DE102012224052A1

DE102012224052A1 - Verfahren zur Erfassung eines Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters und Brennstoffzellensystem mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter und einem Regelgerät zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012224052A1
Application number: DE201210224052
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Thomas Steidten; Jens Intorp; Daniel Zirkel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Also published as: KR102120617B1; KR20140080439A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung eines Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters (18) vorgeschlagen. Der Verdichter (18) weist eine elektrische Antriebsvorrichtung (26) zum Antreiben des Verdichters (18) auf. Die Antriebsvorrichtung (26) ist zum Erzeugen eines Antriebsmoments (MM) eingerichtet. Eine Regelung (36) ist zum Anpassen des Antriebsmoments (MM) an ein auf die Antriebsvorrichtung (26) wirkendes Lastmoment (ML) eingerichtet. Das Antriebsmoment (MM) der Antriebsvorrichtung (26) wird basierend auf einer Soll-Drehzahl (n*) des Verdichters (18) ermittelt. Ein Soll-Strom (I*) der Antriebsvorrichtung (26) wird basierend auf der Soll-Drehzahl (n*) des Verdichters (18) ermittelt. Basierend auf dem Soll-Strom (I*) wird eine Spannung (U) zum Antreiben der Antriebsvorrichtung (26) erzeugt. Ein Ist-Strom (I) der Antriebsvorrichtung (26) und eine Ist-Drehzahl (n) des Verdichters (18) werden erfasst. Die Ist-Drehzahl (n) des Verdichters (18) wird basierend auf einem aus dem Antriebsmoment (MM) und dem Lastmoment (ML) resultierenden Drehmoment (MR) der Antriebsvorrichtung (26) ermittelt. Das Verdichterpumpen wird basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments (MR) und basierend auf der Soll-Drehzahl (n*) und des Soll-Stroms (I*) erfasst. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (12), einem Verdichter (18), insbesondere einem Turbolader (34), einer Antriebsvorrichtung (26) zum Antreiben des Verdichters (18) und mit einem Regelungsgerät (36) vorgeschlagen, wobei das Regelungsgerät (36) eingerichtet ist zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.

Description

Stand der Technik
Verdichter werden vielfältig eingesetzt. Bei Brennstoffzellensystemen oder Brennkraftmaschinen wird beispielsweise zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, wie beispielsweise eines Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
Turbolader besitzen eine ausgeprägte Zeitkonstante, reagieren also vergleichsweise träge auf geänderte Steuersignale, was die Regelung des Ladedrucks erschwert. Daher ist es vorteilhaft, wenn eine direkte Zustandsgröße des zu regelnden Turboladers erfasst wird. Besonders geeignet ist hierfür die Drehzahl des Verdichters des Turboladers. Die Kenntnis der Verdichterdrehzahl ist von besonderem Interesse, da bei einem Betrieb des Turboladers eine bestimmte maximale Drehzahlschwelle nicht überschritten werden darf, da ansonsten der Turbolader Schaden nehmen kann bedingt durch die Überschreitung kritischer Spannungen im Verdichterrad, einer Verformung des Verdichterrads, die zu einem Streifen des Rotors am Gehäuse führt.
Die Verdichterdrehzahl ist prinzipiell mittels eines bekannten Verdichterkennfelds berechenbar, sofern bestimmte Größen, wie beispielsweise der Druck vor und nach dem Verdichter, der Luftmassenstrom durch den Verdichter und die Temperatur vor dem Verdichter bekannt sind. Anhand dieser Größen sind die Lage eines Betriebspunktes in dem Verdichterkennfeld und somit auch die Drehzahl des Verdichters bekannt, ohne dass ein Sensor zur Drehzahlbestimmung eingesetzt werden muss.
Hohe Verdichterdrehzahlen können jedoch zu dem so genannten Verdichterpumpen führen. Das so genannte Verdichterpumpen ist ein Phänomen, welches bei Turbomaschinen prinzipbedingt auftritt, wenn bei gegebener Drehzahl das anliegende Druckverhältnis zu hoch ist. Hierbei treten Strömungsablösungen auf, welche die Verdichterschaufeln zu Schwingungen anregen, die wiederum zur Zerstörung der Turbomaschine führen. Der Betrieb im Pumpen bzw. oberhalb der Pumpgrenze ist daher in jedem Fall zu vermeiden.
Die Pumpgrenzerkennung für Verdichter erfolgt im Allgemeinen durch die Erfassung des Druck- und Luftmassenstromwertes und deren Vergleich gegen eine in Prüfständen mit hochauflösender Drucksensorik erfasste Pumpkennlinie. Alternativ dazu wird das Pumpen im Betrieb aus gemessenen Druckschwankungen identifiziert.
Im Fahrzeug wird der Pumpbereich durch die Ladedruckregelung gemieden. Bei Verbrennungsmotoren wird z. B. durch Verwendung von Wastegate-Ventilen, die einen Teil des Abgases an der Turbine vorbeileiten und somit die Drehzahl des Turboladers und damit den Verdichterdruck beschränken, das Verdichterpumpen vermieden. Falls die Überschreitung der Pumpgrenze über eine vorbedatete Kennlinie vermieden werden soll, ist die Einhaltung eines Sicherheitsabstandes erforderlich, um Pumpen bei allen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise einem Höhenbetrieb mit vermindertem Umgebungsdruck, Störungen der Strömung durch angesaugte Verunreinigungen, zugesetzte Luftfilter, ungünstige Betriebspunkte und dergleichen, und unter Berücksichtigung etwaiger Serienstreuung zu vermeiden. Dadurch wird der Betriebsbereich des Verdichters eingeschränkt.
Andererseits kann ein Betrieb des Verdichters in der Nähe der Pumpgrenze je nach Applikation interessant sein. Turboverdichter für Brennstoffzellanwendungen haben beispielsweise ihr Wirkungsgradmaximum nahe der Pumpgrenze, so dass optimale Kraftstoffverbräuche nur bei Betrieb nahe der Pumpgrenze erreicht werden können.
Die DE 602 22 525 T2 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Steuerung des Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei dem die Pumpgrenze in einem Kennfeld eigetragen ist und ein Druckverhältnis anhand eines für den Luftdurchsatz durch den Verdichter repräsentativen Parameters ermittelt werden kann und so festgestellt werden kann, ob die Pumpgrenze überschritten wird.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks beinhalten diese daher noch Verbesserungspotenzial.
So ist bei dem zuletzt genannten Stand der Technik die Erstellung des Kennfelds aufwändig, da diese durch Erfassung des Druck- und Luftmassenstromwertes und deren Vergleich gegen eine in Pumpprüfständen mit hochauflösender Drucksensorik erfasste Pumpkennlinie erfolgen muss. Auch ist die oben geschilderte Pumperkennung aus gemessenen Druckschwankungen eine mittelbare Erfassung des Pumpenphänomens. Durch Inversion des Luftmassenstroms sinkt der Druck in den Volumina ab. Die Intensität und Geschwindigkeit dieser Absenkung hängt von dem entsprechenden System und der Platzierung des Drucksensors ab und muss deswegen für jede Konfiguration neu untersucht und bedatet werden. Das führt wiederum zu einem nicht vernachlässigbaren Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze und zu zusätzlichem Bedatungsaufwand. Insgesamt gestalten sich die Erkennung und die Vermeidung des Verdichterpumpens auch bei elektrisch angetriebenen Verdichtern aufgrund der bislang zusätzlich erforderlichen Sensorik aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zur Erfassung eines Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Regelungsgerät zum Durchführen des Verfahrens vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zur Bestimmung des Verdichterpumpens zumindest weitgehend vermeiden und mit denen insbesondere der oben erwähnte Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze des Verdichters vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine unmittelbare Erkennung des Verdichterpumpens durch die in der Leistungselektronik eines elektrisch angetriebenen Verdichters vorhandene Sensorik zu ermöglichen, womit die Ladedruckregelung hinsichtlich der Vermeidung des Verdichterpumpens substanziell verbessert wird, ohne zusätzliche Sensoren zu verbauen. Ein Grundgedanke ist somit die Erfassung des Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters mit den ohnehin zum Betreiben des Verdichters vorhandenen Sensoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung eines Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters, wobei der Verdichter eine elektrische Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Verdichters aufweist, wobei eine Regelung de Antriebsvorrichtung zum Erzeugen eines Antriebsmoments eingerichtet ist, wobei eine Regelung zum Anpassen des Antriebsmoment an ein auf die Antriebsvorrichtung wirkendes Lastmoment eingerichtet ist, umfasst: Ermitteln eines Antriebsmoments der Antriebsvorrichtung basierend auf einer Soll-Drehzahl des Verdichters, Ermitteln eines Soll-Stroms der Antriebsvorrichtung basierend auf der Soll-Drehzahl des Verdichters, Erzeugen einer Spannung zum Antreiben der Antriebsvorrichtung basierend auf dem Soll-Strom, Ermitteln eines Ist-Stroms der Antriebsvorrichtung und einer Ist-Drehzahl des Verdichters, wobei die Ist-Drehzahl des Verdichters basierend auf einem aus dem Antriebsmoment und dem Lastmoment resultierenden Drehmoment der Antriebsvorrichtung ermittelt wird, und Erfassen eines Verdichterpumpens basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments und basierend auf der Soll-Drehzahl und des Soll-Stroms.
Das Verdichterpumpen kann bei Unterschreiten eines Schwellwerts einer Änderung der Soll-Drehzahl und des Soll-Stroms erfasst werden.
Der Schwellwert der Änderung der Soll-Drehzahl und des Soll-Stroms kann im Wesentlichen 0 sein.
Bei dem Verfahren kann weiter die zeitliche Veränderung des Soll-Stroms und der Soll-Drehzahl pro Zeiteinheit ermittelt werden.
Der Soll-Strom kann ein Soll-Dreiphasenwechselstrom sein.
Mittels des Soll-Dreiphasenwechselstrom können Phasenspannungen eingestellt werden. Ferner können Ist-Dreiphasenwechselströme erfasst werden.
Die Regelung kann eingerichtet sein, das Antriebsmoment an ein Lastmoment einer Welle des Verdichters anzupassen.
Die Soll-Drehzahl kann basierend auf einem externen Regelungsparameter vorgegeben werden. Der externe Regelungsparameter kann beispielsweise ein Soll-Fluidmassenstrom durch den Verdichter sein.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, einen Verdichter, eine Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antreiben des Verdichters und einen Regelungsgerät auf. Das Regelungsgerät ist eingerichtet zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Brennstoffzelle kann eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
Das Regelungsgerät kann eine Soll-Drehzahl des Verdichters basierend auf einem Soll-Luftmassenstrom vorgeben.
Der Soll-Luftmassenstrom kann basierend auf einer Leistungsanforderung der Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs ermittelt werden.
Der Verdichter kann mit einer Abgasturbine verbunden sein, die mit einem Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle antreibbar ist.
Unter einer Brennstoffzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine galvanische Zelle zu verstehen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich oder auch diskontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Eine Brennstoffzelle besteht üblicherweise aus Elektroden, die durch eine Membran oder einen Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektroden bestehen meist aus Metall- oder Kohlenstoffnanoröhren und sind mit einem Katalysator beschichtet, wie beispielsweise mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalikarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen. Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der beispielsweise Wasserstoff oder organische Verbindungen, wie beispielsweise Methan oder Methanol, sein kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt.
Unter einem Druckverhältnis eines Verdichters ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Quotient von Verdichterauslassdruck zu Verdichtereinlassdruck zu verstehen, d. h. der Druck der aus dem Verdichter in Richtung zu dem Brennraum strömenden Luft im Verhältnis zu dem Druck, der aus der Umgebung in den Verdichter einströmenden Luft.
Unter einem Grenzdruckverhältnis ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Druckverhältnis zu verstehen, oberhalb dessen Schäden am Verdichter durch Pumpen auftreten können. Das Grenzdruckverhältnis kann dabei sowohl so festgelegt werden, dass es exakt der Pumpgrenze entspricht, d. h. einer Grenze, oberhalb derer ein Pumpen des Verdichters auftreten wird, als auch mit einem Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze.
Unter einer zeitlichen Veränderung des Soll-Stroms und/oder der Soll-Drehzahl ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der absolute Betrag einer Änderung dieser Signale in einem bestimmten Zeitraum sowie der Gradient, also die Ableitung des Signals nach der Zeit, zu verstehen.
Unter einem Referenzdruck ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein auf Meereshöhe bezogener Luftdruck zu verstehen. Der Referenzdruck wird im Allgemeinen etwa 1 bar betragen.
Unter einer Referenztemperatur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Diese Referenztemperatur wird im Allgemeinen etwa 20°C betragen.
Unter dem Pumpen des Verdichters, oder auch kurz als Verdichterpumpen bezeichnet, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein für die strukturelle Integrität von dem Verdichter potentiell gefährlicher Betriebszustand zu verstehen. In einem Verdichter wird der Druck des einströmenden Arbeitsmediums, das auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung Luft sein kann, mit Hilfe mehrerer Verdichterstufen stufenweise erhöht. Nun kann es vorkommen, dass an den Verdichterschaufeln eines Verdichters die Strömung abreißt und es zu Verwirbelungen kommt. Dabei lässt die Verdichterleistung nach. Im Fall, dass der Druck, der sich stromabwärts oder nach dem Verdichter aufgebaut hat, den Druck, den der Verdichter erzeugt übersteigt, kommt es zu dem Effekt, dass sich die Strömung der Luft umkehrt. Bei dieser Rückströmung sinkt der Druck nach dem Verdichterauslass, die Strömung dreht sich erneut um und strömt wieder aus dem Verdichterauslass in der eigentlichen Richtung. Dieses Wechselspiel der Luftmassenströme nennt man Pumpen, welches zu erheblichen zyklischen Belastungen des Verdichters führt und zu seiner Zerstörung führen kann. Maßnahmen zur Reduktion dieses Verhaltens werden als Pumpschutz bezeichnet.
Unter einem Antriebsmoment ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das von einer Antriebsvorrichtung erzeugte Drehmoment zu verstehen. Beispielsweise kann das Antriebsmoment an einer Welle der Antriebsvorrichtung gemessen werden. Die Antriebsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Elektromotor, wie beispielsweise ein Wechselstrommotor.
Unter einem Lastmoment ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das von dem Verdichter der Antriebsvorrichtung entgegensetzte Drehmoment zu verstehen, das auch als Gegenmoment bezeichnet werden kann.
Unter einem resultierenden Drehmoment ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das der Differenz aus Antriebsmoment und Lastmoment Moment der Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise an der Welle, zu verstehen. Je nach Vorzeichen sorgt das resultierende Drehmoment für eine Beschleunigung oder Verzögerung des Rotors der elektrischen Antriebsvorrichtung bzw. des Verdichters.
Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Verdichterpumpen mithilfe der in der Leistungselektronik eines elektrisch angetriebenen Verdichters vorhandenen Sensorik zu erkennen. Damit kann die Ladedruckregelung hinsichtlich der Vermeidung des Verdichterpumpens substanziell verbessert werden, ohne zusätzliche Sensoren zu verbauen. Der Vorteil besteht in der besseren Ausnutzung des Betriebsbereichs des Verdichters, ohne eine Schädigung zu riskieren. Der drehzahlgeregelte Verdichter besitzt eine kaskadierte Regelung, wobei ein äußerer Regelkreis die Drehzahl und ein innerer Regelkreis den Strom und damit das Drehmoment regelt. Ein derartiger Verdichter kann beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Der Verdichter ist beispielsweise eingerichtet, die der Brennstoffzelle zuzuführende Luft bzw. Sauerstoff zu verdichten.
Bei einem derartigen Verdichter stellt der Stromregler mithilfe von Phasenspannungen die Phasenströme, d. h. die Ist-Phasenströme. Der elektrische Strom in den Phasen erzeugt ein Drehmoment an der Welle, welches dem Lastmoment, das in diesem Fall durch den Verdichter erzeugt wird, entgegenwirkt. Das resultierende Moment an der Welle, das der Differenz aus Motormoment und Lastmoment entspricht, sorgt je nach Vorzeichen für eine Beschleunigung bzw. ein Abbremsen des Rotors bzw. des Verdichters Der überlagerte Drehzahlregler versucht den gewünschten Drehzahlsollwert einzuregeln, indem er den Strom und damit das Drehmoment an die unterlagerte Regelung vorgibt.
Beim so genannten Verdichterpumpen kommt es zu starken Änderungen des Massenstroms, die auch Auswirkungen auf den Druck haben. Diese Änderungen haben auch direkten Einfluss auf das Lastmoment. Das Lastmoment schwankt trotz konstanter Drehzahl im Pumpbereich besonders stark. Dies sind direkte Auswirkungen des Verdichterpumpens.
Die interne Drehzahlregelung des elektrisch betriebenen Turboverdichters versucht, die gewünschte Drehzahl einzuregeln, indem sie das Motormoment an das Lastmoment anpasst. Aufgrund der kleinen Zeitkonstanten des elektrischen Stroms werden dafür lediglich wenige Millisekunden benötigt. Das Pumpphänomen besitzt hingegen eine deutlich langsamere Dynamik. In der Leistungselektronik kann schließlich aus der Information der Soll-Drehzahl und den Soll-Strömen plausibilisiert werden, ob starke Schwankungen des Drehmoments aus einer Drehzahländerung oder aus den Verdichterpumpen stammen. Durch eine entsprechende Meldung an die übergeordneten Steuergeräte können schließlich Gegenmaßnahmen getroffen werden, wie beispielsweise ein Öffnen eines Systembypasses.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht somit beispielsweise in der besseren Ausnutzung des Betriebsbereichs des Verdichters ohne eine Schädigung zu riskieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelung,
3 eine schematische Darstellung eines Massenstroms während des Verdichterpumpens,
4 eine schematische Darstellung des Drucks vor und nach dem Verdichter während des Verdichterpumpens,
5 eine schematische Darstellung der Verdichterleistung während des Verdichterpumpens und
6 eine schematische Darstellung des Lastmoments während des Verdichterpumpens
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, eine Luftzuführungsleitung 14, eine Abgasleitung 16, einen Verdichter 18, eine Abgasturbine 20, ein Bypassventil 22 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 12. Das Bypassventil 22 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 22 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden. Die Brennstoffzelle 12 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 14 der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird. Der Brennstoff kann Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 12 ist beispielsweise eingerichtet, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Energie einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
Der Verdichter 18 ist in der Luftzuführungsleitung 14 angeordnet. Die Abgasturbine 20 ist in der Abgasleitung 16 angeordnet. Der Verdichter 18 und die Abgasturbine 20 sind über eine Welle 24 mechanisch verbunden. Die Welle 24 ist von einer Antriebsvorrichtung 26 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 20 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 26 zum Antreiben des Verdichters 18. In der Luftzuführungsleitung 14 können ferner zusätzlich ein Luftmassenmesser 28 und/oder ein Drucksensor 30 stromaufwärts des Verdichters 18 und/oder ein Drucksensor 32 stromabwärts des Verdichters 18 angeordnet sein. Der Luftmassenmesser 28 und der Drucksensor 30 sind rein optional, so dass das nachstehend ausführlich beschriebene Verfahren ohne diese ausführbar ist. Der Verdichter 18, die Welle 24 und die Abgasturbine 20 bilden zusammen einen Turbolader 34. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 10 ein Regelungsgerät 36 oder auch kurz Regelung 36. Das Regelungsgerät 36 ist eingerichtet zum Durchführen eines nachfolgend ausführlich beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung eines Verdichterpumpens des Verdichters 18.
2 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Regelung eines Massenstroms in die Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10. Basierend auf einem externen Regelungsparameter wird eine Soll-Drehzahl n* des Verdichters 18 vorgegeben. Beispielsweise ist der externe Regelungsparameter ein Soll-Fluidmassenstrom durch den Verdichter 18. Bei dem gezeigten Einsatzbeispiel des Brennstoffzellensystems 10 in einem Kraftfahrzeug kann das Regelungsgerät 36 eine Soll-Drehzahl n* des Verdichters 18 basierend auf einem Soll-Luftmassenstrom vorgeben. Der Soll-Luftmassenstrom kann basierend auf einer angeforderten Leistung der Brennstoffzelle 12 ermittelt werden. Soll das Kraftfahrzeug beispielsweise beschleunigen, so steigt die Leistungsanforderung an. Damit die Brennstoffzelle 12 diese erhöhte elektrische Leistung liefern kann, benötigt die Brennstoffzelle 12 einen höheren Luftmassenstrom. Der höhere Luftmassenstrom kann durch beispielsweise durch eine höhere Drehzahl des Verdichters 18 geliefert werden.
Die Soll-Drehzahl n* wird in einem Drehzahlregelungsabschnitt 38 des Regelungsgeräts 36 als Grundlage für die Ermittlung eines Soll-Stroms I* für die Antriebsvorrichtung 26 des Verdichters 18 verwendet. Der Soll-Strom I* kann dabei als Soll-Dreiphasenwechselstrom vorliegen. Der Soll-Dreiphasenwechselstrom kann beispielsweise Soll-Phasenströme I_a*, I_b*, I_c* umfassen. Die Soll-Phasenströme I_a*, I_b*, I_c* werden in einem Stromregelungsabschnitt 40 des Regelungsgeräts 36 entsprechenden Phasenspannungen U_a, U_b, U_c zugeordnet, die an die Antriebsvorrichtung 26 zum Antreiben der Welle 24 des Verdichters 18 angelegt werden. An der elektrischen Antriebsvorrichtung 26 werden in einem Antriebsabschnitt 42 des Regelungsgeräts 36 Ist-Phasenströme I_a, I_b, I_c erfasst, die wiederum dem Stromregelungsabschnitt 40 als Eingangsparameter zugeführt werden. Mit anderen Worten stellt der Stromregelungsabschnitt 40 mittels der Phasenspannungen U_a, U_b, U_c die Ist-Phasenströme I_a, I_b, I_c. Somit wird basierend auf der Soll-Drehzahl n* ein Soll-Drehmoment ermittelt, das die Antriebsvorrichtung 26 auf die Welle 24 aufbringt. Der elektrische Strom in den Phasen der Phasenspannungen U_a, U_b, U_c erzeugt ein Antriebsmoment M_M, das auf die Welle 24 von der Antriebsvorrichtung 26 aufgebracht wird. Die Welle 24 setzt dem geforderten Antriebsmoment M_M ein Lastmoment M_L entgegen. Die Regelung ist zum Anpassen des Antriebsmoments M_M an ein auf die Antriebsvorrichtung 26 wirkendes Lastmoment M_L eingerichtet. Insbesondere ist die Regelung eingerichtet, das Antriebsmoment M_M an ein Lastmoment M_L der Welle 24 des Verdichters 18 anzupassen. Anpassen bedeutet, dass die Antriebsvorrichtung ein Antriebsmoment M_M stellt, welches dem Lastmoment M_L entspricht, um die Soll-Drehzahl n* zu halten. Sowohl das Antriebsmoment M_M als auch das Lastmoment M_L werden dann berücksichtigt, um ein resultierendes Drehmoment M_R zu ergeben, mit dem sich die Welle 24 dreht. Das resultierende Drehmoment M_R ergibt sich aus einer Differenz des Antriebsmoments M_M und des Lastmoments M_L. Je nach Vorzeichen des resultierenden Drehmoments M_R ergibt sich eine Beschleunigung oder ein Abbremsen des Rotors der Antriebsvorrichtung 26. Das resultierende Drehmoment M_R dreht somit die Welle 24 mit einer bestimmten Ist-Drehzahl n. Da der Verdichter 18 mit der Welle 24 verbunden ist, dreht der Verdichter 18 somit mit einer Ist-Drehzahl n. Die Ist-Drehzahl n wird wiederum in einem Drehzahlerfassungsabschnitt 44 des Regelungsgeräts 36 erfasst. Die erfasste Ist-Drehzahl n wird dann wiederum dem Drehzahlregelungsabschnitt 38 des Regelungsgeräts 36 zugeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Massenstroms der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 wird ein Verdichterpumpen basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments M_R und basierend auf der Soll-Drehzahl n* und des Soll-Stroms I* erfass, wie nachstehend erläutert wird. Zunächst wird jedoch erläutert weshalb im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verdichterpumpen erfasst werden kann, ohne zusätzliche Sensoren zu benötigen, sondern nur diejenigen, die bei Betrieb eines elektrisch angetriebenen Verdichters 18 verwendet werden. Deshalb wird zunächst auf das Phänomen des Verdichterpumpens beispielhaft eingegangen, wie es sich auf Signale verschiedener Sensoren auswirkt. Es wird ausdrücklich betont, dass die in den 3 bis 6 dargestellten Kurven beispielhaft sind und nur das Verdichterpumpen als solches erläutern, jedoch nicht notwendigerweise Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein müssen.
3 zeigt exemplarisch ein den Luftmassenstrom charakterisierendes Strömungssignal, wie es beispielsweise von dem Luftmassenmesser 28 erfasst wird. In 3 ist auf der X-Achse 46 die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf der Y-Achse 48 ist ein korrigierter Luftmassenstrom W* in g/s aufgetragen. Ein Luftmassenstrom W kann bezüglich einer Referenztemperatur T_REF und eines Referenzdrucks P_REF korrigiert werden, um den korrigierten Luftmassenstrom W* zu ergeben. Dies kann beispielsweise mittels der folgenden Formel erfolgen:
Die Parameter T_IN und P_IN repräsentieren den Druck und die Temperatur der Luft am Einlass des Verdichters 18. Die Referenztemperatur T_REF liegt wie oben erwähnt im Bereich der üblichen Umgebungstemperatur und der Referenzdruck P_REF ist ein auf die Meereshöhe bezogener Luftdruck. In dem Diagramm der 3 ist der korrigierte Luftmassenstrom W* in g/s angegeben.
Wie der Darstellung der 3 zu entnehmen ist, kann es während eines Verdichterpumpens zu starken Schwankungen des Luftmassenstroms W kommen. Bei einem Betrieb des Verdichters 18 im Pumpen fällt das Strömungssignal des Luftmassenmessers 26 aufgrund der Richtungsänderung der Ansaugluft instantan ab, das sich auch in dem korrigierten Luftmassenstrom W* zeigt, wie beispielsweise an der mit 50 markierten Stelle in 3 exemplarisch erkennbar ist.
Auch in einem Drucksignal, wie es beispielsweise von den Drucksensoren 30 oder 32 erfasst wird, zeigt sich ein derartiges Verdichterpumpen, wie anhand der 4 nachfolgend erläutert wird. In 4 ist auf der X-Achse 52 die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf der Y-Achse 54 ist der Druck in Pascal aufgetragen. Die Kurve 56 gibt dabei den von dem Drucksensor 30 stromaufwärts des Verdichters 18 erfassten Druck wieder und die Kurve 58 gibt den von dem Drucksensor 32 stromabwärts des Verdichters 18 erfassten Druck wieder. Ein Beispiel für das Pumpen ist an der jeweils mit 60 markierten Stelle erkennbar.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass zum Erfassen des Verdichterpumpens nicht auf den Luftmassenmesser 28 und/oder die Drucksensoren 30, 32 zurückgegriffen werden muss, diese also ersatzlos entfallen können, sondern anhand der oben beschriebenen Regelung das Verdichterpumpen eindeutig identifiziert werden kann. Es wird daher erläutert, wie sich das Verdichterpumpen auf die Regelung auswirkt.
Auch in der Verdichterleistung P zeigt sich ein derartiges Verdichterpumpen, wie anhand der 5 nachfolgend erläutert wird. In 5 zeigt auf der X-Achse 62 die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf der Y-Achse 64 ist die Verdichterleistung P in Watt aufgetragen. Genauer ist in 5 die isentrope Verdichterleistung P dargestellt.
Beispielhaft wird hier der verlustfreie Weg, d. h. ohne Berücksichtigung auftretender Wirkungsgrade dargestellt. Aus den Messdaten kann die isotrope Verdichtungsleistung P mithilfe von
berechnet werden. Dabei gibt c_p die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstantem Druck, T_in die Temperatur von Luft am Einlass des Verdichters, p_out den Druck stromabwärts des Verdichters 18, p_in den Druck stromaufwärts des Verdichters 18, W wiederum den Luftmassenstrom und κ den Isentropenkoeffizienten von Luft an, d. h. den Quotienten aus c_p und c_v, wobei c_v die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstanter Temperatur ist. Bei Luft ist κ = 1,4. In 5 ist beispielhaft eine Stelle 66 markiert, die ein Verdichterpumpen im Verlauf der Verdichterleistung anzeigt. Bei einem Verdichterpumpen schwankt der Luftmassenstrom W, wie oben beispielhaft anhand der 3 erläutert wurde. Daher schwankt im Falle des Verdichterpumpens auch die Leistung P der elektrischen Antriebsvorrichtung 26.
Unter Zuhilfenahme der Kreisfrequenz L des Rotors der Antriebsvorrichtung 26 ergibt sich das verlustfreie Lastmoment M_L des Verdichters 18 gemäß der folgenden Gleichung M_L = P / ω mit ω = 2π / 60n.
Dabei gibt n die Ist-Drehzahl des Verdichters 18 an, die identisch mit der Drehzahl des Rotors der Antriebsvorrichtung 26 ist, da diese über die Welle 24 verbunden sind.
Auch anhand des Verlaufs des Lastmoments M_L des Verdichters 18 ist das Verdichterpumpen erkennbar, wie anhand der 6 erläutert wird. In 6 ist auf der X-Achse 68 wiederum die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf der Y-Achse 70 ist das Lastmoment M_L des Verdichters 18 in Nm aufgetragen. In 6 ist beispielhaft eine Stelle 72 markiert, die ein Verdichterpumpen im Verlauf des Lastmoments M_L des Verdichters 18 anzeigt.
Aus den obigen Gleichungen folgt, dass starke Schwankungen des Lastmoments M_L entweder aus einer Änderung der Soll-Drehzahl n* oder aus einem Verdichterpumpen resultieren können. Dieses hängt von zwei Größen ab, nämlich der Verdichterleistung P, die wiederum mit dem Luftmassenstrom W schwanken kann, sowie der Drehzahl n, die ebenfalls aufgrund der Regelung schwanken kann. In der Leistungselektronik kann schließlich aus der Information der Soll-Drehzahl n* und den Soll-Strömen I* plausibilisiert werden, ob starke Schwankungen des Lastmoments M_L aus einer Drehzahländerung oder aus dem Verdichterpumpen stammen. So ergibt eine Änderung des Lastmoments M_L eine Änderung des resultierenden Drehmoments M_R. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Verdichterpumpen bei Unterschreiten eines Schwellwerts einer Änderung der Soll-Drehzahl n* und des Soll-Stroms I* erfasst. Beispielsweise wird eine zeitliche Veränderung des Soll-Stroms I* und der Soll-Drehzahl n* pro Zeiteinheit ermittelt. Der Schwellwert der Änderung der Soll-Drehzahl n* und des Soll-Stroms I* ist beispielsweise im Wesentlichen 0. Im Wesentlichen 0 bedeutet hier, dass die Soll-Drehzahl n* und der Soll-Strom I* quasi konstant sind und nur technisch unvermeidbaren Veränderungen bzw. Schwankungen unterliegen. Eine Änderung von 0 bedeutet, dass ein stationärer Betriebspunkt eingestellt ist. Treten jetzt Änderungen des resultierenden Drehmoments M_R auf, so können sie eindeutig einem Verdichterpumpen zugeordnet werden, da die Soll-Drehzahl n* und der Soll-Strom I* nicht verändert wurde und somit gemäß der obigen Regelung als Einflussgröße auf eine Veränderung des resultierenden Drehmoments M_R ausscheiden. Mit anderen Worten schwankt das Lastmoment M_L und somit das resultierende Drehmoment M_R trotz konstanter Soll-Drehzahl n* und somit konstantem Soll-Strom I* stark. Damit kommt als Einflussgröße auf das schwankende Lastmoment M_L nur die Leistung P in Betracht, die durch in Abhängigkeit von dem durch das Verdichterpumpen hervorgerufenen schwankenden Luftmassenstrom W schwankt. Sofern das Verdichterpumpen gemäß dem obigen Verfahren erfasst wird, wird von dem Regelungsgerät 36 eine niedrigere Soll-Drehzahl n* vorgegeben. Zusätzlich kann das Bypassventil 22 geöffnet werden.
Die Kommunikation mit dem Regelungsgerät 36 des Verdichters 18 kann bei dem obigen Beispiel mittels einer kraftfahrzeugtauglichen Schnittstelle, wie beispielsweise CAN (Controller Area Network), erfolgen. Die von der Leistungselektronik zur Verfügung gestellten Daten können bei einem Verdichterpumpen aufgezeichnet und ausgewertet werden. Durch einen Vergleich mit den Daten anderer Sensoren, wie beispielsweise dem Luftmassenmesser 28 und/oder den Drucksensoren 30, 32, kann die Information des Verdichterpumpens noch genauer identifiziert werden.
Es wird explizit betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine Anwendung bei einem elektrisch angetriebenen Verdichter 18 eines Brennstoffzellensystems 10 beschränkt ist. Beispielsweise kann ein elektrisch angetriebener Verdichter 18 auch bei einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, eingesetzt werden. Auch ist die oben beschriebene Regelung nicht auf die Regelung eines Luftmassenstroms beschränkt. Alternativ kommt analog eine Druckregelung, eine reine Steuerung mittels einer Kennlinie des Luftmassenstroms I Drucks am Einlass des Verdichters 18 oder eine diskrete Lastpunktvorgabe in Betracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60222525 T2 [0008]

Claims

Verfahren zur Erfassung eines Verdichterpumpens eines elektrisch angetriebenen Verdichters (18), wobei der Verdichter (18) eine elektrische Antriebsvorrichtung (26) zum Antreiben des Verdichters (18) aufweist, wobei die Antriebsvorrichtung (26) zum Erzeugen eines Antriebsmoments (M_M) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung (36) zum Anpassen des Antriebsmoment (M_M) an ein auf die Antriebsvorrichtung (26) wirkendes Lastmoment (M_L) eingerichtet ist, wobei das Antriebsmoment (M_M) der Antriebsvorrichtung (26) basierend auf einer Soll-Drehzahl (n*) des Verdichters (18) ermittelt wird, wobei ein Soll-Strom (I*) der Antriebsvorrichtung (26) basierend auf der Soll-Drehzahl (n*) des Verdichters (18) ermittelt wird, wobei basierend auf dem Soll-Strom (I*) eine Spannung (U) zum Antreiben der Antriebsvorrichtung (26) erzeugt wird, wobei ein Ist-Strom (I) der Antriebsvorrichtung (26) und eine Ist-Drehzahl (n) des Verdichters (18) erfasst werden, wobei die Ist-Drehzahl (n) des Verdichters (18) basierend auf einem aus dem Antriebsmoment (M_M) und dem Lastmoment (M_L) resultierenden Drehmoment (M_R) der Antriebsvorrichtung (26) ermittelt wird, wobei das Verdichterpumpen basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments (M_R) und basierend auf der Soll-Drehzahl (n*) und des Soll-Stroms (I*) erfasst wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Verdichterpumpen bei Unterschreiten eines Schwellwerts einer Änderung der Soll-Drehzahl (n*) und des Soll-Stroms (I*) erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schwellwert der Änderung der Soll-Drehzahl (n*) und des Soll-Stroms (I*) im Wesentlichen 0 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zeitliche Veränderung des Soll-Stroms (I*) und der Soll-Drehzahl (n*) pro Zeiteinheit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll-Strom (I*) ein Soll-Dreiphasenwechselstrom (I_a*, I_b*, I_c*) ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei mittels des Soll-Dreiphasenwechselstrom (I_a*, I_b*, I_c*) Phasenspannungen (U_a, U_b, U_c) eingestellt werden und Ist-Dreiphasenwechselströme (I_a*, I_b*, I_c*) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelung (36) eingerichtet ist, das Antriebsmoment (M_M) an ein Lastmoment (M_L) einer Welle (24) des Verdichters (18) anzupassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Soll-Drehzahl (n*) basierend auf einem externen Regelungsparameter vorgegeben wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der externe Regelungsparameter ein Soll-Fluidmassenstrom durch den Verdichter (18) ist.
Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (12), einem Verdichter (18) einer Antriebsvorrichtung (26) zum elektrischen Antreiben des Verdichters (18) und mit einem Regelungsgerät (36), wobei das Regelungsgerät (36) eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzellensystem (12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Brennstoffzelle (12) eingerichtet ist, eine Antriebsvorrichtung (26) eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
Brennstoffzellensystem (12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Regelungsgerät eine Soll-Drehzahl (n*) des Verdichters (18) basierend auf einem Soll-Luftmassenstrom vorgibt.
Brennstoffzellensystem (12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Soll-Luftmassenstrom basierend auf einer Leistungsanforderung der Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (18) mit einer Abgasturbine (20) verbunden ist, die mit einem Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle (12) antreibbar ist.