DE102013001413A1

DE102013001413A1 - Temperaturregelung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102013001413A1
Application number: DE201310001413
Authority: DE
Inventors: Martin ARENDT; Heiko Turner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: DE102013001413B4

Abstract

Ein Verfahren zur Regelung einer Eintrittstemperatur (T1) eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle (103) vorgesehenen Temperiermittels, wobei das Verfahren weist auf: Bestimmen (201) einer ersten Differenz (407) aus einem ersten Signal (402) und einem zweiten Signal (403), wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert (T_Clnt,BZ,in_Sollwert) der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert (T_Clnt,BZ,in, T1, T3) der Eintrittstemperatur ist; Bestimmen (203) einer Stellgröße (411) basierend auf der ersten Differenz (407); Bestimmen (205) einer zweiten Differenz (ΔT_BZ,Stör, 425) aus dem ersten Signal (402) und einem dritten Signal (404), welches indikativ für einen Istwert (T_Clnt,BZ,out, T2) einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist; Modifizieren (207) der Stellgröße (411) basierend auf der zweiten Differenz (425); und Bereitstellen (209) der modifizierten Stellgröße (415) zum Temperieren des Temperiermittels, mittels eines Temperiersystems, basierend auf der modifizierten Stellgröße.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels, ein Software-Programm-Produkt, welches ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen, und ein Brennstoffzellentemperaturregelungssystem, welches die Temperatur des Temperiermittels gemäß dem Regelungsverfahren regelt.
Die Druckschrift DE 10 2008 032 156 offenbart ein Verfahren zur Temperaturregelung in einer Brennstoffzellenanlage und eine Brennstoffzellenanlage, wobei eine Temperaturerhöhung in einem Brennstoffzellenmodul bei einem starken Stromgradienten vermieden wird, indem eine Änderung des elektrischen Stroms durch das Brennstoffzellenmodul als Korrekturgröße für die Regelung verwendet wird. Dabei wird der Strom durch das Brennstoffzellenmodul überwacht und ein Stromgradient wird erkannt. Bei positivem Stromgradienten wird dieser in eine Stellwertänderung umgewandelt und linear auf den Sollwert der Stellung eines Mischventils aufgeschaltet. Ist der Stromgradient konstant, ist auch die Störgröße, die auf die Regelung aufgeschaltet wird, konstant. Verschwindet der Stromgradient, so wird auch das Aufschalten der Störgröße auf die Regelung beendet.
Die Druckschrift DE 11 2005 003 018 offenbart eine nicht-lineare thermische Steuerung eines Brennstoffzellenstapels, wobei ein Fehlersignal erzeugt wird, das die Differenz zwischen einer gewünschten Stapeltemperatur und eine Temperatur eines Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel heraus ist, wobei eine Feedback-Regelung auf das Fehlersignal angewendet wird. Ferner wird ein modifiziertes Störsignal zu dem Steuersignal addiert, ein Massendurchsatzsignal wird unter Verwendung der Linearisierungsvariablen erzeugt und das thermische Modell wird unter Verwendung des Massendurchsatzsignals linearisiert, um die Störung in dem modifizierten Störsignal auszuregeln.
Es ist beobachtet worden, dass herkömmliche Temperierverfahren und -vorrichtungen häufig eine ungenügende Genauigkeit hinsichtlich einer gewünschten Temperatur der Brennstoffzelle aufweisen. Insbesondere ist beobachtet worden, dass bei starken Laständerungen der Brennstoffzelle, insbesondere bei starkem Lastzuwachs eine unerwünschte Temperaturerhöhung auftritt, welche zu Störungen des Betriebs der Brennstoffzelle führen kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels bereitzustellen, wobei die Eintrittstemperatur in verbesserter Weise bzw. mit höherer Genauigkeit einer gewünschten Eintrittstemperatur entspricht. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein derartiges Regelungsverfahren und eine Regelungsvorrichtung bereitzustellen, welche auch bei starken Laständerungen der Brennstoffzelle, insbesondere bei starken Lasterhöhungen, die Eintrittstemperatur mit größerer Genauigkeit zum Erreichen einer gewünschten Eintrittstemperatur zu regeln in der Lage sind.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren besondere Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels (insbesondere Temperierfluids) bereitgestellt, welches auch als Eintrittstemperaturregelungsverfahren bezeichnet wird. Das Eintrittstemperaturregelungsverfahren bestimmt eine erste Differenz aus einem ersten Signal und einem zweiten Signal, wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert der Eintrittstemperatur des Temperiermittels ist. Sämtliche in dem Verfahren auftretenden Signale, insbesondere das erste Signal, das zweite Signal und/oder das dritte Signal können elektrische Signale, optische Signale oder elektromagnetische Wellen bzw. eine Kombination davon umfassen. Das Temperaturregelungsverfahren bestimmt ferner eine Stellgröße basierend auf der ersten Differenz. Gemäß dem Eintrittstemperaturregelungsverfahren wird ferner eine zweite Differenz aus dem ersten Signal und einem dritten Signal bestimmt, welches indikativ für einen Istwert einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist. Ferner weist das Verfahren Modifizieren der Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz auf und Bereitstellen der modifizierten Stellgröße zum Temperieren des Temperiermittels, mittels eines Temperiersystems, basierend auf der modifizierten Stellgröße.
Das aus der DE 10 2008 032 156 bekannte Verfahren hat sich als relativ kompliziert und ungenau hinsichtlich einer korrekten Regelung einer Eintrittstemperatur erwiesen. Der Erfinder hat festgestellt, dass der in der obig zitierten Druckschrift verwendete elektrische Strom nur ungenügend und in ungenauer Weise erlaubt, eine Temperaturänderung bei Durchlaufen des Brennstoffzellenstapels vorherzusagen bzw. zu bestimmen. Eine derartige Temperaturänderung kann nämlich, wie der Erfinder gefunden hat, von vielen Parametern abhängen, wie Wärmekapazität des Stapels, Füllmenge des Kühlmediums, Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums und Absoluttemperatur des Kühlmediums. Ein Eintrittstemperaturregelungsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung können eine genauere Regelung der Eintrittstemperatur ermöglichen, wobei die Regelung durch einfache Verfahrensschritte erreicht werden kann.
Sämtliche in dem Eintrittstemperaturregelungsverfahren verwendeten Signale können in beliebiger Weise kodiert sein, etwa als Fließkommazahlen oder als ganze Zahlen und können in beliebigen Zahlensystemen dargestellt sein. Insbesondere können die Signale jeweils den Wert repräsentieren, für den sie indikativ sind. Somit kann zum Beispiel das erste Signal den Sollwert der Eintrittstemperatur repräsentieren, das zweite Signal kann den Istwert der Eintrittstemperatur repräsentieren und das dritte Signal kann den Istwert der Austrittstemperatur des Temperiermittels aus dem Brennstoffzellenstapel bzw. der Brennstoffzelle repräsentieren.
Das Temperiermittel kann fluide sein, insbesondere flüssig, und kann insbesondere wasserbasiert sein. Die Eintrittstemperatur kann die Temperatur des Temperiermittels unmittelbar vor Eintritt in die Brennstoffzelle repräsentieren. Insbesondere kann das erste Signal ein vorgegebenes Signal sein, wogegen das zweite Signal sowie auch das dritte Signal auf Messungen der Temperatur des Temperiermittels am Eintrittsort bzw. am Austrittsort der Brennstoffzelle basieren können. Das zweite Signal kann insbesondere repräsentativ für eine Temperatur an einem Austrittspunkt des Temperiersystems sein. Der Austrittspunkt aus dem Temperiersystem kann entfernt (z. B. zwischen 0,1 m und 3 m) von einem Eintrittsort in den Brennstoffzellenstapel bzw. die Brennstoffzelle angeordnet sein. Aus einer Temperatur bei einem Austrittsort aus dem Temperiersystem kann die Temperatur an dem Eintrittsort der Brennstoffzelle abgeleitet, insbesondere berechnet werden, insbesondere unter Berücksichtigung eines Volumenstroms, einer Leitungslänge und/oder eines Leitungsquerschnitts einer Leitung zwischen dem Austritt des Temperiersystems und dem Eintritt in die Brennstoffzelle.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Stellgröße aus der ersten Differenz mittels eines PID-Reglers berechnet. Ein PID-Regler kann ein Proportionalglied, ein Integrationsglied und ein Differenzierglied umfassen, welche parallel mit der ersten Differenz als Eingabe versorgt werden. Die Stellgröße kann insbesondere als eine Summe einer Ausgabe des Proportionalglieds, des Integrationsglieds und des Differenzierglieds von dem PID-Regler ausgegeben werden. Der PID-Regler kann durch mehrere Regelparameter charakterisiert sein, welche das Proportionalglied, das Integrationsglied und/oder das Differenzierglied konfigurieren. Der PID-Regler kann derart konfiguriert sein, insbesondere durch Einstellen der jeweiligen Reglerparameter, dass im optimalen Fall die erste Differenz auf null geregelt wird. Insbesondere kann ein konventioneller PID-Regler Verwendung finden, wodurch das Verfahren vereinfacht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Signal indikativ für einen Istwert der Temperatur des zur Ausgabe aus dem Temperiersystem vorgesehenen Temperiermittels. Insbesondere kann der Istwert des Temperiermittels, welches aus dem Temperiersystem ausgegeben wird, gemessen werden. Verwendung der Austrittstemperatur des Temperiermittels aus dem Temperiersystem kann vorteilhaft sein, da eine Änderung der Temperatur des aus dem Temperiersystem austretenden Temperiermittels relativ schnell bemerkt werden kann, um somit die Regelung der Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle verbessern zu können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Modifizieren der Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz ein Addieren einer Modifikationsgröße zu der Stellgröße auf, wobei die Modifikationsgröße auf der zweiten Differenz basiert und um ein Zeitintervall zwischen einem Austritt einer Kühlmittelportion aus dem Temperiersystem und einem Eintritt derselben Kühlmittelportion in die Brennstoffzelle verzögert wird. Das Addieren der Modifikationsgröße zu der Stellgröße kann auch als eine Störgrößenaufschaltung bezeichnet werden. Insbesondere kann die Temperaturerhöhung aufgrund des Durchströmens durch die Brennstoffzelle als eine Störgröße identifiziert werden und auch als solche bezeichnet werden. Allerdings kann eine Strömungszeit einer Temperiermittelportion, welche benötigt wird, um von dem Austritt aus dem Temperiersystem zu dem Eintritt in die Brennstoffzelle zu gelangen, berücksichtigt werden, um die Stellgröße geeignet zu modifizieren. Das Zeitintervall kann auch als eine (variable) Totzeit bezeichnet werden. Die Totzeit kann deswegen variabel sein, da eine Strömungsgeschwindigkeit des Temperiermittels von einer Pumpenleistung abhängig sein kann. Durch Addieren der Modifikationsgröße zu der Stellgröße kann die Regelung der Eintrittstemperatur des Temperiermittels in die Brennstoffzelle verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zeitintervall basierend auf einem eine Pumpe zum Fördern des Temperiermittels steuernden Pumpensteuersignal bestimmt. Das Pumpensteuersignal kann insbesondere eine Pumpleistung und damit eine (bei bekanntem Leitungsquerschnitt) Strömungsgeschwindigkeit des Temperiermittels definieren. Zum Bestimmen des Zeitintervalls aus dem Pumpensteuersignal kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kennlinie einer Abhängigkeit einer durch die Pumpe bewirkten Flussrate des Temperiermittels berücksichtigt werden. Weiter kann eine Leitungslänge zwischen dem Austritt aus der Brennstoffzelle und dem Eintritt in die Brennstoffzelle berücksichtigt werden, sowie eine (dem Temperiermittel freigegebene) Querschnittsfläche der Leitung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Eintrittstemperaturregelungsverfahren ferner auf: Führen des Tempermittels in einem Temperiermittelkreislauf, was Eintreten in die Brennstoffzelle, Durchlaufen der Brennstoffzelle, Austreten aus der Brennstoffzelle, Durchlaufen des Temperiersystems und wiederum Eintreten in die Brennstoffzelle umfasst. Das Temperiermittel kann somit in einem Kreis, insbesondere geschlossenen Kreislauf geführt werden, wobei es insbesondere innerhalb der sich im Betrieb befindlichen Brennstoffzelle Wärme aufnimmt und diese zum Temperiersystem führt, in welchem eine Abkühlung des Temperiermittels erfolgen kann. Damit kann auf einfache und effektive Weise eine Temperierung, insbesondere Kühlung, der Brennstoffzelle erreicht werden. D. h., das Temperiermittel kann auch als Kühlmittel bezeichnet werden. Entsprechend kann auch das Temperiersystem als Kühlsystem verstanden werden. Allgemein ist im Rahmen dieser Beschreibung mit „Temperieren” eine Temperaturbeeinflussung oder -regelung in Form von Kühlen oder Erwärmen gemeint.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ferner das Temperiermittel (insbesondere innerhalb des Temperiersystems) temperiert, insbesondere gekühlt. Das Temperieren weist dabei gemäß einer Ausführungsform ein Zuführen der modifizierten Stellgröße an das in dem Temperiermittelkreislauf zwischen einem Brennstoffzellenaustritt und einem Brennstoffzelleneintritt angeordnete Temperiersystem auf, dem das aus der Brennstoffzelle ausgetretene Temperiermittel zugeführt wird. Ferner wird eine Temperatur des dem Temperiersystem zugeführten Temperiermittels basierend auf der modifizierten Stellgröße beeinflusst (insbesondere indem die Stellgröße einen oder mehrere Aktuatoren steuert). Ferner wird das aus dem Temperiersystem ausgegebene Temperiermittel an den Brennstoffzelleneintritt zugeführt. Damit kann eine effektive Temperierung, insbesondere Kühlung der Brennstoffzelle erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Temperiersystem (insbesondere an seinem Eingang) ein Mischventil mit einem ersten Ausgang, der stromabwärts zu einem Wärmetauscher führt, und mit einem zweiten Ausgang, der stromabwärts zu einer Umgehungsleitung führt, auf, wobei das Temperiermittel stromabwärts des Wärmetauschers und der Umgehungsleitung (wieder) zusammengeführt wird, insbesondere an einem Ausgang des Temperiersystems. Ferner steuert (bzw. definiert) gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die modifizierte Stellgröße eine Stellung des Mischventils, welches eine relative Menge des durch den Wärmetauscher und durch die Umgehungsleitung fließenden Temperiermittels bestimmt.
Durch eine Steuerung der Stellung des Mischventils kann eine einfache Temperierprozedur realisiert werden, was das Verfahren vereinfachen kann. Insbesondere kann der Wärmetauscher eine genügend hohe Kapazität haben, um bei einer maximal erwarteten Austrittstemperatur aus dem Brennstoffzellenstapel eine Kühlung auf eine gewünschte Eintrittstemperatur am Brennstoffzellenstapel zu erreichen.
Entlang der Umgehungsleitung innerhalb des Temperiersystems kann eine Temperaturänderung des Temperiermittels unterhalb einer Temperaturdifferenz liegen, welche z. B. zwischen 0°C und 10°C, insbesondere zwischen 0°C und 3°C liegen kann. Insbesondere kann eine Temperaturänderung bei Durchströmen der Umgehungsleitung vernachlässigbar sein, insbesondere verglichen mit einer Temperaturänderung, welche bei Durchströmen durch den Wärmetauscher erreicht wird. Insbesondere kann eine erreichbare Temperaturänderung bei Durchströmen des Wärmetauschers um zwischen 5 Mal und 100 Mal so hoch sein wie eine erreichbare Temperaturänderung bei Durchströmen der Umgehungsleitung. Damit kann eine effektive Temperierung der Brennstoffzelle erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Pumpensteuersignal derart gewählt, um eine durch die Pumpe bewirkte Flussrate des Temperiermittels konstant zu halten. Bei konstanter Flussrate kann die Totzeit einmalig bestimmt werden, jedoch dann konstant gehalten werden, was das Verfahren vereinfachen kann. Ferner können Wärmeübertragungsprozesse bei konstant gehaltener Flussrate geringen Änderungen unterliegen, was ebenfalls das Verfahren vereinfachen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Eintrittstemperaturregelungsverfahren ferner auf Einstellen des Pumpensteuersignals derart, dass eine vorbestimmte dritte Differenz erreicht wird, welche aus dem zweiten Signal, welches indikativ für einen Istwert der Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle ist, und dem dritten Signal, welches indikativ für einen Istwert der Austrittstemperatur aus der Brennstoffzelle ist, berechnet ist. Damit kann somit eine feste Temperaturänderung (insbesondere Temperaturerhöhung) des Temperiermittels aufgrund des Durchströmens der Brennstoffzelle erreicht werden. Damit kann insbesondere eine durch die Temperierung mittels des Temperiermittels erreichte (gewünschte) Temperatur der Brennstoffzelle erreicht bzw. ermittelt werden. Insbesondere kann aus dem Istwert der Austrittstemperatur aus der Brennstoffzelle eine (insbesondere mittlere) Temperatur der Brennstoffzelle selbst abgeleitet werden, insbesondere unter Berücksichtigung von Wärmeströmen von Komponenten der Brennstoffzelle in das Temperiermittel. Damit kann ein Betrieb der Brennstoffzelle verbessert werden, insbesondere optimiert werden, um die Brennstoffzelle insbesondere bei einer gewünschten optimalen Temperatur betreiben zu können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Software-Programm-Produkt bereitgestellt, welches insbesondere auf einem Datenträger gespeichert sein kann, wie etwa eine CD, eine DVD, ein Magnetband, wobei das Softwareprogrammprodukt ausgebildet ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, insbesondere einem Computer, ein Eintrittstemperaturregelungsverfahren wie oben beschrieben auszuführen oder zu steuern. Insbesondere kann der Prozessor, auf dem Anweisungen des Software-Programm-Produkts ablaufen, das erste Signal, das zweite Signal und das dritte Signal über eine geeignete Schnittstelle oder geeignete Schnittstellen als digitale Signale empfangen. Aufgrund von arithmetischen/logischen Operationen kann dann die Stellgröße basierend auf der ersten Differenz bestimmt, insbesondere berechnet werden. Ferner kann auch die zweite Differenz bestimmt, insbesondere berechnet werden und die Stellgröße kann, insbesondere mittels arithmetischer/logischer Operationen, basierend auf der zweiten Differenz modifiziert werden. Die modifizierte Stellgröße kann dann an einem Ausgangsport, insbesondere über eine geeignete Schnittstelle, bereitgestellt werden, insbesondere ausgegeben werden, etwa als elektrisches und/oder optisches oder drahtloses elektromagnetisches Signal. Damit kann der mit dem Software-Programm-Produkt geladene und die Anweisungen des Software-Programm-Produkts ausführende Prozessor das Verfahren ausführen.
Falls technische Komponenten gesteuert werden, wie etwa das Mischventil des Temperiersystems, kann der Prozessor zumindest ausgebildet sein, das Eintrittstemperaturregelungsverfahren zu steuern.
Es sollte bemerkt werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Eintrittstemperaturregelungsverfahren beschrieben, erwähnt, angewendet oder bereitgestellt worden sind, ebenso individuell oder in irgendeiner Kombination auf eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels verwendet oder angewendet oder bereitgestellt werden können und umgekehrt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Austritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels bereitgestellt. Dabei weist die Vorrichtung zumindest einen Signaleingang auf sowie einen Prozessor. Dabei ist der Signaleingang zum Empfangen eines ersten Signals und eines zweiten Signals ausgebildet, wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert der Eintrittstemperatur des Temperiermittels ist. Ferner ist der Signaleingang zum Empfangen eines dritten Signals ausgebildet, welches indikativ für einen Istwert einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist. Der Prozessor ist dabei ausgebildet, um eine erste Differenz aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu bestimmen, eine Stellgröße basierend auf der ersten Differenz zu bestimmen, eine zweite Differenz aus dem ersten Signal und dem dritten Signal zu bestimmen und die Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz zu modifizieren. Die Vorrichtung weist ferner einen Signalausgang zum Bereitstellen der modifizierten Stellgröße zum Temperieren des Temperiermittels basierend auf der modifizierten Stellgröße auf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellentemperaturregelungssystem bereitgestellt, welches eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels aufweist sowie ein Temperiersystem, welches mit der Vorrichtung gekoppelt ist, um die modifizierte Stellgröße zu empfangen und das Temperiermittel basierend auf der modifizierten Stellgröße zu temperieren, insbesondere zu kühlen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen begrenzt.
1 illustriert schematisch ein Brennstoffzellentemperaturregelungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches eine Vorrichtung zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 illustriert ein Verfahren zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 illustriert schematisch eine Architektur eines Regelungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 illustriert schematisch ein Blockschaltbild einer Regelung eines Temperiersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 illustriert Graphen zum Vergleich eines konventionellen Regelungsverfahrens und eines Regelungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 illustriert Messungen der Brennstoffzellenleistung und der Regelgröße während eines Fahrtzyklus eines Fahrzeuges mit Brennstoffzelle; und
7 illustriert Graphen zur Bestimmung von Totzeiten, welche gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsformen in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
Man beachte, dass ein Element, das als mit einem anderen Element „verbunden” oder „verkoppelt” bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden” oder „direkt verkoppelt” mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z. B., „zwischen” gegenüber „direkt dazwischen”, „angrenzend” gegenüber „direkt angrenzend” usw.).
Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ einer”, „ eine”, „eines” und „der, die, das” auch die Pluralformen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke „beinhaltet”, „beinhaltend”, aufweist” und/oder „aufweisend”, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z. B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
Das in 1 illustrierte Brennstoffzellenregelungssystem 100 ist zur Temperaturregelung der Brennstoffzelle 103 vorgesehen, welche zur Temperierung, insbesondere Kühlung der Brennstoffzelle 103 in einem Temperiermittelkreislauf bestehend aus einer Mehrzahl von Leitungssträngen 105 eingesetzt ist, so dass Temperiermittel, welches in einer durch den Pfeil 107 gekennzeichneten Richtung in dem Temperiermittelkreislauf geführt wird, die Brennstoffzelle 103 auf eine gewünschte Temperatur bringt. In dem Temperiermittelkreislauf 105 ist das Brennstoffzellentemperaturregelungssystem 100 eingefügt, welches das bei einem Ausgang 109 der Brennstoffzelle 103 austretende Temperiermittel bei einem Eingang 111 des Brennstoffzellentemperaturregelungssystems 100 empfängt, dessen Temperatur verändert, um es bei einem Ausgang 113 des Brennstoffzellentemperaturregelungssystems 100 auszugeben, wonach das temperierte Temperiermittel über eine Pumpe 115 beim Durchlaufen angetrieben wird, um mit einer von der Pumpe definierten (bei gegebenem Querschnitt der Leitung 105) Flussrate bei einem Eintritt 117 der Brennstoffzelle 103 in die Brennstoffzelle 103 einzutreten, um nach Durchlauf durch die Brennstoffzelle 103 diese zu kühlen und diese bei dem Ausgang 109 der Brennstoffzelle 103 wieder zu verlassen.
Das Brennstoffzellentemperaturregelungssystem 100 weist eine Vorrichtung 119 zur Regelung einer Eintrittstemperatur T1 (bei dem Eingang 117 der Brennstoffzelle 103) des für den Eintritt in die Brennstoffzelle 103 vorgesehenen Temperiermittels auf, sowie ein Temperiersystem 121, welches einen Wärmetauscher 123 und einen Ventilator 125 aufweist, welcher Umgebungsluft (z. B. einer Temperatur von zwischen –10°C und 35°C) durch den Wärmetauscher 123 zur Kühlung des durch den Wärmetauscher 123 fließenden Temperiermittels führen kann. Das Temperiersystem 121 weist ferner ein Wischventil 127 auf mit einem ersten Ausgang 129, welcher zu dem Wärmetauscher 123 führt, und einem zweiten Ausgang 131, welcher in eine Umgehungsleitung 133 führt. Dabei wird das Temperiermittel stromabwärts des Wärmetauschers 123 und stromabwärts der Umgehungsleitung 133 vor (oder bei) dem Ausgang 113 des Temperiersystems 121 wieder zusammengeführt.
Die Vorrichtung 119 weist Signaleingänge 135, 137, 139 auf, um Temperaturmesswerte von Messfühlern 141, 143, 145 zu empfangen, welche die Eintrittstemperatur T1 in die Brennstoffzelle 103, die Austrittstemperatur T2 aus der Brennstoffzelle 103 bzw. die Austrittstemperatur T3 aus dem Temperiersystem 121 messen. Ferner weist die Vorrichtung 119 einen Signaleingang 147 auf zum Empfangen eines ersten Signals 102, welches indikativ für einen Sollwert T_Clnt,BZ,in_Sollwert der Eintrittstemperatur der Brennstoffzelle 103 ist. Die Vorrichtung 119 weist ferner einen Prozessor 149 auf, welche ausgebildet ist, um eine erste Differenz aus dem ersten Signal und einem zweiten Signal zu bestimmen, wobei das zweite Signal z. B. das von dem Temperaturfühler 145 ausgegebene Signal ist oder das von dem Temperatursensor 141 ausgegebene Signal ist. Ferner ist der Prozessor 149 ausgebildet, eine Stellgröße basierend auf der ersten Differenz zu bestimmen, eine zweite Differenz aus dem ersten Signal und einem dritten Signal zu bestimmen, wobei das dritte Signal z. B. das durch den Temperaturfühler 143 gemessene Temperatursignal T2 sein kann. Der Prozessor 149 ist ferner ausgebildet, die Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz zu modifizieren, welche modifizierte Stellgröße 153 an einem Signalausgang 151 dem Mischventil 127 zugeführt wird.
Die Vorrichtung 119 umfasst ferner einen elektronischen Speicher 155, welcher ein Software-Programm-Produkt speichert, welches Anweisungen umfasst, um ein Eintrittstemperaturregelungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen oder zu steuern.
Der Wärmeübertrager-Luft 157 entzieht komprimierter Luft Wärme bzw. führt der Luft Wärme zu abhängig von bestimmten Betriebszuständen. Der Wärmeübertrager-Wasserstoff 159 heizt den zugeführten Wasserstoff vor. Ferner dient das Temperiermittel (auch Kühlmittel genannt) dem elektrischen Antrieb eines Turboverdichters 161 als Kühlung und führt Wärme ab. Weiterhin ist eine Entlüftungsleitung an der Brennstoffzelle 103 angebracht und führt zum Ausgleichsbehälter 163.
Das Kühlsystem dient der Abführung der innerhalb der Brennstoffzelle 103 entstehenden Reaktionswärme. Die Wärme wird über das Kühlmedium innerhalb des Kühlers 123, 125 an die Umgebungsluft abgegeben. Es besteht die Notwendigkeit einer konstanten Kühlmitteleintrittstemperatur für das Einstellen der relativen Feuchte der Kathode und Anode der Brennstoffzelle 103, die optimale Leistungsfähigkeit und der Gewährleistung einer langen Lebensdauer. Des Weiteren ist die Variation der Kühlmitteltemperaturdifferenz über die Brennstoffzelle 103 entscheidend für den Abtransport des Produktwassers aus der Kathode. Die Eintrittstemperatur T1 des Kühlmittels soll auf einen konstanten Wert eingestellt werden, somit steht zur Beeinflussung der Temperaturdifferenz bei einer konstanten abzuführenden Wärmemenge nur die Stellgröße des Kühlmittelvolumenstroms bzw. die Drehzahl der Kühlmittelpumpe zur Verfügung.
Aufgrund der erwähnten Anforderung an die Ein- und Austrittstemperaturen des Kühlmittels ist die Verwendung eines passiven Stellgliedes, wie des Dehnstoffthermostats einer VKM, aufgrund seines P-Regler Verhaltens nicht zielführend. Der Einsatz eines Dehnstoffthermostaten würde immer zu einer bleibenden Regelabweichung und zu großen Überschwingungen bei Lastsprüngen führen. Diese starken Schwankungen der Kühlmitteleintrittstemperatur würde das Einstellen der relativen Feuchte der Reaktionsgase stark erschweren oder sogar verhindern. Des Weiteren kann die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle nicht variiert werden, um dem Austrocknen der Membran oder dem Auskondensieren von Wasser in dem Flussfeld der Bipolarplatten aktiv entgegen zu wirken. Daher wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kühlmitteleintrittstemperatur aktiv mit einem elektrisch angesteuerten Thermostatventil 127 geregelt und/oder die Kühlmitteltemperaturdifferenz wird über die Drehzahl einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe 115 eingestellt.
Die Vorrichtung 119 ist ausgebildet, das in 2 illustrierte Verfahren 200 zur Regelung der Eintrittstemperatur des für einen Eintritt in die Brennstoffzelle 103 vorgesehenen Temperiermittels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen. In einem Verfahrensschritt 201 wird eine erste Differenz aus einem ersten Signal und einem zweiten Signal bestimmt, wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert der Eintrittstemperatur des Temperiermittels in die Brennstoffzelle ist. In einem Verfahrensschritt 203 wird eine Stellgröße basierend auf der ersten Differenz bestimmt. In einem Verfahrensschritt 205 wird eine zweite Differenz aus dem ersten Signal und einem dritten Signal bestimmt, welches indikativ für einen Istwert einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist. In einem Verfahrensschritt 207 wird die Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz modifiziert. Schließlich wird in einem Verfahrensschritt 209 die modifizierte Stellgröße zum Temperieren des Temperiermittels basierend auf der modifizierten Stellgröße bereitgestellt.
3 illustriert ein Blockschaltbild einer Störgrößenaufschaltung gemäß einem Eintrittstemperaturregelungsverfahrens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Eintrittsgröße W kann z. B. ein erstes Signal 302 repräsentieren, welches indikativ für einen Sollwert der Eintrittstemperatur des Temperiermittels in die Brennstoffzelle ist. Mittels eines Additionsgliedes 301 wird ein Ausgangssignal 303 einer Regelstrecke 305, welches Ausgangssignal 303 indikativ für einen Istwert der Eintrittstemperatur sein kann, von dem Sollwert W abgezogen und eine Differenz 307 wird einem Regler 309 zugeführt, welcher daraufhin eine Stellgröße 311 berechnet. Eine Störgröße D (325) wird über ein Kompensationsglied 312 angepasst und mittels eines Additionsgliedes 313 auf die Stellgröße 311 aufgeschaltet, um eine modifizierte Stellgröße 315 zu erhalten, welche dem zu regelnden System (repräsentiert durch Systemtransferfunktion 317, welche das Verhalten des zu regelnden Systems beschreibt) zugeführt wird. Über ein weiteres Kompensationsglied 319 wird die Störgröße D (325) adaptiert und der Ausgangsgröße des Systems 319 aufgeschaltet, um die Ausgangsgröße 303 zu erhalten. Die Prinzipien der in 3 illustrierten Störgrößenaufschaltung werden gemäß Ausführungsform zum Regeln einer Eintrittstemperatur einer Brennstoffzelle verwendet.
4 illustriert ein Blockschaltbild einer Regelung der Eintrittstemperatur einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Regelung beispielsweise von der Vorrichtung 119, welche in 1 illustriert ist, durchgeführt werden kann.
Ein erstes Signal 402 ist indikativ für einen Sollwert der Eintrittstemperatur (T_Clnt,BZ,in_Sollwert) und wird einem Additionsglied 401 zugeführt, welches von dem Sollwert 402 ein zweites Signal 403 abzieht, wobei das zweite Signal indikativ für einen Istwert (T_Clnt,Bypass) des Temperiermittels ist, wobei zur Bestimmung des zweiten Signals insbesondere der Temperaturfühler 145 (siehe 1) verwendet werden kann, welcher die Temperatur T3 misst.
Eine erste Differenz 407 wird dem Regler 409 zugeführt, welcher daraus eine Stellgröße 411 berechnet. Die Stellgröße 411 wird durch Addition einer Modifikationsgröße 412 modifiziert, um eine modifizierte Stellgröße 415 zu erhalten. Das Systemelement 417 repräsentiert die Wirkung des Kühlsystems bzw. Temperiersystems 100 (siehe 1) und erzeugt aufgrund der modifizierten Stellgröße 415 eine bestimmte Austrittstemperatur T_Clnt,Bypass, welche als zweites Signal 403 zurückgeführt wird. Ein Verzögerungsglied 419 verzögert die Temperatur T3 am Ausgang des Temperiersystems 100, um die Eintrittstemperatur T_Clnt,BZ,in am Angang 117 der Brennstoffzelle 103 zu erhalten. Mittels eines Subtraktionselements 421 wird daraus und aus einer Temperaturdifferenz (T2 – T1) ΔT_Clnt,BZ,ist die Austrittstemperatur T2 oder T_Clnt,BZ,out am Austritt 109 der Brennstoffzelle bestimmt. Von dieser Ist-Ausgangstemperatur (T2) am Ausgang 109 der Brennstoffzelle 103 wird die Soll-Eintrittstemperatur (Signal 402) mittels des Subtraktionselements 423 abgezogen, um eine zweite Differenz 425 zu erhalten. Die Ist-Austrittstemperatur aus der Brennstoffzelle 103 kann dabei das dritte Signal 404 repräsentieren. Die zweite Differenz 425 wird mittels des Proportionalgliedes bzw. Verstärkungsgliedes 411 in seiner Größe angepasst und nachfolgend mittels eines Verzögerungsgliedes 413 mit einer variablen Verzögerungszeit oder Totzeit T_t,var, verzögert, um dann die Modifikationsgröße 412 zu ergeben. Die variable Totzeit wird dabei über Kennfelder 416, 418 ermittelt, welche ein Pumpensteuersignal u_Pumpe mit einer Flussrate in Beziehung setzen bzw. mit einer Verzögerungszeit.
Die Brennstoffzelle wird durch die Systemfunktion 420 repräsentiert, welche die Differenz zwischen Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur (ΔT_Clnt,BZ,ist) ausgibt.
Der Vergleich der Regelungskonzepte PID-Regler mit und ohne Störgrößenaufschaltung wird anhand eines maximalen Lastsprunges untersucht. Die HiL-Simulationen haben gezeigt, dass wiederkehrende Lastsprünge ein Über- bzw. Unterschwingen der Regelgröße im Bezug zum Sollwert hervorrufen. Somit ist die Untersuchung anhand eines Lastsprunges für die Gegenüberstellung der Regelungskonzepte aussagekräftig.
5 illustriert dazu Kurven zum Vergleich eines Regelungsverhaltens eines konventionellen Reglers und eines Reglers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einer Abszisse 501 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf einer Ordinate 503 ist auf der linken Seite eine normierte Temperatur und auf der rechten Seite eine normierte Leistung aufgetragen. Die Kurve 505 illustriert die Leistung der Brennstoffzelle, wobei etwa nach 5,5 Sekunden eine Leistungssteigerung von 0% auf 100% der Leistung erfolgt. Die Kurve 507 illustriert den Temperaturverlauf beim Ausgang 113 des Temperiersystems 100 (insbesondere den Temperaturwert T3) gemäß einer konventionellen Regelung und Kurve 509 illustriert den entsprechenden Temperaturverlauf unter Verwendung eines Temperaturregelungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie aus Kurve 507 ersichtlich ist, steigt die Temperatur nach einer gewissen Totzeit von etwa 6 Sekunden auf einen Wert an, der etwa 4% oberhalb der nominalen Temperatur liegt, wogegen die Kurve 509 einen Temperaturanstieg von weniger als 1% relativ zu der nominalen Temperatur zeigt. Damit ist ersichtlich, dass das Temperaturregelungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine wesentlich zuverlässigere Temperaturregelung als ein konventionelles Verfahren ermöglicht.
Die Regelgröße gemäß dem konventionellen Verfahren (Kurve 507) weist nach einer zeitlichen Verzögerung von ca. 5 Sekunden ein Überschwingen des Sollwertes um 4% bzw. ca. 3 Kelvin auf. Die Änderung der Kühlmitteleintrittstemperatur bewirkt ebenfalls eine Erhöhung der Kathodeneintrittstemperatur, weiterhin wird mittels der Dampfdruckkurve die relative Feuchte um ca. 10% reduziert. Der eigenentwickelte Brennstoffzellenstapel wird in seiner Leistungsfähigkeit durch eine Feuchteänderung stark beeinflusst. Die Feuchteänderung aufgrund von Kühlmitteltemperaturschwankungen soll auf unter 3% minimiert werden. Daraus ergibt sich eine maximale Regelabweichung von 1,5% für die Regelung der Kühlmitteleintrittstemperatur. Diese Anforderung kann die Regelung mit einem konventionellen PID-Regler nicht erfüllen.
5 zeigt somit den Verlauf der Ersatzregelgröße T_Clnt,Bypass für die Regelung mit und ohne Störgrößenaufschaltung und die tatsächliche elektrische Leistung der Brennstoffzelle auf eine sprunghafte Leistungsanforderung aus dem Leerlauf auf ca. 95% der maximal zulässigen Leistung. Der Leistungssprung wird leicht verzögert und der stationäre Endwert wird nach ca. 1,2 s erreicht. Der Sollwert und die Ersatzregelgröße T_Clnt,Bypass sind auf den Sollwert normiert (linke y-Achse) und die Brennstoffzellenleistung ist auf seine maximale BZ-Leitung P_BZ,max (linke y-Achse) normiert.
Der Leistungssprung bewirkt einen Anstieg der abzuführenden Wärme um den Faktor 100. Die Regelgröße T_Clnt,Bypass des einfachen Regelkreises mit konventionellem PID-Regler (Kurve 507) steigt nach einer Verzögerung von ca. 5 Sekunden an und schwingt bis zu 4% über den einzustellenden Sollwert. Eine Regelabweichung von < 1% wird nach weiteren 5 Sekunden erreicht. Die Regelgröße schwingt mit einer Periodendauer von weiteren 5 Sekunden. Die ist ein Merkmal für die Existenz einer nicht berücksichtigten Totzeit von ca. 5 Sekunden.
Der PID-Regler mit Störgrößenaufschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Kurve 509) lässt die Regelgröße zunächst leicht mit 0,075% überschwingen und regelt anschließend die Regelgröße ein. Dies zeigt den Vorteil der Störgrößenaufschaltung, nämlich dass die Störung anhand der messbaren Wärmemenge prädiktiv kompensiert werden kann und dadurch die Kühlmitteleintrittstemperatur konstant eingestellt bleibt.
Das Ergebnis verdeutlicht sehr gut die Verbesserung der Regelgüte der Regelung der Kühlmitteleintrittstemperatur. Große Lastsprünge führen nicht mehr zu einem Überschwingen der Regelgröße. Das Schwingen um ±/–4% der Betriebstemperatur in einem konventionellen System würde eine Änderung der relative Feuchte um ±/–10% bewirken. Dies wiederum beeinflusst die Leistungsfähigkeit im ungünstigsten Falle soweit, dass einzelne Zellen mit flüssigem Wasser geflutet werden und somit die Spannung dieser Zellen einbricht.
6 illustriert Messungen der Brennstoffzellenleistung und der Regelgröße während eines Teilabschnittes eines realitätsnahen Fahrzyklus am Laborsystem. Eine Abszisse 601 zeigt die Zeit in Sekunden an und eine Ordinate 603 bzw. 604 zeigt die normierte Temperatur bzw. die normierte Leistung an. Die Kurve 605 zeigt dabei den Verlauf der Brennstoffzellenleistung an und die Kurve 607 zeigt den Verlauf der Eintrittstemperatur T1 am Eintritt 117 des Brennstoffzellenstapels 103 an, d. h. die Temperatur T_Clnt,BZ,in. Wie ersichtlich ist, liegt die Abweichung der Eintrittstemperatur T1 unterhalb von 1% Abweichung von der Nominaltemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Störgrößenaufschaltung auf einen konventionellen PID-Regler zur Kompensierung einer noch zu identifizierenden Störgröße mit einer großen zeitlichen Verzögerung durchgeführt.
Grundlage der Untersuchungen in dieser Arbeit ist ein Laboraufbau eines Brennstoffzellen-Fahrzeugsystems. Zur Wärmeabfuhr ist das System im Gegensatz zu einem Gas-Flüssig Fahrzeugkühlers an einen Flüssig-Flüssig Wärmeübertrager des Prüfstandes angeschlossen. Das grundlegend unterschiedliche Wärmeübertragungsverhalten dieser beiden Kühlervariationen beeinflusst stark das Systemverhalten des Kühlsystems und somit auch den Reglerentwurf. Daher ist das Simulationsmodell des Kühlsystems im HiL-Simulationsmodell für das Laborsystem für einen Flüssig-Flüssig Wärmeübertrager angepasst worden.
Das angepasste Simulationsmodell des Kühlsystems ist zur Optimierung der Regelung erforderlich.
Zunächst müssen die relevanten Störgrößen für eine Störgrößenaufschaltung identifiziert werden. Aus den Erfahrungen des Betriebes der HyMotion3-Fahrzeuge haben sich vier Störgrößen heraus kristallisiert.

• Wärmeeintrag des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der abgegebenen elektrischen Leistung
• Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges
• Steigerung der Kühlleistung durch die Kühlerlüfter
• Volumenstromänderung durch Drehzahländerung der Kühlmittelpumpe

Am untersuchten Laborsystem wird ein feststehender Flüssig-Flüssig Wärmeübertrager eingesetzt, somit kann der Einfluss eines Kühlerlüfters oder die Variation der Kühlleistung in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit nicht untersucht werden. Daher werden nur die Einflüsse des Wärmeeintrages des Brennstoffzellensystems und die Veränderung des Volumenstroms durch die Kühlmittelpumpe auf die Regelstrecke bewertet.
Bevor mit der Optimierung der Regelung begonnen werden kann, muss das auf Flüssig-Flüssig Wärmeübertrager angepasste Simulationsmodell des Kühlsystems anhand von Messungen am Laborsystem validiert werden. Anschließend kann mittels des Simulationsmodells der Einfluss der Störgrößen auf das Kühlsystem untersucht werden. Daraufhin erfolgt die Erarbeitung einer Störgrößenaufschaltung und gegebenenfalls müssen weitere Erweiterungen der Reglerstruktur vorgenommen werden.
Wieder mit Bezug auf 1 ist der prinzipiellen Aufbau des Kühlsystems als ein Teilmodul des Laborsystems gezeigt. Der Hauptvolumenstrom wird durch die Kühlmittelpumpe 115 erzeugt und strömt anschließend durch die Brennstoffzelle 103. Dann teilt das Thermostatventil 127 den Hauptvolumenstrom in zwei Strömungszweige auf. Der eine führt über den Kühler 123 und der andere wird im Bypass 133 um den Kühler herum geführt. Nach der Zusammenführung beider Zweige wird das Kühlmittel der Kühlmittelpumpe 115 wieder zugeführt.
An drei Stellen im Kühlsystem wird ein kleiner Volumenstrom abgezweigt, um entweder Wärme abzuführen oder aufzunehmen. Der Wärmeübertrager 159 heizt den zugeführten Wasserstoff für die Wasserstoffversorgung vor, der Wärmeübertrager Luft 157 entzieht der komprimierten Luft bei TTurbo,out > TClnt,BZ,in Wärme oder führt der Luft bei TTurbo,out, < TClnt,BZ,in Wärme zu. Des Weiteren dient das Kühlmittel dem elektrischen Antrieb des Turboverdichters 161 als Kühlung und führt Wärme ab. Weiterhin ist eine Entlüftungsleitung am Brennstoffzellenstapel angebracht und führt zum Ausgleichsbehälter 163 des Kühlsystems.
Zusätzlich zu den Komponenten des Kühlsystems sind die drei Messstellen T1 bis T3 der Temperatursensoren in 1 eingezeichnet. Die Ein- und Austrittstemperatur des Kühlmittels am Brennstoffzellenstapel T1 = TClnt,BZ,in und T2 = TClnt,BZ,out werden am Stapel 103 gemessen. Als dritte Temperatur wird die Mischtemperatur T3 = TClnt,Bypass nach der Zusammenführung der Teilvolumenströme durch den Kühler 123 und im Bypass 133 zum Kühler gemessen.
Eine weitere wichtige Größe zur Charakterisierung des Übertragungsverhaltens des Kühlsystems sind die auftretenden Verzögerungen, um die eine Ausgangsgröße x_a(t) einer Eingangsgröße x_e(t) nacheilt. Die zeitliche Verzögerung wird als Totzeit Tt beschrieben, gemäß x_a(t) = x_e(t – Tt).
Im Kühlsystem treten Totzeiten bei der Ausbreitung einer Temperaturveränderung aufgrund einer Wärmequelle oder -senke innerhalb des Systems auf. Wird zum Beispiel der Öffnungswinkel des Thermostatventil u_Thermo verringert und somit der Volumenstrom über den Kühler erhöht, können anhand der 7 die Totzeiten zwischen den einzelnen Messstellen T1 bis T3 des Kühlsystems abgelesen werden. Dabei zeigt die Abszisse 701 die Zeit an, die Ordinate 703 die normierte Temperatur.
Der Graph 705 zeigt die sprunghafte Änderung des Stellsignals des Thermostatventils bei t = 142 s, die Linie 707 der Messstelle T3 der Mischtemperatur T_Clnt,Bypass zeigt nach 0,8 Sekunde die erste negative Temperaturänderung. Als zweite Messstelle verringert T_Clnt,BZ,in (Kurve 709) bzw. T1 nach 1,5 Sekunden ihren Temperaturmesswert. 4,4 Sekunden nach den Stellsignaländerungen des Thermostatventils sinkt der Messwert der T_Clnt,BZ,out bei T2 (Kurve 711). Diese Totzeiten werden nicht durch konstante Werte beschrieben, sondern variieren mit der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels bzw. sind direkt proportional zur Drehzahl der Kühlmittelpumpe.
Als Störgröße eines Kühlsystems können alle Wärmequellen und -senken bezeichnet werden. Um abschätzen zu können, welche Wärmequellen oder -senken als Störgrößen in Betracht kommen, wird eine Sensitivitätsanalyse der vier in Frage kommenden Komponenten Brennstoffzelle, Wärmeübertrager-Wasserstoff, Wärmeübertrager-Luft und Turboverdichtereinheit auf die Regelgröße Kühlmitteleintrittstemperatur durchgeführt.
Durch Experimente wurde gefunden, dass in allen drei Betriebspunkten (niedrige, mittlere und hohe Last der Brennstoffzelle) die Brennstoffzelle selbst den größten Einfluss auf die Regelgröße hat. Wird der Einfluss der drei anderen Komponenten ins Verhältnis zum Einfluss der Brennstoffzelle auf die Regelgröße gesetzt, ergibt sich für, dass der Einfluss des Wärmetauschers Luft 157 um das 7-fache geringer ist. Der Einfluss der beiden anderen Komponenten ist sogar um das 33-fache kleiner. Für mehrere Betriebspunkte ist der Einfluss des Wärmeübertragers-Wasserstoff 159 bzw. -Luft 157 und der Turboverdichtereinheit 161 um das 33 bis 100-fache kleiner als der Einfluss der Brennstoffzelle 103 auf die Regelgröße T_Clnt,BZ,in.
Somit verbleibt die Brennstoffzelle als einzige Störgröße. Die von der Brennstoffzelle verursachte Temperaturerhöhung kann erst nach der Durchströmung des Kühler Bypasses durch die Messstelle T3 erfasst werden. Dadurch besteht nicht mehr die Möglichkeit die Wärmemenge abzuführen und bewirkt dadurch ein Überschwingen der Regelgröße. Zusätzlich müssen die oben ermittelten Totzeiten zwischen den Messstellen in Abhängigkeit der Kühlmittelpumpendrehzahl bei dem Entwurf der Störgrößenaufschaltung berücksichtigt werden.
Es wurde festgestellt, dass die Messstelle T3 eine Temperaturänderung aufgrund einer Wärmezufuhr durch die Brennstoffzelle fast um den Faktor 2 schneller erkennen kann als die Messstelle T1. Zweitens tritt zwischen der Messstelle T3 und T1 keine weitere Störung der Temperatur auf.
Somit kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Regelung der Kühlmitteleintrittstemperatur anhand der Messgröße T3 = T_Clnt,Bypass durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch ein Kompensationsglied die Störung bereits vor dem Eintritt in die Regelstrecke kompensiert werden. Dies ist nur möglich wenn die Störung messbar und über ein Stellglied beeinflussbar ist. Da die produzierte Wärme des Brennstoffzellensystems nur indirekt aus der Spannung, der Stromstärke und des elektrischen Wirkungsgrads berechnet werden kann, aber die Auswirkung auf die Temperatur des Kühlmittels direkt durch die Messung der Kühlmittelein- und Austrittstemperaturen bekannt ist, wird die Kühlmitteltemperaturdifferenz ΔT_Clnt,BZ als messbare Störung definiert und für den Entwurf einer Störgrößenaufschaltung herangezogen.
Eine Voraussetzung für eine Störgrößenaufschaltung ist die Messbarkeit der Störgröße. Durch die Messung der Störgröße wird der Regler über die Größe und Art der Störung im Voraus informiert, nicht erst wenn der Einfluss der Störung am Ausgang der Regelstrecke gemessen wird. Die erhaltenen Informationen können zur Berechnung einer Stellgröße genutzt werden, um die Störung zu kompensieren. Die Störgrößenaufschaltung kann auf den Regler oder die Stellgröße aufgeschaltet werden, oder dem Regelkreis kann eine Hilfsregelgröße, wenn die Störgröße nur mittelbar gemessen werden kann, zur Verfügung gestellt werden.
In dem behandelten System ist die Kühlmitteltemperaturdifferenz als messbare Störgröße schon identifiziert und führt somit zu einer Störgrößenaufschaltung auf die Stellgröße. Diese Variante wurde, im Gegensatz zur Aufschaltung auf den Regler, gewählt um den Regler beim Entwurf der Störgrößenaufschaltung nicht berücksichtigen zu müssen. Dies würde zu einem größeren Rechenaufwand der Störgrößenaufschaltung auf der Zielhardware führen.
Wieder mit Bezug auf 3 ist die Störgrößenaufschaltung auf die Stellgröße eines einschleifigen Regelkreises, bestehend aus der Regelstrecke G(s), dem Regler K(s) und der Rückführung der Ausgangsgröße Y(s), gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Standardregelkreis wird durch die Störgröße D und dem Kompensationsglied K_d(s) erweitert, indem der Ausgang des Kompensationsgliedes K_d(s) der Stellgröße des Reglers K(s) aufgeschaltet wird. Der Einfluss der Störgröße auf das Verhalten der Regelstrecke wird mit G_yd(s) dargestellt. Dieser Einfluss wird durch das Kompensationsglied durch die Aufschaltung auf die Stellgröße des Reglers nun kompensiert. Das Blockschaltbild führt zu den Beziehungen: Y(s) = G_yd(s)D(s) + G(s)U(s) U(s) = –K_d(s)D(s) + K(s)(W(s) – Y(s)).
Durch einige Umstellungen erhält man Y(s) = G_w(s)W(s) + G_D(s)D(s) mit G_w(s) = G(s)K(s)/(1 + G(s)K(s)) G_d(s) = (G_yd(s) – G(s)K_d(s))/(1 + G(s)K(s))
Die Führungsübertragungsfunktion G_w(s) ist dem eines Standardregelkreises gleich und somit besitzen der Standardregelkreis und das Regelsystem mit Störgrößenaufschaltung dieselbe charakteristische Gleichung und Stabilitätseigenschaften.
Wird die Störgrößenaufschaltung zu K_d(s) = G_yd(s)/G(s) ausgelegt, wird die Störung vollständig kompensiert und am Ausgang nicht sichtbar.
Das errechnete K_d(s) muss zur technischen Realisierbarkeit folgende Bedingung Grad N_yd(s) – Grad Z_yd(s) >= Grad Z(s) – Grad N(s) erfüllen. Diese Bedingung schließt somit ein K_d(s) mit einem idealen, aber technisch nicht realisierbaren, PD-Verhalten aus. Wenn die dynamische Kompensation nach nicht möglich ist, kann eine statische Kompensation nach mit einem P-Glied zu K_d(s) = K_yd/K_s (Gl. 1) durchgeführt werden. Zur Berechnung der Verstärkung des P-Gliedes werden die Verstärkungsfaktoren der Übertragungsfunktionen G_yd(s) und G(s) herangezogen.
Zur Auslegung der Störgrößenaufschaltung müssen die Übertragungsfunktionen G_yd(s) der Kühlmitteltemperaturdifferenz und der Regelstrecke G(s) des Kühlsystems auf die Regelgröße identifiziert werden.
Mittels der Matlab „System Identifikation Toolbox” und des vorhandenen Sik-Modells des Kühlsystems ist bei verschiedenen Betriebspunkten (klein, mittel, groß) die Übertragungsfunktion G_yd(s) der Störgröße ΔT_Clnt,BZ auf die Regelgröße T_Clnt,BZ,in bei einem konstanten Wert der Stellgröße ermittelt worden.
Die Übertragungsfunktion G(s) mit der Eingangsgröße Stellglied Thermostatventil und Ausgangsgröße Kühlmitteleintrittstemperatur wurde unter Zuhilfenahme desselben Werkzeugs ebenfalls errechnet. Die Störgröße ΔT_Clnt,BZ wurde konstant gehalten. Die Übertragungsfunktionen sind ebenfalls für die drei Betriebspunkte aufgenommen worden.
Zunächst wird die Bedingung auf technische Realisierbarkeit überprüft. Der Polüberschuss beider Übertragungsfunktionen ist gleich, somit gilt die Bedingung als erfüllt. K_d(s) hat demnach keinen eigenen Pollüberschuss. Wird K_d(s) ohne Berücksichtigung der Totzeitglieder gebildet, ergibt sich eine Nullstelle weit rechts in der realen Halbebene. Dies führt zu einem instabilen Verhalten des Steuergliedes K_d(s). Die Berechnung von K_d(s) für die beiden anderen Betriebspunkt ergibt dasselbe Ergebnis. Demzufolge kann dieses Steuerglied nicht zur Störgrößenkompensation eingesetzt werden.
Da die Einsatzfähigkeit eines Steuergliedes nicht gegeben ist, wird eine statische Kompensation durch ein P-Glied als Störgrößenaufschaltung nach Gleichung 1 bestimmt. Der Verstärkungsfaktor K_d(0) wird für die drei betrachteten Betriebspunkte bestimmt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Verstärkung von K_d(s) in einem kleinen Bereich von 0,5 bis 1 für alle Wärmeleistungen liegt. Des Weiteren ergibt sich aus dem Quotient der Totzeit-Glieder von G_yd(s) und G(s) eine variable Totzeit T_t für K_d(s) T_t,klein = 8,2 T_t,mittel = 3,4 T_t,gross = 2,5.
Demnach ergibt sich für K_d(s) ein P-Regler mit einem konstanten Verstärkungsfaktor von k_p = 0,75, als Mittelwert des Bereiches von 0,5 bis 1, und einer variablen Totzeit T_t,var K_d(s) = k_p·exp{–T_t,var·s}.
Die variable Totzeit T_t,var steht für die Zeit, die das Kühlmittel von der Messstelle T2 der Kühlmittelaustrittstemperatur zum Stellglied Thermostatventil 127 benötigt (siehe 1). Daher wird die Totzeit durch den Volumenstrom, somit indirekt durch die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 115, dem Leitungsquerschnitt und der Leitungslänge bestimmt. Die Zeit T_t,var kann aus Volumenstrom, Leitungslänge und Querschnitt berechnet werden und ist direkt proportional zu der Kühlmittelpumpendrehzahl und kann somit zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden und somit K_d(s) berechnet werden.
Der vorgestellte Entwurf der Störgrößenaufschaltung wird für die Steuerungssoftware in eine zeitdiskrete Form überführt. Die Implementierung einer zeitdiskreten Totzeit in die Steuerungssoftware, die zugleich variabel und in einen Maschinencode übersetzbar für die Zielhardware sein muss, stellt wie bereits erwähnt eine Herausforderung für die Modellierung der Totzeit dar. Die Funktionsweise eines Totzeit-Blocks in einer graphischen Modellierungsoberfläche zur Umsetzung auf einem Steuergerät bedient sich eines „First In – First Out” Speichers (FIFO), der die Eingangsgröße für die Länge der angegebenen Totzeit speichert und diese anschließend um die Totzeit verzögert wieder ausgibt. Die Totzeit T_t steht für die Zeit, die das Kühlmittel von der Messstelle T2 der Kühlmittelaustrittstemperatur zum Stellglied Thermostatventil benötigt. Daher wird die Spreizung des Zeitbereiches der Totzeit durch den Volumenstrom bei der maximalen und minimalen Drehzahl der Kühlmittelpumpe, dem Leitungsquerschnitt und der Leitungslänge bestimmt.
Die optimierte Regelung mittels Hardware in der Loop Simulation wurde experimentell getestet.
Das Blockschaltbild aus 4 stellt die Umsetzung der entworfenen Störgrößenaufschaltung zusammen mit der Steuerung der Kühlmitteltemperaturdifferenz ΔT_Clnt,BZ dar, wobei die variable Totzeit berücksichtigt wurde.
Die Steuerung von ΔT_Clnt,BZ erfolgt anhand des Sollwertes für die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle. Für eine gewünschte Kühlmitteltemperaturdifferenz ΔT_Clnt,BZ wird der erforderliche Kühlmittelmassenstrom berechnet. Die Vermessung der Kühlmittelpumpe in dem betrachteten Kühlsystem führt zu einer Kennlinie für den Kühlmittelmassenstrom in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl. Somit ergibt sich für K_2(s) ein P-Glied mit einem kennfeldbasierenden Verstärkungsfaktor k_p, K_2(s) = k_p(P_BZ). Das eingestellte ΔT_Clnt,BZ mittels der Steuerung K_2(s) weicht mit einer Genauigkeit von nur 1% vom gewünschten Sollwert ab. Dies erfüllt die Anforderung an das Kühlsystem, um das produzierte Wasser auszutragen oder eine erforderliche Feuchte einzustellen.
Das Übertragungsverhalten der Kühlmittelpumpe G_Pumpe(s) wird durch ein PT1-Glied in der Steuerung dargestellt und dient der Verzögerung des Stellsignals der Pumpendrehzahl u_Pumpe. Das verzögerte Stellsignal u_1,Pumpe ist die Eingangsgröße der Störgrößenaufschaltung für die Berechnung der variablen Totzeit T_t,var.
Die Störgrößenaufschaltung K_d(s) ist mit den entsprechenden Ein- und Ausgangsgrößen ebenfalls in der 4 dargestellt. Die Totzeit wird bei Kenntnis der Abhängigkeit des Volumenstroms von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe mit der Funktion T_t,var(u_1,Pumpe) berechnet.
Die vorgestellte Struktur der Regelung der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Störgrößenaufschaltung wird zusammen mit der Steuerung der Kühlmitteltemperaturdifferenz mittels HiL-Simulationen auf ihre Funktionalität und Robustheit getestet.
Die Beschreibung und die Zeichnungen stellen lediglich die Prinzipien von einigen Ausführungsbeispielen dar. Daher liegt auf der Hand, dass der Fachmann in der Lage ist, verschiedene Anordnungen zu ersinnen, die hierin zwar nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt sind, aber dennoch die Grundlagen der Erfindung verkörpern.
Ferner sind sämtliche hierin genannten Beispiele in erster Linie ausdrücklich für Illustrationszwecke gedacht, um dem Leser dabei zu helfen, die Grundlagen der Erfindung und die vom Erfinder bzw. von den Erfindern beigetragenen Gedanken zur Fortentwicklung der Technik zu verstehen, und sind als nicht beschränkt auf solche speziell genannten Beispiele und Bedingungen aufzufassen. Außerdem sollen alle Aussagen hierin, die Grundlagen, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung, ebenso wie spezifische Beispiele dafür nennen, deren Äquivalente umfassen.
Ferner sind die folgenden Ansprüche Teil der ausführlichen Beschreibung, wobei jeder Anspruch eigenständig als separate Ausführungsform stehen kann. Obwohl jeder Anspruch eigenständig als separate Ausführungsform stehen kann, sei darauf hingewiesen, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen Bezug nehmen kann – andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs einschließen kann. Diese Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, solange nicht angegeben ist, dass keine spezielle Kombination beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch enthalten sein, auch wenn der Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängt.
Ferner sei klargestellt, dass Verfahren, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, von einer Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Durchführung jedes der entsprechenden Schritte dieser Verfahren verwirklicht werden können.
Ferner sei klargestellt, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht in der bestimmten Reihenfolge gemeint sein müssen. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen diese nicht auf eine spezielle Reihenfolge, solange diese Schritte und Funktionen nicht aus technischen Gründen nicht vertauscht werden können. Ferner kann in manchen Ausführungsformen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte enthalten oder in mehrere Teilschritte unterteilt werden. Solche Teilschritte können in der Offenbarung dieses einzelnen Schritts enthalten sein und einen Teil davon darstellen, solange sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008032156 [0002, 0008]
DE 112005003018 [0003]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Eintrittstemperatur (T1) eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle (103) vorgesehenen Temperiermittels, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen (201) einer ersten Differenz (407) aus einem ersten Signal (402) und einem zweiten Signal (403), wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert (T_Clnt,BZ,in_Sollwert) der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert (T_Clnt,BZ,in, T1, T3) der Eintrittstemperatur ist; Bestimmen (203) einer Stellgröße (411) basierend auf der ersten Differenz (407); Bestimmen (205) einer zweiten Differenz (ΔT_BZ,Stör, 425) aus dem ersten Signal (402) und einem dritten Signal (404), welches indikativ für einen Istwert (T_Clnt,BZ,out, T2) einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist; Modifizieren (207) der Stellgröße (411) basierend auf der zweiten Differenz (425); und Bereitstellen (209) der modifizierten Stellgröße (415) zum Temperieren des Temperiermittels, mittels eines Temperiersystems, basierend auf der modifizierten Stellgröße.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Stellgröße (411) aus der ersten Differenz (407) mittels eines PID-Reglers (409) berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das zweite Signal (403) indikativ für einen Istwert (TClnt,Bypass, T3) der Temperatur des zur Ausgabe aus dem Temperiersystem vorgesehenen Temperiermittels ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Modifizieren der Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz aufweist: Addieren (414) einer Modifikationsgröße (412) zu der Stellgröße (411), wobei die Modifikationsgröße auf der zweiten Differenz (425) basiert und um ein Zeitintervall (T_t,var) zwischen einem Austritt einer Kühlmittelportion aus dem Temperiersystem und einem Eintritt der Kühlmittelportion in die Brennstoffzelle verzögert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Zeitintervall (T_t,var) basierend auf einem eine Pumpe (115) zum Fördern des Temperiermittels steuernden Pumpensteuersignal (u_Pumpe) bestimmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei eine Kennlinie (416, 418) einer Abhängigkeit einer durch die Pumpe bewirkten Flussrate des Temperiermittels berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Führen (107) des Temperiermittels in einem Temperiermittelkreislauf (105), was Eintreten in die Brennstoffzelle (103), Durchlaufen der Brennstoffzelle (103), Austreten aus der Brennstoffzelle, Durchlaufen des Temperiersystems (121) und wiederum Eintreten in die Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Temperieren des Temperiermittels, wobei das Temperieren des Temperiermittels aufweist: Zuführen der modifizierten Stellgröße (153) an das in dem Temperiermittelkreislauf zwischen einem Brennstoffzellenaustritt (109) und einem Brennstoffzelleneintritt (117) angeordnete Temperiersystem (121), dem das aus der Brennstoffzelle ausgetretene Temperiermittel zugeführt wird; Beeinflussen einer Temperatur des dem Temperiersystem zugeführten Temperiermittels basierend auf der modifizierten Stellgröße; und Zuführen des aus dem Temperiersystem ausgegebenen Temperiermittels an den Brennstoffzelleneintritt (117).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Temperiersystem ein Mischventil (127) mit einem ersten Ausgang (129), der stromabwärts zu einem Wärmetauscher (123) führt, und einem zweiten Ausgang (131), der stromabwärts zu einer Umgehungsleitung (133) führt, aufweist, wobei das Temperiermittel stromabwärts des Wärmetauschers und der Umgehungsleitung zusammenführt wird, wobei die modifizierte Stellgröße (153) eine Stellung des Mischventils (127) steuert, welches eine relative Menge des durch den Wärmetauscher (123) und durch die Umgehungsleitung (133) fließenden Temperiermittels bestimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn rückbezogen auf Anspruch 5 oder 6, wobei das Pumpensteuersignal (u_Pumpe) derart gewählt ist, um eine durch die Pumpe bewirkte Flussrate des Temperiermittels konstant zu halten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn rückbezogen auf Anspruch 5 oder 6, ferner aufweisend: Einstellen des Pumpensteuersignals derart, dass eine vorbestimmte dritte Differenz erreicht wird, welche aus dem zweiten Signal, welches indikativ für einen Istwert (TClnt,BZ,in, T1, T3) der Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle ist, und dem dritten Signal, welches indikativ für einen Istwert (TClnt,BZ,out, T2) der Austrittstemperatur aus der Brennstoffzelle (103) ist, berechnet ist.
Software-Programm-Produkt, insbesondere auf einem Datenträger (155) gespeichert, welches ausgebildet ist, wenn von einem Prozessor ausgeführt, ein Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche auszuführen oder zu steuern.
Vorrichtung (119) zur Regelung einer Eintrittstemperatur eines für einen Eintritt in eine Brennstoffzelle (103) vorgesehenen Temperiermittels, wobei die Vorrichtung aufweist: zumindest einen Signaleingang (135, 137, 139), welcher zum Empfangen eines ersten Signals (102) und eines zweiten Signals (T3, T1) ausgebildet ist, wobei das erste Signal indikativ für einen Sollwert (T_Clnt,BZ,in_Sollwert) der Eintrittstemperatur und das zweite Signal indikativ für einen Istwert (TClnt,BZ,in, T1, T3) der Eintrittstemperatur ist; und zum Empfangen eines dritten Signals ausgebildet ist, welches indikativ für einen Istwert (TClnt,BZ,out, T2) einer Austrittstemperatur des zum Austritt aus der Brennstoffzelle vorgesehenen Temperiermittels ist; einen Prozessor (149), welcher ausgebildet ist, um eine erste Differenz aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu bestimmen, eine Stellgröße basierend auf der ersten Differenz zu bestimmen, eine zweite Differenz (ΔTBZ,Stör) aus dem ersten Signal und dem dritten Signal zu bestimmen, und die Stellgröße basierend auf der zweiten Differenz zu modifizieren; und einen Signalausgang (151) zum Bereitstellen der modifizierten Stellgröße (153) zum Temperieren des Temperiermittels basierend auf der modifizierten Stellgröße.
Brennstoffzellentemperaturregelungssystem (100), aufweisend: eine Vorrichtung (119) gemäß dem vorangehenden Anspruch, und ein Temperiersystem (121), welches mit der Vorrichtung gekoppelt ist, um die modifizierte Stellgröße zu empfangen und das Temperiermittel basierend auf der modifizierten Stellgröße zu temperieren.