DE102019218042A1 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer fluiddurchströmten Komponente, fluiddurchströmte Komponente und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer fluiddurchströmten Komponente, fluiddurchströmte Komponente und Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer mit Hilfe eines Elektromotors (2) angetriebenen, fluiddurchströmten Komponente (1) für ein Brennstoffzellensystem, bei dem mit Hilfe mindestens eines Sensors (3), insbesondere mit Hilfe eines Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensors, erzeugte Messsignale (4) aufbereitet und bei der Steuerung und/oder Regelung berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß werden die Messsignale (4) zur Aufbereitung an einen dem Elektromotor (2) vorgeschalteten Inverter (5), insbesondere an einen CAN-Bus (6) des Inverters (5), geleitet.Die Erfindung betrifft ferner eine fluiddurchströmte Komponente (1), insbesondere einen Luftverdichter, für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer fluiddurchströmten Komponente für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei der Komponente kann es sich insbesondere um einen Luftverdichter handeln, der in einem Kathodengaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine fluiddurchströmte Komponente, insbesondere einen Luftverdichter, für ein Brennstoffzellensystem, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Komponente.
  • Stand der Technik
  • Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems kann chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Brennstoffzellensystem benötigt hierzu Wasserstoff und Sauerstoff. Die auf diese Weise gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise zum Antreiben einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer als Fahrzeugantrieb dienenden elektrischen Maschine, genutzt werden. Während der benötigte Wasserstoff an Bord des Fahrzeugs in geeigneten Tanks vorgehalten wird, kann der ferner benötigte Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden.
  • Der Sauerstoff bzw. die Luft wird über einen Luftversorgungspfad mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung werden ein gewisser Luftmassenstrom und ein gewisser Druck gefordert. In der Regel ist daher im Luftversorgungspfad ein elektromotorisch angetriebener Luftverdichter angeordnet. Zugleich werden der Luftmassenstrom, der Druck und/oder die Temperatur im Bereich des Luftverdichters mit Hilfe einer Vielzahl an Sensoren überwacht. Ergibt die Überwachung, dass die Sauerstoffversorgung nicht ausreichend ist, kann die Steuerung bzw. Regelung des Luftverdichters entsprechend angepasst werden.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Komplexität eines Brennstoffzellensystems zu reduzieren.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner werden eine fluidführende Komponente für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer mit Hilfe eines Elektromotors angetriebenen, fluiddurchströmten Komponente für ein Brennstoffzellensystem. Bei dem Verfahren werden mit Hilfe mindestens eines Sensors, insbesondere mit Hilfe eines Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensors, erzeugte Messsignale aufbereitet und bei der Steuerung und/oder Regelung berücksichtigt. Erfindungsgemäß werden die Messsignale zur Aufbereitung an einen dem Elektromotor vorgeschalteten Inverter, insbesondere an einen CAN-Bus des Inverters, geleitet.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach ein Inverter bzw. ein CAN-Bus des Inverters zur Aufbereitung der Messsignale des mindestens einen Sensors genutzt. Die Nutzung der Logik des Inverters ermöglicht eine Reduzierung der an die fluidführende Komponente angebauten Elektronik und Anschlüsse. Insbesondere kann die Anzahl von Kabelbaum-Steckanschlüssen reduziert werden. Auf diese Weise wird nicht nur das System vereinfacht, sondern ferner wird Bauraum gewonnen.
  • Die vorstehend genannten Vorteile treten besonders deutlich zu Tage, wenn die fluidführende Komponente und der Inverter konstruktiv verbunden sind, beispielsweise über ein gemeinsames Gehäuse. Da der elektromotorische Antrieb der fluidführenden Komponente üblicherweise einen Inverter erfordert, muss dieser nicht erst gesondert vorgesehen werden. Das heißt, dass auf einen bereits vorhandenen Inverter zurückgegriffen werden kann.
  • Die Aufbereitung der Messsignale des mindestens einen Sensors mit Hilfe des Inverters bzw. mit Hilfe des CAN-Busses des Inverters kann bereits eine Auswertung der Messsignale beinhalten. Die Aufbereitung der Messsignale kann aber auch lediglich darin bestehen, dass der Inverter die Messsignale an eine ferner vorgesehene Auswerteeinheit und/oder an ein Steuergerät weiterleitet. Bei dem Steuergerät kann es sich insbesondere um ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems („Fuel Cell Control Unit“, FCCU) handeln. Sofern die Aufbereitung der Messsignale mit Hilfe des Inverters bzw. mit Hilfe des CAN-Busses des Inverters eine Auswertung der Messsignale beinhaltet, kann hierüber eine Entlastung des Steuergeräts des Brennstoffzellensystems bewirkt werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Messsignale des mindestens einen Sensors mit Hilfe des Inverters, insbesondere mit Hilfe des CAN-Busses des Inverters, an ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems weitergeleitet werden.
  • In Abhängigkeit von der Art des mindestens einen Sensors, können die Messsignale Aufschluss über die Temperatur, den Druck und/oder den Massenstrom des die Komponente durchströmenden Fluids geben. Die Messsignale beziehen sich bevorzugt auf Parameter, die für den Betrieb des Brennstoffzellensystems von Bedeutung sind und daher mit Hilfe des mindestens einen Sensors überwacht werden. Bei einer festgestellten Abweichung kann gegengesteuert bzw. nachgeregelt werden. Gleiches gilt bei einer Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts. Bei Bedarf kann ein Derating vorgenommen werden.
  • Um den Verlauf eines Parameters über die Zeit besser bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, dass zur Aufbereitung der Messsignale mit Hilfe des Inverters, insbesondere mit Hilfe des CAN-Busses des Inverters, Ableitungen und/oder Integrationen gebildet werden. Die Steigung eines im Wege der Ableitung gewonnenen Gradienten gibt Aufschluss über die Dynamik einer Parameteränderung. Somit kann bei Bedarf schnell reagiert bzw. eingriffen werden. Da die Erzeugung von Ableitungen und Integrationen besonders rechenintensiv ist, kann mit Hilfe der vorgeschlagenen dezentralen Signalverarbeitung eine deutliche Entlastung des Steuergeräts des Brennstoffzellensystem (FCCU) erzielt werden.
  • Bei der mindestens einen fluiddurchströmten Komponente kann es sich insbesondere um einen Luftverdichter handeln, der in einem Luftversorgungs- bzw. Kathodengaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Das Fluid, das die Komponente durchströmt, ist in diesem Fall Luft. Darüber hinaus kann es sich bei der fluiddurchströmten Komponente um eine Pumpe oder ein Gebläse handeln, die bzw. das in einem Anodengas- oder Rezirkulationspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Das Fluid ist dann vorrangig Wasserstoff.
  • Darüber hinaus wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe eine fluiddurchströmte Komponente für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, die mit Hilfe eines Elektromotors antreibbar ist. In oder an der Komponente ist mindestens ein Sensor, insbesondere ein Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensor, angeordnet, der erfindungsgemäß in datenübertragender Weise mit einem Inverter, insbesondere mit einem CAN-Bus des Inverters zur Aufbereitung von Messsignalen des Sensors verbunden ist. Die vorgeschlagene fluiddurchströmte Komponente ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der fluiddurchströmten Komponente nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, werden die gleichen Vorteile erzielt. Insbesondere kann eine Reduzierung der Elektronik und/oder der Anschlüsse, insbesondere der Kabelbaum-Steckanschlüsse, erreicht werden, so dass das System vereinfacht wird. Ferner kann Bauraum gewonnen werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die fluiddurchströmte Komponente insbesondere ein Luftverdichter sein. Mit Hilfe des mindestens einen Sensors kann dann die Temperatur, der Druck und/oder der Massenstrom der Luft im Bereich des Luftverdichters erfasst bzw. überwacht werden.
  • Alternativ kann die fluiddurchströmte Komponente eine Pumpe oder ein Gebläse sein, die bzw. das in einem Anodengas- oder Rezirkulationspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Bei dem Fluid handelt es sich in diesem Fall vorrangig um Wasserstoff.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Inverter an die fluiddurchströmte Komponente angebaut. Er bildet somit eine Baueinheit mit der Komponente aus. Auf diese Weise können Leitungswege verkürzt werden. Der Inverter kann auch mit der Komponente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Sensor in den Inverter integriert ist. Die Integration des Sensors in den Inverter ermöglicht eine weitere Verkürzung der Leitungswege. Zudem müssen die Leitungen nicht nach außen geführt werden und sind somit optimal geschützt.
  • Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass im Inverter ein fluiddurchströmter Kanal ausgebildet ist, der in Strömungsverbindung mit einem Einlass der fluiddurchströmten Komponente steht. Das Fluid wird demnach über den Kanal des Inverters der Komponente zugeführt. Sofern der mindestens eine Sensor in den Inverter integriert ist, kann dieser in oder zumindest an dem Kanal angeordnet werden, so dass der Sensor in Kontakt mit dem Fluid gelangt, das den Kanal durchströmt. Auf diese Weise kann eine besonders kompakt bauende Anordnung erreicht werden. Zugleich wird eine hochintegrierte Einheit geschaffen, die insbesondere für den Einbau in ein Brennstoffzellensystem geeignet ist.
  • Da der bevorzugte Anwendungsbereich ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Komponente vorgeschlagen. Die fluiddurchströmte Komponente ist dabei bevorzugt ein Luftverdichter im Luftversorgungspfad des Brennstoffzellensystems. Die Vorteile der erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Komponente erstrecken sich auch auf das Brennstoffzellensystem. Insbesondere kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Komponente die Komplexität des Brennstoffzellensystems verringert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der Signalübertragung vom Sensor zum Steuergerät,
    • 2 eine einfache perspektivische Darstellung eines Inverters mit CAN-Bus und
    • 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Komponente für ein Brennstoffzellensystem.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Anhand der 1 wird zunächst das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Dargestellt sind eine fluiddurchströmte Komponente 1, wobei es sich beispielsweise um einen Luftverdichter handeln kann. Die Komponente 1 umfasst ein Gehäuse 8, in das ferner ein Inverter 5 aufgenommen ist. In die Komponente 1 ist zudem mindestens ein Sensor 3 integriert, beispielsweise ein Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensor.
  • Die in der 1 dargestellte Anordnung ist lediglich beispielhaft gewählt und für das Verfahren nicht zwingend. Beispielsweise könnte der Inverter 5 auch separat angeordnet oder an das Gehäuse 8 lediglich angebaut sein. Ferner könnte der mindestens eine Sensor 3 auch in den Inverter 5 integriert oder an einer fluidführenden Leitung angeordnet sein.
  • In der 1 sind ferner ein CAN-Bus 6 und ein Steuergerät 7 dargestellt, wobei der CAN-Bus 6 dem Inverter 5 zugeordnet ist und vorzugsweise eine Baueinheit mit dem Inverter 5 bildet. Beispielsweise kann der CAN-Bus 6 außen am Inverter 5 angeordnet sein, wie beispielhaft in der 2 dargestellt.
  • Im Betrieb wird die Komponente 1 von einem Fluid, im Falle eines Luftverdichters von Luft, durchströmt. Mit Hilfe des mindestens einen Sensors 3 wird bzw. werden die Temperatur, der Druck und/oder der Massenstrom des Fluids im Bereich der Komponente 1 überwacht. Die mit Hilfe des Sensors 3 erzeugten Messsignale 4 werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung an den Inverter 5 geleitet, der diese auf den CAN-Bus 6 legt. Mit Hilfe des CAN-Busses 6 können Ableitungen und/oder Integrationen gebildet und anschließend als aufbereitete Messsignale 4' an das Steuergerät 7 übergeben werden, das dann die endgültige Auswertung vornimmt. Besonders rechenintensive Signalverarbeitungen können somit vorweggenommen und das Steuergerät 7 damit entlastet werden.
  • Der 3 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße fluiddurchströmte Komponente 1 in Form eines elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters zu entnehmen. Der Luftverdichter weist einen Verdichter 9 und eine Turbine 10 auf, die über eine gemeinsame Welle 11 von einem Elektromotor 2 angetrieben werden. Zur Umwandlung von Gleichstrom in Drehstrom ist üblicherweise ein Inverter 5 vorgesehen (in der 3 nicht dargestellt). Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach ein bereits vorhandener Inverter 5 mit CAN-Bus 6 genutzt werden. Der Inverter 5 muss lediglich über eine Signalleitung mit dem mindestens einen Sensor 3 verbunden werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer mit Hilfe eines Elektromotors (2) angetriebenen, fluiddurchströmten Komponente (1) für ein Brennstoffzellensystem, bei dem mit Hilfe mindestens eines Sensors (3), insbesondere mit Hilfe eines Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensors, erzeugte Messsignale (4) aufbereitet und bei der Steuerung und/oder Regelung berücksichtigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale (4) zur Aufbereitung an einen dem Elektromotor (2) vorgeschalteten Inverter (5), insbesondere an einen CAN-Bus (6) des Inverters (5), geleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale (4) mit Hilfe des Inverters (5), insbesondere mit Hilfe des CAN-Busses (6) des Inverters (5), an ein Steuergerät (7) des Brennstoffzellensystems weitergeleitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung der Messsignale (4) mit Hilfe des Inverters (5), insbesondere mit Hilfe des CAN-Busses (6) des Inverters (5), Ableitungen und/oder Integrationen gebildet werden.
  4. Fluiddurchströmte Komponente (1), insbesondere Luftverdichter, für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Komponente (1) mit Hilfe eines Elektromotors (2) antreibbar ist und wobei in oder an der Komponente (1) mindestens ein Sensor (3), insbesondere ein Temperatur-, Druck- und/oder Massenstromsensor, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (3) in datenübertragender Weise mit einem Inverter (5), insbesondere mit einem CAN-Bus (6) des Inverters (5) zur Aufbereitung von Messsignalen (4) des Sensors (3) verbunden ist.
  5. Fluiddurchströmte Komponente (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (5) an die Komponente (1) angebaut ist und/oder der mindestens eine Sensor (3) in den Inverter (5) integriert ist.
  6. Fluiddurchströmte Komponente (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Inverter (5) ein fluiddurchströmter Kanal ausgebildet ist, der in Strömungsverbindung mit einem Einlass der fluiddurchströmten Komponente (1) steht.
  7. Brennstoffzellensystem mit einer fluiddurchströmten Komponente (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei vorzugsweise die fluiddurchströmte Komponente (1) ein Luftverdichter ist.
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