenlimitierten Vorspannsignals zum Regeln eines Druckreglers zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Regeln eines Druckreglers gerichtet sind, der den Druck an Wasserstoffgas reduziert, der auf einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels vorliegt, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen. Beispielsweise hat die vorliegende Erfindung wie erwähnt eine Anwendung beim Bereitstellen von Wasserstoffgas für einen Brennstoffzellenstapel. Allerdings ist für Fachleute offensichtlich, dass das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Anwendung beim Regeln eines Druckreglers in Verbindung mit einem Injektor hat, der ein Gas für andere Anwendungen injiziert.
1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm für ein Hochdruck-Gastanksystem 10 zum Bereitstellen von Wasserstoffgas an einen Brennstoffzellenstapel 12. Das Tanksystem 10 beinhaltet einen ersten Hochdrucktank 14 und einen zweiten Hochdrucktank 16, wobei man erkennt, dass das Tanksystem 10 jede beliebige geeignete Anzahl von Hochdrucktanks aufweisen kann. Die Tanks 14 und 16 können das Wasserstoffgas bei einem Druck höher von 700 Bar beinhalten und können jeglichen Hochdrucktank aufweisen, der für die hier diskutierten Zwecke geeignet ist, beispielsweise einen Hochdruckkessel, wie er oben erwähnt wurde, mit einer inneren Plastikauskleidung und einer äußeren strukturellen Verbundschicht. Der Hochdrucktank 14 beinhaltet ein Tankschließventil 20, das an der Ausgangsleitung 18 von dem Tank 14 vorgesehen ist, und der Hochdrucktank 16 beinhaltet ein Tankabschließventil 24, das an der Ausgangsleitung 22 von dem Tank 16 vorgesehen ist. Die Schließventile 20 und 24 stellen jeweils allgemein eine Sicherheitskontrolle für den Hochdruck in den Tanks 14 und 16 bereit. Die Tankausgangsleitungen 18 und 22 sind mit der anodenseitigen Eingangsleitung 26 gekoppelt, die das gespeicherte Wasserstoffgas in den Tanks 14 und 16 an den Brennstoffzellenstapel 12 liefern. Ein Drucksensor 36 wird in der Leitung 26 bereitgestellt, um einen Hochdruck bereitzustellen, der im Einklang mit den Drücken innerhalb der Tanks 14 und 16 ist, sobald die Ventile 20 und 24 für Systemregelzwecke geöffnet sind.
Ein elektronischer Druckregler 28 ist in der Eingangsleitung 26 auf der Niederstromseite von dem Druckregler 36 vorgesehen, der selektiv einen konstanten Gasdruck von dem Hochdruck aus den Tanks 14 und 16 auf einen Druck reduziert und bereitstellt, der für den Brennstoffzellenstapel 12 geeignet ist, was in der Fachwelt bekannt ist. In einer Ausführungsform ist als Druckregler 28 ein Proportionalventil vorgesehen, das eine justierbare Öffnung aufweist. Wie in der Fachwelt bekannt ist, regelt die Größe der Öffnung im Regler 28 und der Druck auf der Hochstromseite in der Anodenleitung 26 die Flussrate und den Betrag an Gas, der auf der Niederstromseite des Druckreglers 28 bereitgestellt wird.
Der reduzierte Wasserstoffgasdruck in der Eingangsleitung 26 auf der Niederstromseite des Druckreglers 28 wird in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 über einen Injektor 30 injiziert. Die Position der Öffnung in dem Druckregler 28 wird über einen Regler 34 selektiv geregelt, um den Druck des Gases in einem Volumen 32 zu regeln. Das Volumen 32 stellt dar und definiert die Größe der verschiedenen Leitungen und Rohre innerhalb des Systems 10 auf der Niederstromseite des Reglers 28 oder des Anodengasvolumens zwischen dem Druckregler 28 und dem Injektor 30. Der Injektor 30 wird über ein PWM-Signal geregelt, um den präzisen Betrag an Wasserstoffgas in den Brennstoffzellenstapel 12 für eine bestimmte Stapelstromdichte bereitzustellen, wobei das PWM-Signal einen definierten Duty-Cycle und eine bestimmte Frequenz aufweist, basierend auf dem Druck innerhalb des Volumens 32. Obwohl ein einzelner Injektor in diesem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel gezeigt wurde, um das Wasserstoffgas in den Stapel 12 zu injizieren, ist es für Fachleute klar, dass ein Brennstoffzellensystem eine Reihe von mehreren Injektoren aufweisen kann, die das Wasserstoffgas in den Stapel 12 injizieren. Zwei redundante Drucksensoren 38 und 40 sind in der Leitung 26 auf der Niederstromseite des Druckreglers 28 vorgesehen, die den Druck innerhalb des Volumens 32 messen. Der Regler 34 empfängt die Druckmessungen aus den Drucksensoren 36, 38 und 40 und das PWM-Signal, welches das Öffnen und Schließen des Injektors 30 regelt, und regelt die Position der Druckregler 28, so dass der Druck in dem Volumen 32 in der Hauptsache konstant während eines normalen Systembetriebs verbleibt.
Zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Operation des Systems 10 wird ein spezifisches Gasvolumen innerhalb des Volumens 32 zwischen dem Druckregler 28 und dem Injektor 30 eingestellt. Sobald der Injektor 30 geöffnet ist, fließt das Gas innerhalb des Volumens 32 in den Brennstoffzellenstapel 12 und der Druck innerhalb des Volumens 32 fällt ab. Dieser Druckabfall wird über die Drucksensoren 38 und 40 gemessen, was bewirkt, den Regler 34 zu öffnen oder die Größe der Öffnung im Druckregler 28 zu vergrößern, damit mehr Gas in das Volumen 32 fließen kann, um dort den Druck zu erhöhen. Da der Injektor 30 ein diskretes Ventil ist, das in Abhängigkeit von den Pulsen in dem PWM-Signal entweder geöffnet oder geschlossen wird, und der Injektor 30 mit sehr hohen Raten geöffnet und geschlossen wird, oszilliert der Druck im Volumen 32 auf Grund des Betriebs des Injektors 30, welcher Störungen verursacht. Diese Oszillation des Drucks innerhalb des Volumens 32 reduziert die Effizienz, bei welcher der Druckregler den Druck innerhalb des Volumens 32 regeln kann.
Für diese Systeme, die nur einen einzelnen Injektor verwenden, sind die Druckoszillationen in dem Volumen 32 als eine Folge des Öffnens und Schließens des Injektors signifikanter als bei einem System, das mehrere Injektoren verwendet. Darüber hinaus würde eine Steigerung in der Größe des Volumens 32, so dass dort mehr Gas sein sollte, die Oszillationen und Störungen aus dem Öffnen und Schließen des Injektors 30 reduzieren. Es ist allerdings aus Sicherheitszwecken für das Volumen 32 wünschenswert, so klein wie möglich zu sein, da es ein Limit für den Betrag an Wasserstoffgas gibt, das sicher an die Umgebung entlüftet werden kann. Ferner ist es auch aus Kostengründen und ähnlichem für das Volumen 32 wünschenswert, so klein wie möglich zu sein. Es ist darüber hinaus für die Schläuche und Rohre, die das Wasserstoffgas zwischen dem Druckregler 28 und dem Injektor 30 transportieren, notwendig, einen Durchmesser und/oder eine Fläche zu haben, die den Gasfluss unterhalb der Schallgeschwindigkeit und nicht über der Schallgeschwindigkeit transportieren. Demzufolge bestehen gegenläufige Interessen, um die Größe des Volumens 32 zu optimieren, wobei die ultimative Größe für das Volumen 32 die ist, dass die Oszillationen und Störungen aus dem Öffnen und Schließen des Injektors 30 keinen negativen Effekt für die Fähigkeit aufweisen, um eine Druckregulierung über den Druckregler 28 vorzunehmen.
Wie weiter unten im Detail diskutiert werden wird, schlägt die vorliegenden Erfindung ein Regelschema für das Regeln des Gasreglers 28 zum Regeln des Drucks in dem Volumen 32 zwischen dem Druckregler 28 und dem Injektor 30 vor, das die Oszillationen und Störungen des Drucks im Volumen 32, die auf Grund des Öffnens und Schließens des Injektors 30 vorliegen, reduziert oder eliminiert. Falls der Regler weiß, wann der Injektor 30 geöffnet werden wird, kann er den Druckregler 28 insbesondere zur selben Zeit öffnen, um den Gasfluss aus dem Injektor 30 und den Gasfluss aus dem Druckregler 28 auszugleichen. Mit anderen Worten veranlasst der Regler 34 in Abhängigkeit von Verzögerungen in dem System 10 den Druckregler 28, um einen proportionalen Betrag geöffnet zu werden, sobald der Injektor 30 veranlasst, geöffnet zu werden, so dass der Gasfluss aus dem Volumen 32 ungefähr derselbe ist, wie der Gasfluss in das Volumen 32 und so dass der Druck im Volumen 32 in Hauptsache konstant bleibt und keine Druckoszillationen aufweist.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 50, das den Betrieb eines Algorithmus zeigt, der im Regler 34 betrieben wird, um die Position des Druckreglers 28 zu regeln, so dass er synchron mit der Operation des Injektors 30, wie oben beschrieben, ist. Das System 50 beinhaltet einen Proportional-Integral(PI)-Regler 52, der ein Gleichstromdruck-Fehlerregelsignal bereitstellt, das eine Differenz zwischen einem gewünschten Druck innerhalb des Volumens 32 und dem tatsächlichen Druck innerhalb des Volumens 32 beinhaltet, wie es für einen oder für beide der Druckregler 38 und 40 gemessen wurde. Insbesondere wird ein Druckanforderungssignal auf der Leitung 54 bereitgestellt und ein tatsächliches Druckmesssignal wird auf der Leitung 56 von den Drucksensoren 38 oder 40 bereitgestellt, die an einen Subtrahierer 58 gesendet werden, der ein Druckfehlersignal aus den zwei Signalen erzeugt, wobei das Fehlersignal an den PI-Regler 52 geliefert wird. Das Druckanforderungssignal ist der kalibrierte Druck, der für das Volumen 32 druckkalibiert wird, der den gewünschten Betrag an Wasserstoffgas durch das Regeln des Injektors 30 bereitstellt. Der Regler 52 arbeitet als ein Standard-PI-Regler, der dazu geeignet ist, das Fehlersignal durch Regeln der Abweichung zwischen dem Drucksetzpunkt und dem tatsächlichen Druck in dem Volumen 32 zu reduzieren.
Wie oben erwähnt ist das Regeln des Druckreglers 28 mit dem Öffnen und Schließen des Injektors 30 synchronisiert. Das PWM-Signal, das den Injektor 30 regelt, wird dazu verwendet, um diese Synchronisation in dem System 50 bereitzustellen. Da aber elektrische und mechanische Verzögerungen zwischen dem PWM-Signal, das an den Injektor 30 geliefert wird, und dem tatsächlichen Betrieb des Injektors 30 vorliegen, muss das PWM-Signal, das für die Synchronisation zuständig ist, für eine saubere Regelung des Druckreglers 28 verzögert werden. Um dies zu bewerkstelligen, wird das PWM-Signal, das den Injektor 30 regelt, auf der Leitung 62 an einen Verzögerungsblock 64 geliefert, wobei die Eingangsflanke eines bestimmten Pulses des PWM-Signals mit einer bestimmten Zeit über den Verzögerungsblock 64 verzögert wird, wie er über eine vorbestimmte Verzögerung im Kasten 66 bestimmt wird. Das verzögerte Ansteigen des jeweiligen Pulses im PWM-Signal wird an den Verzögerungsblock 68 geliefert, der die Ausgangsflanke des Pulses über eine vorbestimmte Verzögerung im Kasten 70 verzögert. Die Verzögerung, die von den Verzögerungskästen 66 und 70 geliefert wird, wäre ungefähr dieselbe, würde über eine Kalibrierung und Testverfahren für das einzelne System bestimmt und kann für verschiedene Systeme verschieden sein.
3 zeigt einen Graphen, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen sind. Das PWM-Signal auf der Leitung 62 wird über die Kurve 60 und das verzögerte PWM-Signal aus der Verzögerung 68 über die Kurve 72 gezeigt.
Das System 50 liefert ein Vorspannregelsignal, das bestimmt, wann der Druckregler 28 geöffnet ist, wobei das Vorspannsignal über den angeforderten Massenfluss von Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel 12 und dem Druck auf der Hochstromseite des Druckreglers 28 bestimmt wird. Insbesondere wird ein gemitteltes Wasserstoffgasmassenfluss-Anforderungssignal, wie es beispielsweise über die Position der Drosselklappe im Fahrzeug bestimmt wird, auf der Leitung 78 bereitgestellt, und der gemessene Hochdruck in den Tanks 14 und 16, wie er vom Sensor 36 geliefert wird, wird auf der Leitung 80 bereitgestellt, wobei das Druckmesssignal über ein Filter 82 gefiltert wird. Das Massenflusssignal und das Drucksignal werden über eine zweidimensionale Look-up-Tabelle 84 eingestellt, welche das geeignete Vorspannsignal für das Öffnen des Druckreglers 28 für den geeigneten Betrag an gewünschtem Wasserstoffgasfluss für den Injektor 30 auswählt. Das Druckmesssignal muss gefiltert werden, da Störungen, die durch das Öffnen und Schließen des Druckreglers 28 verursacht werden, das Vorspannsignal, das über die Look-up-Tabelle 84 bereitgestellt wird, beeinflussen könnten. Das Vorspannsignal aus der Look-up-Tabelle 84 ist ein Gleichstromsignal, dessen Größe sich in inkrementellen Schritten ändert, falls die Anforderung für den gemittelten Wasserstoffgasmassenfluss und/oder die Hochdruckmessung sich hinreichend verändert, um verschiedene Werte in der Look-up-Tabelle 84 auszuwählen.
Das verzögerte PWM-Signal aus dem Verzögerungsblock 68, das Vorspannsignal aus der Look-up-Tabelle 84 und ein vorbestimmter Wert, der über den Kasten 86 bereitgestellt wird, werden an den Logikblock 76 gesendet. Falls das verzögerte PWM-Signal aus dem Block 68 hoch ist, bedeutet dies, dass der Injektor 30 auf ”offen” gestellt worden ist, was mit einer Verzögerung einhergeht, woraufhin der Logikblock 76 das Vorspannsignal aus der Look-up-Tabelle 84 als ein Regler-Regelsignal auswählt, das an den Logikblock 76 abgegeben wird. Falls der Ausgang des Blocks 68 niedrig ist, was wiederum bedeutet, dass der Injektor 30 auf ”geschlossen” gestellt wurde, unterliegt dies wiederum einer Verzögerung, so dass dann der Logikblock 76 einen Wert aus dem Kasten 86 als ein Regler-Regelsignal auswählt, das von dem Logikblock 76 ausgegeben wird. Typischerweise ist der Wert aus dem Block 86 Null oder nahezu Null. Demzufolge ist das Regelsignal aus dem Logikblock 76 ein Duty-Cycle-Signal mit Pulsen, die eine Pulsweite aufweisen, die die verzögerten Pulse im PWM-Signal für den Injektor 30 treffen, wohingegen aber die Größe der Pulse in dem Regelsignal über das Vorspannsignal aus der Look-up-Tabelle 84 eingestellt wird.
Das Regelsignal aus dem Logikblock 76 wird an einen Größenlimitierblock 88 geliefert, der limitiert, wie schnell die Pulse im Kontrollsignal von Null auf ”Hoch” ansteigen und von ”Hoch” auf Null wieder abfallen, so dass weitere Druck-Peaks vermieden werden. Das größenlimitierte Regelsignal wird durch die Kurve 90 in der 3 veranschaulicht. Das größenlimitierte Regelsignal und das Druckfehlerregelsignal vom PI-Regler 52 werden über einen Addierer 92 addiert, um ein tatsächliches Regelsignal bereitzustellen, das die Position der Öffnung des Druckreglers 28 bestimmt, welches mit dem Öffnen und Schließen des Injektors 30 synchronisiert ist. Demzufolge liefert die Regelung, die über das Vorspannsignal bereitgestellt wird, die hauptsächliche Regelung für die Position des Druckreglers 28 und das Fehlerregelsignal aus dem PI-Regler 52 modifiziert leicht dieses Vorspannsignal im Addierer 92, um die Abweichung zwischen dem gewünschten Druck und dem tatsächlichen Druck im Volumen 32 zu korrigieren. Da der PI-Regler 52 nur die Abweichung zwischen diesen Drücken korrigieren muss, braucht es weniger Regelarbeit als im Stand der Technik, was eine stabilere Regelung liefert.
Wie von Fachleuten verstanden wird, können verschiedene und einige Schritte und Prozesse, die oben zur Veranschaulichung der Erfindung diskutiert wurden, von einem Computer, einem Prozessor oder einem anderen elektronischen Rechengerät ausgeführt werden, das Daten manipuliert oder mit Hilfe elektrischer Phänomene transformiert. Diese Computer und elektronischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher wie unvergängliche computerlesbare Medien mit einem ausführbaren Programm darauf beinhalten, welche verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhalten, die vom Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von Speichern und anderen computerlesbaren Medien beinhaltet.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und Schutzbereich der Erfindung, wie er von den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Regeln eines Druckreglers, der einen Gasfluss regelt, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen einer Gasquelle; – Injizieren eines Gasflusses aus der Quelle in ein Gerät mit Hilfe zumindest eines Injektors; und – Regeln des Gasdrucks innerhalb eines Volumens zwischen dem Druckregler und dem Injektor mit Hilfe des Druckreglers durch Synchronisieren eines Öffnens und Schließens des Druckreglers, mit einem Öffnen und Schließen des Injektors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regeln des Drucks innerhalb des Volumens das Bereitstellen eines Vorspannsignals basierend auf einem gewünschten mittleren Gasmassenfluss und eines Drucks auf einer Hochstromseite des Wasserstoffgasflusses aus dem Druckregler beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bereitstellen des Vorspannsignals das Auswählen des Vorspannsignals aus einer zweidimensionalen Look-up-Tabelle beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Regeln des Drucks innerhalb des Volumens das Verzögern eines gepulsten Injektorsignals beinhaltet, das das Öffnen und Schließen des Injektors für eine vorbestimmte Zeitperiode beinhaltet und das Auswählen des Vorspannsignals als ein Regler-Regelsignal, das den Druckregler regelt, sobald das verzögerte gepulste Injektorsignal hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 4, des weiteren umfassend das Auswählen eines beliebigen Werts, der Null oder nahezu Null ist, als das Regler-Regelsignal, sobald das verzögerte Pulsinjektorsignal niedrig ist.
Verfahren nach Anspruch 4, des weiteren umfassend das Größenlimitieren des Regelsignals, sobald das Vorspannsignal ausgewählt und geregelt wurde, um einen Zeitanstieg und Zeitabfall des Vorspannsignals zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 4, des weiteren umfassend das Addieren eines Druckfehlersignals auf das ausgewählte Vorspannsignal, welches einen Fehler zwischen einem gewünschten Druck innerhalb des Volumens und einem tatsächlichen Druck innerhalb des Volumens definiert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Fehlerregelsignal von einem Proportional-Integral-Regler bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gerät ein Brennstoffzellenstapel und das Gas ein Wasserstoffgas ist und wobei der zumindest eine Injektor das Wasserstoffgas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels injiziert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasquelle eine Hochdruckquelle ist.