DE102013221406A1

DE102013221406A1 - Systeme und Verfahren zum Steuern eines Verdichter-Rezirkulationsventils

Info

Publication number: DE102013221406A1
Application number: DE102013221406.5A
Authority: DE
Inventors: Yanyan Zhang; Joseph Mussro
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-04-30
Also published as: CN103779592A; US20140120444A1; CN103779592B; US9029036B2

Abstract

Systeme und Verfahren zum Steuern einer Verdichter-Rezirkulation eines Reaktanden in einem Brennstoffzellensystem. Es wird ein Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert für eine Gasströmung zu dem Rezirkulationsventil auf der Basis eines empfangenen Kathodenströmungs-Sollwerts berechnet. Es wird ein Wert erzeugt, der einer vorhergesagten Rezirkulationsventil-Position entspricht, und dieser kann als ein Steuerbefehl zum Ändern der Position des Rezirkulationsventils verwendet werden, um die Ventil-Ansprechzeit während Betriebstransienten des Brennstoffzellensystems zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft allgemein das Steuern eines Verdichter-Rezirkulationsventils in einem Fahrzeug-Brennstoffzellensystem und im Spezielleren Systeme und Verfahren zum Steuern eines Verdichter-Rezirkulationsventils, um dabei zu helfen, einem Brennstoffzellenstapelkathoden-Strömungs-Sollwert, insbesondere während transienter Betriebsbedingungen zu genügen.
Die Automobiltechnologie erfährt eine schnelle Entwicklung auf dem Gebiet, Alternativen zur Verwendung von Benzin als primäre Energiequelle in Fahrzeug-Antriebssystemen zu finden. Ein Interessensbereich hat sich in der jüngsten Vergangenheit auf den Einsatz gasförmiger Reaktanden als Brennstoff konzentriert. Gase wie z. B. Wasserstoff bieten auf Grund ihres reichhaltigen Vorkommens in der Natur eine vielversprechende Alternative zu Benzin. In einigen Kraftfahrzeugsystemen kann ein Antrieb durch Verwendung von Wasserstoffgas als Teil einer chemischen Reaktion innerhalb einer Brennstoffzelle erreicht werden, um elektrische Energie zu erzeugen, die verwendet werden kann, um einen Elektromotor zu betreiben. Die erzeugte Elektrizität kann dann verwendet werden, um das Fahrzeug durch den Motor, entweder allein oder in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine auf Erdölbasis, anzutreiben. Solche Brennstoffsysteme produzieren in der Regel auch weniger Schadstoffbelastung als auf Erdöl basierende.
In einer typischen Brennstoffzelle wird Wasserstoff oder ein anderes Reaktandengas der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, wo der Wasserstoff in Elektronen und positiv geladene Ionen zerlegt wird. Eine Elektrolytschicht trennt die Anode von der Kathode und lässt zu, dass die Ionen zu der Kathode gelangen, während die Elektronen davon abgehalten werden, zu der Kathode zu gelangen. Stattdessen werden Elektronen um die Elektrolytschicht herum, durch eine Last hindurch und zurück zu der Kathode geleitet, um zuzulassen, dass elektrische Leistung genutzt wird. An der Kathode werden die Ionen, Elektronen und der/die zugeführte Sauerstoff oder Luft in der Regel kombiniert, um Wasser und Wärme zu produzieren. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe oder parallel als ein Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, um eine höhere Spannungs- oder Stromausbeute zu produzieren. Außerdem können durch Kombinieren von mehr als einem Stapel noch höhere Ausbeuten erzielt werden.
In einem Fahrzeug, das eine Brennstoffzellentechnologie einsetzt, können diese Reaktandengase transportiert und innerhalb eines Druckgassystems verwendet werden. Es kann z. B. gespeicherter Wasserstoff an eine Brennstoffzellenanode bereitgestellt und chemisch zur Reaktion gebracht werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann Luft von einem Lufteinlass aufgenommen und an die Kathode einer Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Solche Fahrzeug-Brennstoffzellensysteme erfordern die Verwendung von Verdichtern, um diese Druckbeaufschlagungsfunktion zu erfüllen, und können außerdem Zusatzeinrichtungen wie z. B. Ventile, Steuergeräte oder dergleichen umfassen, um die Strömung eines Reaktandengases zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle zu regeln.
Eine inhärente Eigenschaft solcher Verdichter (zumindest sofern sie den kathodenseitigen Betrieb betreffen) besteht darin, dass die Drucksteuerung und Strömungssteuerung der Kathode miteinander gekoppelt sind. Diese Kopplung neigt dazu, den Systembetrieb, insbesondere während Perioden eines transienten Systembetriebes, zu destabilisieren. Diese Probleme sind besonders akut während transienter Betriebsbedingungen, wo sowohl der Strömungs-Sollwert als auch der Druck-Sollwert nahezu augenblickliche Änderungen zeigen können. Noch spezieller sind die Schwierigkeiten, eine einwandfreie Rezirkulationsströmung zu gewährleisten, besonders akut während eines abwärtstransienten Betriebes, da die Trägheitseffekte eines zum Verlangsamen aufgeforderten Verdichters verhindern, dass die Verdichterdrehzahl so schnell abnimmt, wie es notwendig ist; dies neigt wiederum dazu, ein Rezirkulationsströmungs-Ungleichgewicht zu verursachen. Da die Wasserproduktion in einem Brennstoffzellenstapel mit dem Strom variiert, bewirkt ein abwärtstransientes Ereignis (bei dem der Stapelstrom plötzlich reduziert wird) eine damit einhergehende schnelle Abnahme der Wasserproduktion. Wenn die Stapelkathoden-Luftströmung nicht gemeinsam mit dieser Stromreduktion verringert wird, wird der Stapel schnell austrocknen, was einen Schaden an demselben zur Folge hat. Gleichermaßen kann das Ungleichgewicht auch die Folge davon sein, dass nicht genug Strömung an die Kathode geliefert wird. In diesem Fall kann das Vorhandensein eines Rezirkulationsventils dazu führen, dass eine zu starke Rezirkulation stattfinden kann, was ein Überfluten des Stapels zur Folge hat. Das Vorhandensein nur eines Rezirkulationsventils als solches – an und für sich – gewährleistet keine rasche, präzise Steuerung, um sowohl ein Stapelüberströmungs-Austrocknen als auch ein Stapelunterströmungs-Überfluten zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die hierin offenbarte Erfindung zielt auf eine Stabilisierung des Systems ab, um die oben erwähnten Austrocknungs- als auch Überflutungszustände zu minimieren. In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steuern eines Verdichter-Rezirkulationsventils für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem offenbart, wobei das Rezirkulationsventil den Auslass des Verdichters fluidtechnisch mit einem Einlass des Verdichters verbindet. Das Verfahren umfasst, dass ein Stapelkathodenströmungs-Sollwert für eine von einem Verdichterauslass einer Brennstoffzellen-Kathode zugeführte Gasströmung als Eingang empfangen wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert (auch als ein vorhergesagter oder erwünschter Wert bekannt) unter Verwendung von Betriebsdaten von dem Verdichter und des Stapelkathodenströmungs-Sollwertes berechnet wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Rezirkulationsventil-Steuerbefehl erzeugt wird, welcher bewirkt, dass das Rezirkulationsventil die Positionen ändert. Mit diesem Verfahren kann ein Verdichterströmungs-Sollwert verwendet werden, um einen Rezirkulationsströmungs-Sollwert, z. B. durch Heranziehen einer Differenz zwischen dem Verdichterströmungs-Sollwert und dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert, zu berechnen. Dies stellt einen vorhergesagten Rezirkulationsventilströmungswert bereit.
In einer optionalen Form findet das Verfahren während einer Betriebstransiente des Brennstoffzellensystems statt. In einer noch spezielleren optionalen Form ist die Betriebstransiente eine Abwärts-Transiente, wobei sich die durch die Brennstoffzelle erzeugte Leistung von hoch zu niedrig ändert, wie dies auch für den Bedarf an Sauerstoff oder einem ähnlichen Kathodenreaktanden der Fall ist, der an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Somit kann das Verfahren in dem Fall einer Abwärts-Transiente verwendet werden, um die zukünftige Rezirkulationsventil-Position vorherzusagen, die notwendig ist, um dem neuen Stapelkathodenströmungs-Sollwert zu genügen, wie auch um einen Befehl an das Rezirkulationsventil zu senden, um solch einem neuen Sollwert zu genügen. Die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung durchgeführten Berechnungen werden als solche bevorzugt in einer prädiktiven Funktion verwendet, um eine Entscheidung zu einer zukünftigen Ventilposition zu treffen. Es können Vorwärtskopplungs-Terme wie z. B. der Stapelkathodenströmungs-Sollwert und der Verdichterauslassdruck-Sollwert verwendet werden, während auch andere Betriebsparameter (insbesondere Rückkopplungsparameter wie z. B. die Verdichterdrehzahl, die sich in der Regel relativ langsam ändert) verwendet werden können. Bezeichnenderweise hilft eine Vorwärtskopplungs-Steuerung des Verdichter-Rezirkulationsventils dabei, dieses inhärent gekoppelte System zu stabilisieren und zu steuern. In einer Form kann die hierin beschriebene Steuerung in Verbindung mit einer Vorwärtskopplungs-Verdichterdrehzahlsteuerung verwendet werden, auf die in der begleitenden Anmeldung mit dem Titel PREDICTIVE CATHODE COMPRESSOR SPEED CONTROL IN A FUEL CELL POWER SYSTEM (Anwalt-Aktenzeichen Nr. P013 453-FCA-CHE) abgezielt wird, welche am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. In dem vorliegenden Kontext impliziert die relative Geschwindigkeit, mit der sich eine Komponente (z. B. der Verdichter) ändert, keinen langsamen Übergang, sondern solch ein Übergang findet vielmehr über eine Zeitspanne statt, die – wenn sich nicht korrigiert wird – zu nachteiligen Feuchtigkeitsungleichgewichten innerhalb des Stapels führen könnte. Eine Abwärts-Transiente für die physikalische Verdichterdrehzahl von einem Maximum zu einem Minimum könnte z. B. etwa 4 Sekunden betragen; dies ist eine relativ lange Zeit für die Kathodenmembranen des Stapels, in denen sie den Trocknungsfolgen der stärkeren Luftströmung ausgesetzt sind. Der prompte Einsatz des Rezirkulationsventils, wie hierin erläutert, verbessert den Einfluss der Überschussluftströmung während dieser Übergangsperiode. Die Verdichter-Betriebsdaten können aus einem Verdichterkennfeld abgeleitet werden; diese Daten können in eine herkömmliche maschinenlesbare Form gebracht werden, beispielsweise über eine Nachschlagetabelle oder dergleichen, die von dem Verdichterhersteller bereitgestellte bekannte Verdichterkenndaten verwendet. In einer besonderen Form kann ein Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert von der Art von Betriebsdaten sein, die aus dem Verdichterkennfeld bestimmt werden können. In einer ähnlichen Weise kann der Rezirkulationsventilströmungs-Sollwert unter Verwendung einer Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert berechnet werden. Der Stapelkathodenströmungs-Sollwert kann ebenso gut wo woanders, z. B. in einem anderen Algorithmus, der in einem Computer oder einem ähnlichen Steuergerät gespeichert sein kann, erzeugt werden. In einer anderen optionalen Form wird der Rezirkulationsventilströmungs-Sollwert verwendet, um die neue Rezirkulationsventil-Position zu berechnen, die als ein Vorwärtskopplungs-Term für den Ventilpositions-Sollwert behandelt wird. Außerdem wird ein Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuergerät verwendet, um den Kompensationsterm für die neue Ventilposition zu erzeugen, die als der Rückkopplungs-Term der neuen Ventilposition behandelt wird, da sie auf dem Stapelkathodenströmungs-Rückkopplungswert basiert und sie versucht, den Fehler (oder die Differenz) zwischen dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert und dem Stapelkathodenströmungs-Rückkopplungswert zu eliminieren. Die neue Ventilposition ist als solche die Summe des Vorwärtskopplungs-(d. h. offenen Regelkreis)-Terms und des Rückkopplungs-(d. h. geschlossenen Regelkreis)-Terms, und das Steuergerät wird dem Ventil mit einem Rezirkulationsventil-Steuerbefehl befehlen, die Position auf den neuen Sollwert zu ändern. Fachleute werden einsehen, dass die neue Ventilposition, wenngleich sie Rückkopplungsinformationen (z. B. die Verdichterdrehzahl oder Druck oder Temperatur) einsetzen kann, keine Strömungs-Rückkopplungsinformationen verwenden kann, da diese den Zielsteuerterm bilden.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Steuergerät für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem offenbart. Das Steuergerät umfasst zumindest einen Prozessor und einen nicht transitorischen Speicher, wobei Letzterer Maschinenanweisungen speichert, die von dem Ersteren ausgeführt werden, um zu bewirken, dass das Steuergerät einen Kathodenströmungs-Sollwert für eine Gasströmung bestimmt, die von einem Auslass eines Verdichters einer Kathode einer oder mehrere Brennstoffzellen, die verwendet werden, um einen Stapel von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem zu bilden, zugeführt wird. Von dem Prozessor kann auf ein Verdichterkennfeld (das in einem RAM oder ROM des Speichers gespeichert sein kann), welches Daten umfasst, die dem Betrieb des Verdichters entsprechen, zugegriffen werden, um ihn dabei zu unterstützen, eine oder mehrere die Einstellungen des Rezirkulationsventils betreffende Berechnungen durchzuführen. Die Anweisungen bewirken auch, dass der Prozessor einen Strömungswert für das Rezirkulationsventil berechnet, sodass die Gasströmung von dem Auslass des Verdichters zu dem Rezirkulationsventil den Stapelkathodenströmungs-Sollwert und die Verdichterkennfelddaten berücksichtigt.
Optional sind Betriebsdaten, die dem Verdichterkennfeld entsprechen, in dem nicht transitorischen Speicher enthalten. Auf die Verdichterkennfelddaten kann durch das Steuergerät zugegriffen werden, um einen Gasströmungs-Sollwert für den Verdichtereinlass zu bestimmen. Die Anweisungen können auch verwendet werden, um den Prozessor dazu zu bringen, eine Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Kathodenströmungs-Sollwert als eine Möglichkeit zu berechnen, den Wert zu bestimmen, auf den das Rezirkulationsventil gesetzt werden soll. Wie oben erwähnt, kann der zum Steuern der Ventilposition verwendete Algorithmus zusätzlich zu dem Sollwert und ähnlichen Vorwärtskopplungs-Informationen Rückkopplungs-Terme verwenden. Bevorzugt kann ein von dem Steuergerät erzeugtes Steuersignal zu einem Aktuator gesendet werden, um das Ventil in eine weiter offene oder geschlossene Konfiguration entsprechend den Bedürfnissen des Fahrzeug-Brennstoffzellensystems umzustellen.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem offenbart. Das System umfasst eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einen Verdichter mit einem Einlass und einem Auslass. Der Auslass ist mit der Kathode der Brennstoffzelle funktionell verbunden und stellte ein Gas an die Kathode der Brennstoffzelle bereit. Das System umfasst auch ein Rezirkulationsventil, das mit dem Einlass und dem Auslass des Verdichters funktionell verbunden ist. Das System umfasst ferner ein Steuergerät mit zumindest einem Prozessor und einem nicht transitorischen Speicher in Signalverbindung mit dem Prozessor. Der Speicher speichert Anweisungen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor einen Kathodenströmungs-Sollwert für eine Gasströmung zu der Kathode bestimmt. Die Anweisungen bewirken ferner, dass der Prozessor den Verdichter betreffende Betriebsdaten verwendet, die in der Form eines Verdichterkennfeldes gespeichert sein können. Die Anweisungen bewirken auch, dass der Prozessor einen Rezirkulationsventilströmungswert für eine Gasströmung zu dem Rezirkulationsventil unter Verwendung des Verdichterkennfeldes und des Kathodenströmungs-Sollwertes berechnet; dieser kann wiederum verwendet werden, um einen Rezirkulationsventil-Steuerbefehl zu erzeugen, welcher bewirkt, dass das Ventil die Positionen ändert.
Optional wird das Verdichterkennfeld verwendet, um einen Gasströmungs-Sollwert zu dem Verdichtereinlass zu bestimmen. Die Anweisungen können ferner bewirken, dass der Verdichter eine Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Kathodenströmungs-Sollwert als eine Möglichkeit berechnet, um den Rezirkulationsventilwert zu bestimmen, der in einer noch spezielleren Form einen Vorwärtskopplungswert für das Steuergerät bilden kann. Wie oben angeführt, kann die Position des Rezirkulationsventils durch den Vorwärtskopplungswert bestimmt werden und sie kann außerdem auf einem oder mehreren von einem rückkopplungsgestützten Integralwert und einem Ableitungswert basieren. Auch Datenaustauscheinrichtungen (z. B. signalführende Leitungen, Verbinder oder dergleichen) können einen Teil des Brennstoffzellensystems bilden; solch eine Einrichtung kann verwendet werden, um den Rezirkulationsventil-Steuerbefehl zwischen zumindest dem Steuergerät und dem Rezirkulationsventil weiterzuleiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zeigt;
2 eine schematische Illustration des Luftversorgungssystems in dem in 1 gezeigten Fahrzeug-Brennstoffzellensystem ist;
3 eine Illustration eines Verdichterkennfeldes ist;
4 eine schematische Illustration eines Steuergeräts für das Fahrzeug-Brennstoffzellensystem von 1 ist.
5A eine Strömungssteuerung für eine Abwärts-Transiente gemäß dem Stand der Technik zeigt;
5B eine Strömungssteuerung für eine Abwärts-Transiente gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6A eine Strömungssteuerung für eine Aufwärts-Transiente gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
6B eine Strömungssteuerung für eine Aufwärts-Transiente gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind rein illustrativ und sollen die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen nicht einschränken. Außerdem werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen angesichts der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher und besser verständlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben angegeben, stellt die Verwendung von Verdichtern innerhalb von Fahrzeug-Brennstoffzellensystemen zusätzliche Herausforderungen für die Automobilindustrie dar, wobei die Strömungsrate wie auch die diesbezügliche Brennstoffzellenkathoden-Stöchiometrie ein wichtiger Parameter für solch ein System ist. Die Kathodenstöchiometrie ist definiert als das Verhältnis des molaren Einlassdurchflusses eines Reaktanden zu einer Verbrauchsrate des Reaktanden und daher direkt proportional zu der Gasströmung zu der Kathode. Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle von einer hohen Leistung zu einer niedrigen Leistung geht (z. B. während eines Leerlaufzustandes), ist ein geringerer Reaktandenverbrauch vorhanden, was wiederum die Kathodenstöchiometrie deutlich erhöht. Diese Erhöhung der Stöchiometrie kann den Stapel jedoch austrocknen und demzufolge die Stapelleistung beeinflussen oder sie verursacht sogar Schäden an dem Stapel. In jedem Fall wird das Bereitstellen eines schnellen Öffnens und Schließens des Rezirkulationsventils gemäß den Aspekten der Erfindung die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass das System den Strömungs-Sollwert schnell erreicht, und einen Stapel-Überstöchiometrie-Zustand vermeiden; diese präziseren Anweisungen sind besonders vorteilhaft während abwärtstransienter Bedingungen, wobei die Latenz in Verbindung mit einer abnehmenden Verdichterdrehzahl andernfalls die Aufrechterhaltung einer einwandfreien Stapel-Stöchiometrie behindern kann.
Nunmehr Bezug nehmend auf 1 ist ein Fahrzeug 100 gemäß den hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen gezeigt. Das Fahrzeug 100 (z. B. ein Auto, ein Bus, ein Lastwagen oder ein Motorrad) wird von einer oder mehreren Brennstoffzellen betrieben, die das Brennstoffzellensystem 102 bilden, welches einen gespeicherten gasförmigen Brennstoff in elektrische Leistung für den Motor 104 umwandelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 102 ein auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem, das eine katalytische Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Sauerstoff in elektrischen Strom umwandelt. Das Brennstoffzellensystem 102 kann einen oder mehrere eingebaute/n Wasserstoffspeichertanks oder ähnliche Speichertanks (keiner davon ist gezeigt) umfassen, wobei Letztere derart sind, dass die Reformation einer Wasserstoffgas-Vorstufe im Fahrzeug stattfindenden kann. In solch einem Fall kann das Brennstoffzellensystem 102 auch eine beliebige Anzahl von Ventilen, Verdichtern, Rohrleitungen, Temperaturreglern, elektrischen Speichervorrichtungen (z. B. Batterien, Ultra-Kondensatoren und dergleichen, wobei keines davon gezeigt ist) und Steuergeräten umfassen, um dabei zu helfen, einen einwandfreien Betrieb des Brennstoffzellensystems 102 zu gewährleisten. Der Motor 104 kann ein vollelektrischer oder ein Hybridmotor (z. B. ein Motor, der sowohl Elektrizität als auch eine Verbrennung auf Erdölbasis verwendet, um das Fahrzeug 100 anzutreiben) sein. In jeder Konfiguration nutzt der Motor 104 die Leistung von dem Brennstoffzellensystem 102 für zumindest einen Teil des Antriebsbedarfes des Fahrzeuges 100.
Es können beliebig viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem 102 (z. B. Metallhydrid-Brennstoffzellen, Alkali-Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen oder andere Arten bekannter Brennstoffzellen) verwendet werden. Es können auch viele Brennstoffzellen als ein Brennstoffzellenstapel innerhalb des Brennstoffzellensystems 102 in Reihe und/oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Spannungs- oder Stromausbeute durch das Brennstoffzellensystem 102 zu produzieren. Die produzierte elektrische Leistung kann dann direkt dem Motor 104 zugeführt oder in einer elektrischen Speichervorrichtung zur späteren Verwendung durch das Fahrzeug 100 gespeichert werden.
Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist eine schematische Illustration des Brennstoffzellensystems 102 in Übereinstimmung mit den hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen gezeigt. Der Verdichter 202 nimmt an dem Einlass 202A Luft auf, verdichtet sie und stellt das zugeführte Gas über den Auslass 202B an den Kathodeneinlass 204A des Brennstoffzellenstapels 204 bereit, wo das Gas verwendet wird, um elektrische Leistung für das Fahrzeug 100 zu produzieren. Das Abgas oder ablaufende Flüssigkeiten wird/werden dann aus dem Kathodenauslass 204B über den Ablauf 222 entfernt. Außer dem Verdichter 202 umfasst das Brennstoffzellensystem 102 auch eine Anzahl von Ventilen, die dabei helfen, die Strömung von Gas durch das gesamte System hindurch zu regeln. Das Brennstoffzellensystem 102 kann z. B. ein Umgehungsventil 214 umfassen, das zulässt, dass etwas von dem oder der gesamte gasförmige/n Brennstoff den Brennstoffzellenstapel 204 umgeht. Das Brennstoffzellensystem 102 kann auch ein Kathoden-Sperrventil 216 umfassen, welches die Strömung von Abgas aus dem Kathodenauslass 204B regelt. Das Kathoden-Sperrventil 216 kann z. B. verwendet werden, um den Druck und die Strömung eines Gases durch die Kathode hindurch zu steuern. Ein Rezirkulationsventil 218 lässt eine selektive fluidtechnische Verbindung zwischen Verdichterauslass 202B und -einlass 202A zu. Ein besonders wertvoller Einsatz des Rezirkulationsventils 218 findet während Betriebstransienten in dem Brennstoffzellenstapel 204 statt, wo es die Menge der an dem Einlass 206 vorhandenen Luft abhängig von den Transienten-Erfordernissen des Stapels 204 erhöhen oder verringern kann.
Das Brennstoffzellensystem 102 umfasst ferner eine Anzahl von Sensoren, welche die Eigenschaften des Gases innerhalb des Systems messen. Das Brennstoffzellensystem 102 kann z. B. ein Strömungsmessgerät 220 umfassen, das den Luftmassenstrom aus dem Lufteinlasssystem misst. Andere nicht einschränkende Beispiele für Sensoren (nicht gezeigt) in dem Brennstoffzellensystem 102 umfassen Sensoren, welche den Luftmassestrom, den Druck, die Temperatur, die Dichte oder ähnliche Eigenschaften des Gases oder der Gase messen, welche/s in dem Brennstoffzellensystem 102 verwendet wird/werden. Weitere Beispiele umfassen Sensoren, welche die Positionen der Ventile 214, 216, 218 und die Drehzahl des Verdichters 202 messen.
In dem Brennstoffsystem 102 kann eine Abwärts-Transiente auftreten, was bedeutet, dass sich die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 204 auf der Basis einer Anforderung von dem Fahrer des Fahrzeuges 100 zu einer niedrigeren Ausgangsleistungseinstellung verschiebt. In einem Beispiel kann eine niedrigere Ausgangsleistungseinstellung einem Leerlaufzustandsbetrieb des Fahrzeuges 100 entsprechen. Um die Stabilität des Stapels 204 aufrechtzuerhalten, muss die Kathodenstöchiometrie aber in einer solchen Weise erhöht werden, dass andere Betriebsparameter des Stapels 204 nicht negativ beeinflusst werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann das Rezirkulationsventil 218 an dem Auslass 202B des Verdichters 202 geöffnet werden. Es ist zu beachten, dass die Steuerung über eine Vorrichtung in dem System 102 in die Steuerung über eine andere Vorrichtung integriert sein kann. Es kann z. B. ein Sollwert verwendet werden, um mehrere Ventile des Systems 102 zu steuern. In einer spezielleren Form kann ein als Teil der vorliegenden Offenbarung verwendeter Algorithmus dabei helfen, einen Strömungs-Sollwert für den Verdichter 202 zu bestimmen, der zu verwenden ist, um den Rezirkulationsströmungs-Sollwert zu berechnen, welcher der Differenz zwischen den Strömungs-Sollwerten des Verdichters 202 und des Stapels 204 entsprechen würde. Die Logik des vorliegenden Verfahrens zum Steuern des Rezirkulationsventils 218 ist besonders vorteilhaft, wenn sie in Verbindung mit Leistungs-Abwärts-Transienten in dem Brennstoffzellensystem 102 verwendet wird. In einer Form können die Verdichterströmungs-Sollwertinformationen von einem Verdichterkennfeld 500 abgeleitet werden.
Nunmehr Bezug nehmend auf die 3 und 4 sind nähere Details im Zusammenhang mit dem Verdichterkennfeld 500 und den verschiedenen Merkmalen des Steuergeräts 400 gezeigt. Speziell Bezug nehmend auf 3 sind in dem Verdichterkennfeld 500 enthaltene Daten jene, die dem Betrieb des Verdichters 202 entsprechen; diese Informationen können Druckverhältnisse für gegebene Strömungsbedingungen (z. B. einschließlich Faktoren, welche den Massenstrom betreffen und außerdem Umgebungstemperatur und -druckschwankungen berücksichtigen können) bei verschiedenen Drehzahllinien 505 umfassen. Die Verdichterkennfelder 500 stellen ein nützliches Werkzeug zur Vorhersage des Verhaltens des Verdichters 202 bereit, indem sie die Vorhersage von Strömungs-Sollwerten auf der Basis des Betriebszustandes des Verdichters 202 zulassen. Ein Verdichterkennfeld 500 setzt typischerweise das Druckverhältnis 502 mit der Strömung 504 des Gases durch den Verdichter 202 hindurch in Beziehung. Eine Druckstoßlinie 506 grenzt jene Betriebszustände des Verdichters 202, die Strömungsabrisse, Strömungsumkehrungen oder einen anderen unerwünschten Druckstoßzustand zur Folge haben, von jenen ab, bei denen dies nicht der Fall ist, wobei Punkte links von der Druckstoßlinie 506 problematisch sind, während Betriebspunkte rechts von der Druckstoßlinie 506 einem allgemein normalen Betrieb des Verdichters 202 entsprechen. Der Abstand zwischen einem Betriebspunkt 508, 510 oder 514 (unten stehend näher erläutert) des Verdichters 202 und der Druckstoßlinie 506 wird auch als Druckstoßrandbereich bezeichnet und stellt ein Maß dafür bereit, wie nahe bei einem Druckstoßzustand sich der Verdichter 202 befindet. In einer Form können die Daten, die den verschiedenen Betriebsbedingungen über das Verdichterkennfeld 500 hinweg entsprechen, in einer Nachschlagetabelle oder einer ähnlichen Datenstruktur gespeichert werden, die wiederum in einem beliebigen geeigneten, für eine Maschine zugänglichen Medium wie z. B. einem/r vorprogrammierten Chip oder Speichervorrichtung, einem Flash-Speicher, einem Festplattenlaufwerk, einer CD, einer DVD, einer Floppy-Disk oder einer ähnlichen, nicht transitorischen Struktur eingebettet oder sonst wie enthalten sein kann. Somit kann das für eine Maschine zugängliche Medium in der Form eines Speichers 404 vorhanden sein, der einen Teil des Steuergeräts 400 bildet. Die Daten in dem Verdichterkennfeld 500 können unter Verwendung von Informationen, die z. B. von dem Hersteller des Verdichters 202 bereitgestellt werden, vorweg in das Steuergerät 400 geladen werden. In einer anderen Form können die Daten unter Verwendung einer Diagnoseroutine aufgebaut werden, die den Betrieb des Verdichters 202 variiert und verschiedene Zustände detektiert; jede Form ist akzeptabel. Zusätzlich zu den oben erwähnten Vorwärtskopplungs-Sollwert-Parametern kann der Verdichter 202 außerdem durch eine oder mehrere Rückkopplungsschleifen gesteuert werden, um seine/n Drehzahl, Differenzdruck, Gasströmungsrate oder ähnliche Parameter zu regeln, um zu versuchen, den einen oder mehrere Sollwerte beizubehalten.
Wie oben erwähnt, veranschaulichen die Punkte 508, 510 und 514 verschiedene Betriebsbedingungen (oder -punkte), die der Verdichter 202 erfahren kann. Bei dem Punkt 508 arbeitet der Verdichter 202 z. B. gerade bei einer Rückkopplungs-Drehzahl. Wenn die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems zu einer niedrigen Leistung geht, kann ein abwärtstransienter Zustand vorliegen. Dann kann die Drehzahl des Verdichters 202 zu dem Punkt 510 gesteuert werden, um Ressourcen zu schonen, da sowohl die Strömungsrate 504 der x-Achse als auch das Druckverhältnis 502 der y-Achse eine entsprechende Abnahme erfahren. Gleichermaßen kann die Drehzahl des Verdichters 202 entlang einer der Linien konstanter Drehzahl 505 zu dem Punkt 514 gesteuert werden, da die Rotationsgeschwindigkeit des Verdichters 202 während eines abwärtstransienten Zustandes langsam nach unten geht. Unter diesen Umständen wird der Gasströmungs-Sollwert des Verdichtereinlasses 202A an dem Punkt 514 durch den Druckverhältnis-Sollwert 502 und die Rückkopplungs-Drehzahl an dem Punkt 508 bestimmt. Der Strömungs-Vorgabewert des Rezirkulationsventils 218 kann aus der Differenz zwischen dem Gasströmungs-Sollwert des Verdichtereinlasses 202A und dem bei Punkt 510 gezeigten Kathodenströmungs-Sollwert berechnet werden. Dann kann das Rezirkulationsventil 218 geöffnet werden, um jegliche überschüssige Luftströmung umzuleiten, anstatt dass diese Luft durch die Kathode des Stapels 204 hindurch gelangt, wo sie, wie oben erwähnt, eine unausgeglichene Stöchiometrie für den Stapel 204 zur Folge haben könnte. Wie Fachleute einsehen werden, befindet sich ein bevorzugter maximaler Betriebspunkt „A” für den Verdichter 202 an der Oberseite der obersten der Drehzahllinien 505, welche den Punkt 508 schneidet. Die Trägheit innerhalb des Verdichters 202 bewirkt, dass er seine letzte Drehzahl für eine kurze Zeit während der Abwärts-Transiente beibehält; dies hat zur Folge, dass die Verdichterströmung zu dem Betriebspunkt „C” an dem Punkt 514 in dem Kennfeld 500 tendiert.
Mit Bezug auf das spezielle Beispiel, das in 3 gezeigt ist, bedeutet ein transienter Zustand von dem Punkt 508 (hohe Leistung) zu 510 (niedrige Leistung) in dem Kennfeld 500, dass sich der Stapelkathodenströmungs-Sollwert entsprechend ändert; ebenso wird der Druck-Sollwert für den Verdichterauslass 202B wie als sich von dem Punkt 508 zu dem Punkt 510 bewegend gezeigt geändert. Da der Strömungs-Sollwert geändert wird, muss die Position des Rezirkulationsventils 218, um den neuen Strömungsanforderungen an dem Punkt 510 zu nachzukommen, vorhergesagt und dann prompt angepasst werden. Da die Laufeigenschaften des Verdichters 202 durch Folgen bestimmter Eigenschaften bereits bekannt sind (und sich – wie oben erwähnt – allgemein langsam ändern, insbesondere über die Dauer der Abwärts-Transiente), kann das Verdichterkennfeld 500 verwendet werden, um die Position des Rezirkulationsventils 218 mit der vereinfachten Annahme vorherzusagen, dass die Drehzahl des Verdichters 202 über den Verlauf eines einzigen Zeitschrittes unverändert bleibt. Man kann sich auch zusätzliche Betriebskenntnis stützen. Zum Beispiel gestattet die Kenntnis darüber, dass der Druck an dem Verdichterauslass 202B abnehmen wird, wenn das Rezirkulationsventil 218 geöffnet wird, das Öffnen des Rezirkulationsventils 218 in die vorhergesagte Position, sodass der Verdichter an dem Punkt 514 laufen kann. Die Luftströmung, die durch das Rezirkulationsventil 218 umgeleitet werden muss, um dem neuen Stapelkathodenströmungs-Sollwert 514 zu genügen, ist gleich der Differenz zwischen ihr und dem Punkt 510.
Daraus wird dann der Vorwärtskopplungs-Term der neuen Position des Rezirkulationsventils 218 mithilfe eines allgemeinen Ventil-Modells unter Verwendung der Strömung durch das Ventil hindurch (d. h. der Differenz zwischen den Punkten der x-Achse an den Punkten 514 und 510), der Strömungstemperatur, des Druckes an dem Einlass und dem Auslass des Ventils 218 wie auch anderer notwendiger Eingänge bestimmt. Zusammen mit dem von dem PID-Steuergerät bestimmten Rückkopplungs-Term wird schließlich die neue Position des Rezirkulationsventils 218 bestimmt, wonach das Rezirkulationsventil 218 angewiesen wird, sich in die neue Position zu bewegen, und der Verdichter 202 wird an dem Punkt 514 laufen, während sein Druck an dem Auslass 202B bis zu dem Druck an dem Sollwert 514 abnehmen wird. Bei einer solchen exemplarischen Bewegung wird die Strömung des Verdichters 202 an dem Punkt 514 angezeigt, während sich die Strömung des Brennstoffzellenstapels 204 an dem Punkt 510 befindet. Demzufolge ist die (durch das Rezirkulationsventil 218) umgeleitete Strömung die Differenz zwischen den Punkten 514 und 510, gezeigt als Δ_ISP. Dadurch hat die Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Verdichters 202 zur Folge, dass sich sein Betriebszustand von dem Punkt 514 zu dem Punkt 510 ändert. Während dieses Vorganges genügen sowohl die Strömung des Stapels 204 als auch der Druck weiterhin dem neuen Sollwert 510. Der Vorwärtskopplungs-Term der neuen Ventilposition gewährleistet, dass sich das Ventil 218 während einer Abwärts-Transiente schnell öffnet und während einer Aufwärts-Transiente schnell schließt, während der Rückkopplungs-Term der neuen Ventilposition von dem PID-Steuergerät 400 jeden Offsetfehler eliminieren oder jegliches Überschießen während eines transienten Zustandes mildern kann. Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung wird die Transiente dazu bringen, schneller abzulaufen, und dadurch ein Austrocknen des Stapels 204 vermeiden. Ein wichtiger positiver Nebeneffekt des Rezirkulationsventils 218 besteht darin, dass es zu verhindern hilft, dass der Verdichter 202 in die zuvor erwähnte Druckstoßzustandsbehandlung läuft, auf die in der begleitenden Anmeldung mit dem Titel REACTIVE COMPRESSOR SURGE MITIGATION STRATEGY FOR A FUEL CELL POWER SYSTEM (Anwalt-Aktenzeichen Nr. P016534) eingegangen wird, die am gleichen Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht wurde. Wenn sich das System 102 in einem stabilen Zustand befindet, wird sich das Rezirkulationsventil 218 auf der Basis einer Druckstoßsteuerung in eine Position bewegen, um zu verhindern, dass sich der Verdichter 202 über der Druckstoßlinie 506 bewegt. Das Ventil 218 wird eine minimale Strömungsrate rezirkulieren, während der Verdichter 202 bei der niedrigsten erforderlichen Drehzahl zum Erreichen der gewünschten Strömung verbleibt.
Insbesondere Bezug nehmend auf 4 umfasst das Steuergerät 400 zum Regeln des Betriebes des Verdichter-Rezirkulationsventils 218 einen Prozessor 402, der zumindest ein Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), ein wiederprogrammierbares Gate-Array oder dergleichen) sein kann, welcher kommunikativ mit einem Speicher 404 und Schnittstellen 406 und 408 (die Eingangs- bzw. Ausgangsschritten entsprechen können) gekoppelt ist. Der Prozessor 402 kann (unter anderem) einen Kathodenströmungs-Sollwert für eine von dem Verdichter 202 zu dem Brennstoffzellenstapel 204 gelieferte Gasströmung bestimmen, wobei der Kathodenströmungs-Sollwert einem erwünschten Betriebszustand des Stapels 204 entspricht, und der erwünschte Betriebszustand kann in verschiedenen Modi berechnet werden. Der erwünschte Betriebszustand kann an einen Speicher 404 zum Speichern des Zustandes weitergeleitet werden. In einer Form kann der erwünschte Betriebszustand in einem Speicher 404 als eine Nachschlagetabelle, eine Datenstruktur oder eine ähnliche Konfiguration gespeichert werden. Der Speicher 404 kann jede beliebige Art von Speicher sein, die in der Lage ist, maschinenausführbare Anweisungen zu speichern, die eine oder mehrere der hierin offenbarten Funktionen ausführen, wenn sie von dem Prozessor 402 ausgeführt werden. Der Speicher 404 kann z. B. ein RAM, ein ROM, ein Flash-Speicher, eine Festplatte, ein EEPROM, eine CD-ROM, eine DVD, andere Formen von nicht transitorischen Speichervorrichtungen oder eine beliebige Kombination solcher Speichervorrichtungen sein. Das Steuergerät 400 kann auch eines oder mehrere von einer Digitalsignal-Aufbereitungsfähigkeit, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, programmierbaren Logik-Vorrichtungen wie auch eigene Gate- oder Transistor-Hardwarekomponenten umfassen. Auf diese Weise kann das Steuergerät 400 nicht transitorische Signale erzeugen und speichern, welche verwendet werden können, um die Positionierung des Rezirkulationsventils 218 über einen oder mehrere der oben erwähnten Vorwärtskopplungswerte wie auch aus Rückkopplungs-(d. h. Integral/Differenzial)-Termen zu steuern. Der Systembetrieb kann durch Öffnen oder Schließen des Ventils 218 in Ansprechen auf den Ventilsteuerbefehl von dem Steuergerät 400 beeinflusst werden.
In einer bevorzugten Form ist zumindest ein Abschnitt des Steuergeräts 400 ausgestaltet, um insofern als eine vorwärtskopplungsgestützte Vorrichtung zu fungieren, als der Betrieb eines oder mehrerer der in 2 gezeigten Ventile in dem System (einschließlich des Rezirkulationsventils 218) auf mathematischen Modellen oder einer ähnlichen Charakterisierung des Brennstoffzellensystems 102 basiert, wobei Programmelemente, die solchen Modellen entsprechen, in den Speicher 404 geladen werden können. Auf diese Weise können durch Kombinieren des mathematischen Modells des Betriebes von Teilen des oder des gesamten Brennstoffzellensystems 102 in den Algorithmus in dem Steuergerät 400 von dem Steuergerät 400 entsprechende Steueraktivitäten auf der Basis bekannter Systemparameter (wie z. B. jenen, die erfasst, gemessen oder sonst wie in den Algorithmus eingebracht werden) ausgeführt werden. Wie oben angeführt, kann eine Optimierung des Betriebes des Brennstoffzellensystems 102 durch Kombinieren von Vorwärtskopplungs-Elementen mit einigen rückkopplungsgestützten Elementen verbessert werden, da die Vorwärtskopplungs-Steuerung für die Schnelligkeit von Übergängen bevorzugt wird, während die Rückkopplung benötigt wird, um kleine Stationärzustandsfehler zu reduzieren.
Das Steuergerät 400 kommuniziert mit verschiedenen Vorrichtungen in dem Brennstoffzellensystem 102 und sorgt in einigen Fällen entweder für eine direkte oder indirekte Kontrolle über andere Vorrichtungen wie z. B. das Rezirkulationsventil 218, den Verdichter 202 und andere Komponenten. Das Steuergerät 400 empfängt auch entweder direkt oder indirekt Sensormessungen von dem Brennstoffzellensystem 102, um den Betrieb des Systems zu überwachen. Das Steuergerät 400 kann z. B. Temperatur-, Druck-, Strömungs-, Dichte-, Ventilpositions-, Drehzahl- oder andere Messungen von Sensoren empfangen, die dem Verdichter 202, dem Rezirkulationsventil 218 oder dergleichen zugeordnet sind. Darüber hinaus kann das Steuergerät 400 auch Sensorablesungen von anderen Vorrichtungen (z. B. einem Strömungsmessgerät 220, Sensoren, die einem anderen Ventil 214, 216 zugeordnet sind, oder dergleichen) empfangen. Es sollte einzusehen sein, dass beliebig viele von verschiedenen Kombinationen von Sensoren und Sensorausgestaltungen verwendet werden können, ohne von den Prinzipien oder Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die Verbindungen 410, 412 und 414 können eine beliebige Kombination aus verkabelten oder kabellosen Verbindungen sein, die Verbindungen zwischen dem Steuergerät 400 und dem Verdichter 202, dem Rezirkulationsventil 218, dem Kathoden-Sperrventil 216, dem Umgehungsventil 214 und anderen Vorrichtungen bereitstellen. In einigen Ausführungsformen sind die Verbindungen 410, 412 und 414 Teil einer gemeinsamen Datenleitung, die Messdaten zu dem Steuergerät 400 und Steuerbefehle zu den Vorrichtungen des Brennstoffzellensystems 102 überträgt, die mit dem Steuergerät 400 verbunden sind. In noch anderen Ausführungsformen können die Verbindungen 410, 412 und 414 eine oder mehrere intermediäre Schaltungen (z. B. andere Mikrocontroller, Signalfilter etc.) umfassen und eine indirekte Verbindung zwischen dem Steuergerät 400, dem Verdichter 202, dem Rezirkulationsventil 218 und anderen Vorrichtungen 434 bereitstellen.
Die Schnittstelle 408 ist ausgebildet, um Messdaten zu empfangen und um Steuerbefehle an das Rezirkulationsventil 218, den Verdichter 202 und andere Vorrichtungen zu übertragen. Die Schnittstelle 408 kann z. B. einen oder mehrere kabellose/n Transceiver umfassen, falls irgendeine der Verbindungen 410, 412 und 414 eine kabellose Verbindung ist. Die Schnittstelle 408 kann auch einen oder mehrere verkabelte/n Anschlüsse umfassen, falls irgendeine der Verbindungen 410, 412 und 414 eine verkabelte Verbindung ist. Die Schnittstelle 408 kann auch eine Schaltung umfassen, die ausgestaltet ist, um empfangene Messdaten digital abzutasten oder zu filtern. Die Schnittstelle 408 kann z. B. Temperaturdaten abtasten, die von einem Temperatursensor des Verdichters 202 über die Verbindung 412 zu diskreten Zeitpunkten (z. B. k, k + 1, k + 2 etc.) empfangen werden, um diskrete Temperaturwerte (z. B. T(k), T(k + 1), T(k + 2) etc.) zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 400 über die Verbindung 436 auch mit Schnittstellenvorrichtungen 440 (z. B. einem Display, einem Lautsprecher, einem Drucker oder einer beliebigen anderen elektronischen Vorrichtung, die Daten an einen Benutzer bereitstellt oder von diesem empfängt) kommunizieren. Das Steuergerät 400 kann auch über die Verbindung 438 mit anderen Rechensystemen 442 (z. B. einem anderen Steuergerät, einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, einem Server oder dergleichen) kommunizieren. Die Verbindungen 436 und 438 können verkabelte oder kabellose Verbindungen sein. Andere Rechensysteme 442 können z. B. einen Server umfassen, der sich von dem Fahrzeug 100 entfernt befindet, und die Verbindung 422 kann eine kabellose Verbindung sein. Beispielsweise kann ein Server 400 Zustandsbedingungsinformationen über eine Mobiltelefon-, Wi-Fi-, Funk- oder Satellitenverbindung oder dergleichen an den Server weiterleiten. Die Schnittstelle 406 kann auch einen oder mehrere Transceiver umfassen, welche/r ausgestaltet ist/sind, um Standortinformationen für das Fahrzeug 100 zu senden und zu empfangen. Die Schnittstelle 406 kann z. B. einen GPS-Empfänger oder einen mobilen Empfänger umfassen, der eine Triangulation verwendet, um den Standort des Fahrzeuges 100 zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen können die Schnittstellen 406 und 408 eine einzige Schnittstelle für das Steuergerät 400 sein.
Das Steuergerät 400 verwendet die Sollwerte für das Druckverhältnis, den Druckstoß-Randbereich oder die Strömungsrate, um das Rezirkulationsventil 218 wie auch die anderen Ventile zu regeln. Das Steuergerät 400 kann z. B. eine erforderliche Ventilposition für das Rezirkulationsventils 218 bestimmen, die den Betriebszustand des Verdichters 202 von der Druckstoßlinie des Verdichterkennfeldes 50 weg bewegt. Dann erzeugt das Steuergerät 400 einen Rezirkulationsventil-Steuerbefehl, der bewirkt, dass sich das Rezirkulationsventil 218 entsprechend öffnet oder schließt.
Die Parameter 432, welche die Funktionen des Steuergeräts 400 verändern können, können einen oder mehrere Schwellenwerte für die Drehzahl des Verdichters 202, Temperaturschwellen oder ein Druckstoßzustand-Zeitlimit umfassen. Diese Parameter 432 können auch Werte umfassen, die Funktionen des Steuergeräts 400 aktivieren oder deaktivieren. Solche Parameter 432 können z. B. auch jene umfassen, die bestimmen, ob ein Druckstoßminderer aktiv ist. Ebenso können die Parameter 432 ferner Werte umfassen, die bestimmen, wie Informationen über das Brennstoffzellensystem 102 an die Schnittstellenvorrichtungen 440 oder an andere Rechensysteme 442 übertragen werden (z. B. wie oft, welches Format und dergleichen).
In einigen Fällen können einige oder alle der Parameter 432 (z. B. durch den Hersteller des Steuergeräts 400, den Hersteller des Fahrzeugs 100 oder dergleichen) vorab in den Speicher 404 geladen werden. In anderen Fällen können einige oder alle der Parameter 432 über die Schnittstellenvorrichtungen 440 oder andere Rechensysteme 442 an das Steuergerät 400 bereitgestellt werden. Überdies können einige oder alle der Parameter 432 über die Schnittstellenvorrichtungen 440 oder andere Rechensysteme 442 aktualisiert oder gelöscht werden.
Wenngleich das Steuergerät 400 als eine singuläre Vorrichtung gezeigt ist, sollte einzusehen sein, dass dies rein exemplarisch ist und nicht als einschränkend zu verstehen ist. Der Prozessor 402 kann z. B. beliebig viele Prozessoren von beliebig vielen Rechenvorrichtungen umfassen, welche die in dem Speicher 404 gespeicherten Anweisungen ausführen. Gleichermaßen kann der Speicher 404 beliebig viele Speichervorrichtungen umfassen und ist nicht auf Speichervorrichtungen beschränkt, die sich in demselben Gehäuse befinden wie der Prozessor 402.
In einigen Fällen kann sich der Prozessor 402 oder der Speicher 404 sogar außerhalb des Fahrzeuges 100 befinden.
Der Strömungs-Vorgabewert für das Rezirkulationsventil 218 wird unter Verwendung des Verdichterkennfeldes 500 und des Kathodenströmungs-Sollwerts berechnet. Wie oben angeführt, entspricht dieser Strömungs-Vorgabewert einer vorhergesagten Strömung und alle derartigen Berechnungen dienen der Vorhersage. Indem er ein prädiktiver Parameter ist, vermag dieser Strömungswert die Zeit und die Unsicherheit in Verbindung mit Betriebstransienten zu reduzieren. Ein Gasströmungs-Sollwert für den Verdichtereinlass 202A wird durch das Verdichterkennfeld 500 bei einem Drehzahl- und Druckverhältnis über den Verdichter 500 bestimmt. Der Verdichterdruckverhältnis-Sollwert PR^Sp kann z. B. berechnet werden als:
wobei p Sp / CmprOut der Druck-Sollwert an dem Auslass 202B des Verdichters 202 ist und p Sp / CmprIn der Druck-Sollwert an dem Einlass 202A des Verdichters 202 ist. Der korrigierte Gasströmungs-Sollwert des Verdichtereinlasses 202A wird durch das Verdichterkennfeld 500 wie folgt bestimmt: m . SpCrtd / CmprDchrg = Map_Cmpr(nn Crtd / Cmpr, PR^Sp) wobei m . SpCrtd / CmprDchrg der korrigierte Verdichtereinlass-Gasströmungs-Sollwert ist, der aus dem Drehzahl- und Druckverhältnis über den Verdichter 202 hinweg bestimmt wird. Der endgültige Gasströmungs-Sollwert für den Verdichtereinlass 202A wird von dem korrigierten Wert umgewandelt:
wobei T Sp / CmprIn der Temperatur-Sollwert an dem Verdichtereinlass 202A von dem Rezirkulationsventil 218 ist. Der Strömungswert für das Rezirkulationsventil 218 wird unter Verwendung der Differenz zwischen dem endgültigen Gasströmungs-Sollwert für den Verdichtereinlass 202A (m . Sp / CmprDchrg) und dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert (m . Req / CmprAssmDchrg) berechnet. m . sp / RcrcVlv = m . Sp / CmprDchrg – m . Req / CmprAssmDchrg
Der Strömungs-Sollwert (m . sp / RcrcVlv) für das Rezirkulationsventil 218 ist gegen Null abgeflacht, wenn der endgültige Gasströmungs-Sollwert (m . Sp / CmprDrchrg) für den Verdichtereinlass 202A kleiner ist als der Stapelkathodenströmungs-Sollwert (m . Req / CmprAssmDchrg) .
Der angeforderte Ventil-kVlv-Wert für den Vorwärtskopplungs-Term der Position des Rezirkulationsventils 218 wird auf der Basis des Ventil-Modells für eine subkritische Gasströmung berechnet als:
und für eine kritische Gasströmung wie folgte berechnet als:
wobei M_caSplyAir das Molekulargewicht des Gases durch das Rezirkulationsventil 218 hindurch ist, m . sp / RcrcVlv die zuvor berechnete, von dem Rezirkulationsventil 218 umgeleitete Strömung ist, T_CmprOut die Temperatur an dem Auslass 202B des Verdichters 202 ist, p Sp / CmprOut der Druck-Sollwert an dem Auslass 202B des Verdichters 202 ist, p Sp / CmprIn der Druck-Sollwert an dem Einlass 202A des Verdichters 202 ist, und a und b die Koeffizienten aus der Umrechnung für die Einheiten für die subkritische bzw. kritische Gasströmung sind. In einigen Ausführungsformen entsprechen a und b 4,633 bzw. 5,375. Das Maximum der subkritischen und kritischen Gasströmungswerte kann dann als die angeforderte Position des Rezirkulationsventils 218 verwendet werden: kVlv Req / CmprRcrccVlv = Max(kVlv Req,Subcrtcl / CmprRcrcVlv, kVlv Req,Crtcl / CmprRcrcVlv)
Der endgültige kVlv-Wert des Ventils 218 wird aus dem oben berechneten Vorwärtskopplungs-kVlv-Wert und dem Rückkopplungs-kVlv von dem PID-Steuergerät 400 berechnet, und dieser wird mithilfe einer Nachschlagetabelle oder eines anderen, auf der Ventilcharakteristik basierenden Verfahrens, in die neue Ventilposition umgewandelt. Dann wird der Rezirkulationsventil-Befehl erzeugt und über die Schnittstellen 406 gesendet, die bewirken, dass das Rezirkulationsventil 218 die Positionen ändert. Der Befehl wird durch einen oder beide von einem rückkopplungsgestützten (d. h. einem Integral/Differenzial)-Wert und einem vorwärtskopplungsgestützten (d. h. Sollwert)-Wert erzeugt, welcher besonders gut für ein schnelles Ansprechen auf eine transiente Strömung geeignet ist.
Mithilfe der obigen Ventilgleichungen wird die vorhergesagte Position des Rezirkulationsventils 218 als ein Vorwärtskopplungs-Term an das PID-Steuergerät 400 auf der Basis eines Ventil-Modells mit dem Eingang eines/r vorherbestimmten Strömung, Temperatur, Druckes und anderer Eingänge berechnet. In einer speziellen Form verwendet die Erfindung die in dem Verdichterkennfeld 500 gespeicherten Informationen, um den Vorwärtskopplungs-Term der Position des Ventils 218 zu berechnen, der nach einer Anweisung von dem Steuergerät 400 das Ventil 218 dazu bringen kann, sich während Abwärts- oder Aufwärts-Transienten im Vergleich zu einer rein rückkopplungsgestützten Steuerstrategie schnell zu bewegen. Fachleute werden einsehen, dass die obigen Gleichungen exemplarisch sind, und dass andere Gleichungen verwendet werden können, um die vorhergesagte Position des Ventils 218 hervorzubringen; solche anderen Gleichungen liegen, sofern sie verwendet werden, um dabei zu helfen, eine zukünftige Position für das Rezirkulationsventil 218 vorherzusagen, um dem Strömungs-Sollwert des Brennstoffzellenstapels 204 zu genügen, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenbarung.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 5A, 5B, 6A und 6B sind Ergebnisse für eine Rezirkulationsventilströmungs-Steuerung nach dem Stand der Technik (5A und 6A) und der vorliegenden Offenbarung (5B und 6B) gezeigt. Speziell Bezug nehmend auf 5A erscheinen Differenzen in dem Stapelströmungs-Sollwert 610 und der Stapelströmungs-Rückkopplung 620 als Fehler 630, während der Austrocknungsbereich 640 zwischen dem Stapelströmungs-Sollwert 610 und der Stapelströmungs-Rückkopplung 620 über eine beträchtliche Zeitspanne (wie gezeigt, ungefähr 4 Sekunden) groß ist; dies kann zu einem Austrocknen der verschiedenen Kathoden des Stapels 204 führen. Speziell Bezug nehmend auf 5B werden Differenzen in dem Stapelströmungs-Sollwert 710 und der Stapelströmungs-Rückkopplung 720 sofort aufgelöst; dies bedeutet wiederum, dass der Austrocknungsbereich 740 minimiert wird, was einer reduzierten Kathoden-Austrocknung und einer verbesserten Stapelleistung und -haltbarkeit entspricht. Speziell Bezug nehmend auf 6A steigt der Kathodenstapelströmungs-Sollwert 610 vorübergehend an, gefolgt von einer raschen Abnahme. Dies geschieht in Verbindung mit Anodenwasserstoff-Ablassvorgängen, bei denen Anodenwasser und -stickstoff vorübergehend aus dem System „aufgestoßen” werden. Ähnlich wie 5A zeigt 6A Austrocknungsbereiche 640 für die Kathode, wobei der/die Stapelströmungs-Sollwert 610 und -Rückkopplung 620 getrennt sind, während in 6B die offenbarte Erfindung die Situation bereinigt, indem der Sollwert 710 und die Stapelströmungs-Rückkopplung 720 dazu gebracht werden, viel besser zu korrelieren, um dadurch den Austrocknungsbereich 740 zu reduzieren.
Während die vorliegende Offenbarung insbesondere mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

402: Prozessor
404: Speicher
422: Systemüberwachung
424: Verdichter-Steuergerät
426: Ventil-Steuergerät
428: Ventil-Modelle
430: Druckabnahme-Modelle
432: Parameter
434: Andere Vorrichtungen
440: Schnittstellenvorrichtungen
442: Andere Rechensysteme

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verdichter-Rezirkulationsventils für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Stapelkathodenströmungs-Sollwert für eine von einem Auslass eines Verdichters einer Kathode einer Brennstoffzelle zugeführte Gasströmung empfangen wird; ein Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert für die zugeführte Gasströmung unter Verwendung von Verdichter-Betriebsdaten und des Stapelkathodenströmungs-Sollwertes berechnet wird; ein Vorwärtskopplungs-Term, der einer neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, durch Verwenden des Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewerts berechnet wird; ein Rückkopplungs-Term, der einer neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, über eine PID-Steuerstrategie auf der Basis eines Fehlers zwischen dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert und dem Rückkopplungs-Term erzeugt wird; und ein Rezirkulationsventil-Steuerbefehl auf der Basis des Vorwärtskopplungs-Terms und des Rückkopplungs-Terms erzeugt wird, welcher eine Betätigung des Rezirkulationsventils bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eines von dem Empfangen, Berechnen und Erzeugen während einer Betriebstransiente des Brennstoffzellensystems stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Betriebstransiente eine Abwärts-Betriebstransiente ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert aus einem Verdichterkennfeld bestimmt wird, sodass der Rezirkulationsventilströmungswert unter Verwendung einer Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Kathodenströmungs-Sollwert berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Rezirkulationsventilströmungswert unter Verwendung einer Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Kathodenströmungs-Sollwert berechnet wird.
Steuergerät für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem, umfassend: zumindest einen Prozessor; und einen nicht transitorischen Speicher in Datenaustauschverbindung mit dem zumindest einen Prozessor, wobei der Speicher Maschinenanweisungen speichert, die, wenn sie von dem zumindest einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der zumindest eine Prozessor: einen Stapelkathodenströmungs-Sollwert für eine von einem Auslass eines Verdichters einer Kathode einer Brennstoffzelle zugeführte Gasströmung empfängt; einen Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert für eine Gasströmung zu einem Rezirkulationsventil von dem Auslass des Verdichters unter Verwendung eines Verdichterkennfeldes und des Stapelkathodenströmungs-Sollwertes berechnet, wobei das Rezirkulationsventil den Auslass des Verdichters mit einem Einlass des Verdichters fluidtechnisch verbindet; einen Vorwärtskopplungs-Term, der einer neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, durch Verwenden des Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewerts berechnet; einen Rückkopplungs-Term, welcher der neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, über eine PID-Steuerstrategie auf der Basis eines Fehlers zwischen dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert und dem Rückkopplungs-Term erzeugt; und einen Rezirkulationsventil-Steuerbefehl auf der Basis des Vorwärtskopplungs-Terms und des Rückkopplungs-Terms erzeugt, welcher eine Betätigung des Rezirkulationsventils bewirkt.
Steuergerät nach Anspruch 6, wobei die Anweisungen ferner bewirken, dass der zumindest eine Prozessor eine Differenz zwischen dem Verdichtereinlassgasströmungs-Sollwert und dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert berechnet, um den Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert zu bestimmen, sodass die geänderte Position des Rezirkulationsventils durch einen Vorwärtskopplungswert und zumindest einen von einem Integralwert und einem Ableitungswert in dem Steuergerät bestimmt wird.
Fahrzeug-Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, von denen jede eine Kathode umfasst; einen Verdichter mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass fluidtechnisch mit dem Stapel verbunden ist, um ein Reaktandengas an die Kathoden bereitzustellen; ein Rezirkulationsventil, das mit dem Einlass und dem Auslass des Verdichters funktionell verbunden ist; und ein Steuergerät mit zumindest einem Prozessor und einem nicht transitorischen Speicher in Signalverbindung mit dem zumindest einen Prozessor, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem zumindest einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der zumindest eine Prozessor: einen Stapelkathodenströmungs-Sollwert für eine Gasströmung zu den Kathoden empfängt; einen Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert für eine Gasströmung zu dem Rezirkulationsventil unter Verwendung von Betriebsdaten berechnet, die den Verdichter und den Stapelkathodenströmungs-Sollwert betreffen; und einen Rezirkulationsventil-Steuerbefehl erzeugt, welcher bewirkt, dass das Rezirkulationsventil die Positionen ändert.
System nach Anspruch 8, wobei die Anweisungen, die bewirken, dass der zumindest eine Prozessor einen Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewert berechnet, ferner Anweisungen umfassen, die den zumindest einen Prozessor dazu bringen, dass er: einen Vorwärtskopplungs-Term, der einer neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, durch Verwenden des Rezirkulationsventilströmungs-Vorgabewerts berechnet; und einen Rückkopplungs-Term, der der neuen Rezirkulationsventil-Position entspricht, über eine PID-Steuerstrategie auf der Basis eines Fehlers zwischen dem Stapelkathodenströmungs-Sollwert und dem Rückkopplungs-Term erzeugt.
System nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend eine Datenübertragungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um den Rezirkulationsventil-Steuerbefehl zwischen dem Steuergerät und dem Rezirkulationsventil zu übermitteln.