DE102020119374A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, wobei ein zeitlicher Verlauf eines Sollwerts einer elektrischen Leistung der mindestens einen Brennstoffzelle vorgesehen wird, wobei auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung eine periodische Funktion für die Leistung mit aufeinanderfolgenden Halbwellen aufmoduliert wird, wobei für jede Halbwelle der periodischen Funktion für die Leistung eine Amplitude, die auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung bezogen wird, und ein Zeitintervall vorgesehen werden, wobei die elektrische Leistung bei der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem jeweiligen Zeitpunkt angefordert wird, wobei ein Wert der Leistung, der sich zu dem jeweiligen Zeitpunkt aus dem Sollwert der Leistung und dem Wert der periodischen Funktion ergibt, kleiner als ein zulässiger maximaler Grenzwert für die Leistung und größer als ein zulässiger minimaler Grenzwert für die Leistung eingestellt wird, wobei die jeweiligen Halbwellen der periodischen Funktion für die Leistung relativ zu dem Verlauf des Sollwerts der Leistung asymmetrisch aufmoduliert werden, wobei der über eine Periode der periodischen Funktion der Leistung gemittelte Wert der Leistung im Wesentlichen dem Sollwert der Leistung entspricht.The invention relates to a method for operating a fuel cell system that has at least one fuel cell, with a time profile of a target value of an electrical power of the at least one fuel cell being provided, with a periodic function for the power with successive half-waves being modulated onto the profile of the target value of the power is provided for each half-wave of the periodic function for the power, an amplitude, which is related to the course of the target value of the power, and a time interval are provided, wherein the electrical power is requested from the at least one fuel cell at a particular point in time, wherein a value of the power, which at the respective point in time results from the setpoint value of the power and the value of the periodic function, is set to be less than a permissible maximum limit value for the power and greater than a permissible minimum limit value for the power, wherein the respective half-waves of the periodic function for the power are modulated asymmetrically relative to the course of the nominal value of the power, the value of the power averaged over a period of the periodic function of the power essentially corresponding to the nominal value of the power.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Energiesystem.The invention relates to a method for operating a fuel cell system and an energy system.
Ein Brennstoffzellensystem kann als elektrische Energiequelle für eine Vorrichtung verwendet werden.A fuel cell system can be used as an electric power source for an apparatus.
Ein Brennstoffzellensystem ist aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Eine Computervorrichtung zur Erzeugung einer gleichmäßigen Erhitzung in einem Auspuffsystem ist in der Druckschrift
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem effektiv zu betreiben.Against this background, it was an object to operate a fuel cell system effectively.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Energiesystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens und des Energiesystems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.This object is achieved by a method and an energy system having the features of the independent patent claims. Embodiments of the method and the energy system emerge from the dependent patent claims and the description.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, das mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, wobei ein zeitlicher Verlauf eines Sollwerts einer elektrischen Leistung als ein elektrischer Betriebsparameter der mindestens einen Brennstoffzelle eingestellt und/oder vorgesehen wird, wobei auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung bzw. für die Leistung eine periodische Funktion für die Leistung mit aufeinanderfolgenden, sich abwechselnden positiven und negativen Halbwellen aufmoduliert wird. Durch die Aufmodulation verläuft eine jeweilige positive Halbwelle oberhalb des Verlaufs des Sollwerts der Leistung und eine jeweilige negative Halbwelle unterhalb des Verlaufs des Sollwerts der Leistung, wobei sich ein tatsächlicher Wert der Leistung zu einem Zeitpunkt aus einer Summe des Sollwerts der Leistung zu diesem Zeitpunkt und einem Wert der periodischen Funktion zu diesem Zeitpunkt ergibt. Dabei ist vorgesehen, dass für jede Halbwelle der periodischen Funktion eine Amplitude, bezogen auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung, und ein Zeitintervall bzw. eine Zeitdauer eingestellt und/oder vorgesehen werden. Die elektrische Leistung wird, üblicherweise von einem Kontrollgerät und/oder von mindestens einem Abnehmer, bei der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem jeweiligen Zeitpunkt angefordert. Ein Wert der Leistung, der sich zu dem jeweiligen Zeitpunkt aus dem Sollwert der Leistung und dem Wert der periodischen Funktion für die Leistung ergibt, wird weiterhin kleiner bzw. geringer als ein zulässiger maximaler Grenzwert für die Leistung und größer als ein zulässiger minimaler Grenzwert für die Leistung eingestellt. Die jeweiligen Halbwellen der periodischen Funktion für die Leistung werden dem Verlauf des Sollwerts der Leistung asymmetrisch aufmoduliert, wobei der über eine Periode der periodischen Funktion gemittelte Wert der so modulierten Leistung bzw. ein entsprechender Mittelwert im Wesentlichen dem Sollwert der Leistung entspricht bzw. dem Sollwert entsprechend eingestellt wird. Die positiven Halbwellen und die negativen Halbwellen können sich in Dauer und Länge von Periode zu Periode ändern, wobei innerhalb einer Periode die positive Halbwelle und die negative Halbwelle miteinander korreliert sind.The method according to the invention is provided for operating a fuel cell system that has at least one fuel cell, with a time profile of a target value of an electrical power being set and/or provided as an electrical operating parameter of the at least one fuel cell, with the profile of the target value of the power or for the power, a periodic function for the power with successive, alternating positive and negative half-waves is modulated. Due to the modulation, a respective positive half-wave runs above the course of the desired value of the power and a respective negative half-wave runs below the course of the desired value of the power, with an actual value of the power at a point in time being the sum of the desired value of the power at this point in time and a value of the periodic function at that point in time. In this case, it is provided that for each half-wave of the periodic function an amplitude, based on the course of the target value of the power, and a time interval or a time duration are set and/or provided. The electrical power is requested from the at least one fuel cell at a given point in time, usually by a control device and/or by at least one consumer. A value of the power, which results from the target value of the power and the value of the periodic function for the power at the respective point in time, continues to be smaller or lower than a permissible maximum limit value for the power and greater than a permissible minimum limit value for the power set. The respective half-waves of the periodic function for the power are asymmetrically modulated onto the progression of the target value for the power, with the value of the power modulated in this way averaged over a period of the periodic function or a corresponding mean value essentially corresponding to the target value for the power or corresponding to the target value is set. The positive half-waves and the negative half-waves can change in duration and length from period to period, with the positive half-wave and the negative half-wave being correlated with one another within a period.
In Ausgestaltung wird ein Wert der Leistung, der sich aus dem Sollwert der Leistung zuzüglich einer Amplitude einer positiven Halbwelle ergibt, kleiner als eine zulässige maximale Grenze für die Leistung eingestellt, wobei ein Wert der Leistung, der sich aus dem Sollwert der Leistung abzüglich einer Amplitude einer negativen Halbwelle der periodischen Funktion für die Leistung ergibt, größer als eine zulässige minimale Grenze für die Leistung eingestellt wird.In one embodiment, a power value that results from the power setpoint value plus an amplitude of a positive half-wave is set to be less than a permissible maximum limit for the power, with a power value that results from the power setpoint value minus an amplitude a negative half-wave of the periodic function for the power, is set to be greater than an allowable minimum limit for the power.
Hierbei ergibt sich je nach Definition eine absolute Leistung bzw. eine bei Durchführung des Verfahrens resultierende Gesamt-Leistung aus dem Sollwert der Leistung, der je nach Bedarf bzw. Anforderung eingestellt werden kann, und der Leistung, die zusätzlich gemäß der asymmetrisch aufmodulierten periodischen Funktion eingestellt bzw. vorgesehen wird, wobei diese aufgrund der periodischen Funktion eingestellte zusätzliche Leistung je nach Definition auch als relative Leistung bezeichnet werden kann, wobei sich die absolute bzw. Gesamt-Leistung aus dem Sollwert der Leistung und der relativen Leistung aufgrund der periodischen Funktion für die Leistung ergibt.Depending on the definition, an absolute power or a total power resulting from the implementation of the method results from the target value of the power, which can be set as required or required, and the power, which is also set according to the asymmetrically modulated periodic function or is provided, whereby this additional power set due to the periodic function can also be referred to as relative power, depending on the definition, with the absolute or total power being derived from the nominal value of the power and the relative power due to the periodic function for the power results.
Außerdem wird für jede sowohl positive als auch negative Halbwelle bezüglich des Verlaufs des Sollwerts der Leistung dieselbe sich durch mathematische Integration der jeweiligen Halbwelle ergebende Fläche eingestellt. In Ausgestaltung sind sämtliche Halbwellen der periodischen Funktion miteinander korreliert und weisen im Rahmen üblicher Toleranzen dieselbe Fläche auf, wobei für jede Halbwelle die Amplitude und die Dauer unter Berücksichtigung der Fläche aneinander angepasst werden.In addition, the same area resulting from mathematical integration of the respective half-wave is set for each positive as well as negative half-wave with respect to the profile of the nominal value of the power. In one embodiment, all half-waves of the periodic function are correlated with one another and have the same area within the usual tolerances, with the amplitude and duration of each half-wave being matched to one another, taking the area into account.
In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, dass der Verlauf des jeweiligen Sollwerts der Leistung in einer Zeitspanne einer Größenordnung des Zeitintervalls bzw. der Periode der periodischen Funktion üblicherweise annähernd bzw. weitgehend konstant ist.In a further embodiment, it is possible that the course of the respective target value of the power in a period of an order of magnitude of the time interval or the period of the periodic Function is usually approximately or largely constant.
Die bspw. durch ein bzw. von einem Kontrollgerät bei der mindestens einen Brennstoffzelle angeforderte Leistung ist zu einem jeweiligen Zeitpunkt von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellen, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle die jeweils bei ihr angeforderte Leistung zu liefern hat, wobei die elektrische Energie aus der mindestens einen Brennstoffzelle, bspw. einem Abnehmer, bereitgestellt wird. Dabei wird bzw. werden die periodische Funktion und somit deren Halbwellen asymmetrisch moduliert bzw. auf den zeitlichen Verlauf des Sollwerts der Leistung asymmetrisch aufmoduliert. Dabei verändert sich, bspw. oszilliert, die Leistung gemäß der periodischen Funktion für die Leistung um den Verlauf des Sollwerts der Leistung innerhalb der beiden zulässigen Grenzen bzw. zwischen der maximalen und minimalen Grenze für die Leistung, die als Einhüllende die Leistung, die von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellen ist, begrenzen. Eine Modulation der periodischen Funktion für die Leistung ist üblicherweise nur im hardwareseitigen Leistungsbereich möglich.The power requested, for example, by or from a control device in the at least one fuel cell, must be provided by the at least one fuel cell at a given point in time, with the at least one fuel cell having to deliver the power requested for it, with the electrical energy coming from the at least one fuel cell, e.g. a customer, is provided. In this case, the periodic function and thus its half-waves is or are asymmetrically modulated or modulated asymmetrically onto the time course of the reference value of the power. The power changes, e.g. oscillates, according to the periodic function for the power around the curve of the target value for the power within the two permissible limits or between the maximum and minimum limits for the power, which as the envelope is the power from the is to provide at least one fuel cell limit. A modulation of the periodic function for the power is usually only possible in the hardware power range.
Je größer eine jeweilige Amplitude einer jeweiligen Halbwelle eingestellt wird, desto kürzer ist das jeweilige Zeitintervall bzw. die Dauer der jeweiligen Halbwelle. Je kleiner eine jeweilige Amplitude einer jeweiligen Halbwelle eingestellt wird, desto länger ist das jeweilige Zeitintervall. Dabei ergibt sich aufgrund der Zeitintervalle der beiden Halbwellen eine Frequenz der periodischen Funktion und der dadurch dargestellten Leistung, die gemäß der asymmetrischen Modulation entsprechend angepasst wird. Die jeweilige Fläche, die eine jeweilige Halbwelle mit dem Verlauf für den Sollwert der Leistung einschließt, ist für jede Halbwelle gleich. Dabei kann in Ausgestaltung ein Sollwert eines elektrischen Stroms als weiterer elektrischer Betriebsparameter der mindestens einen Brennstoffzelle vorgegeben bzw. bei der mindestens einen Brennstoffzelle angefordert werden, wobei sich eine Spannung als weiterer elektrischer Betriebsparameter entsprechend leistungsabhängig einstellt. Umgekehrt kann auch ein Sollwert der Spannung vorgegeben werden, wobei sich der Strom entsprechend einstellt bzw. von der Brennstoffzelle entsprechend angefordert bzw. abgezogen wird Dabei ist es möglich, dass der Sollwert mindestens eines der genannten elektrischen Betriebsparameter im Mittel im Wesentlichen gleich bleibt.The larger a respective amplitude of a respective half-wave is set, the shorter the respective time interval or the duration of the respective half-wave. The smaller a respective amplitude of a respective half-wave is set, the longer the respective time interval. Due to the time intervals of the two half-waves, there is a frequency of the periodic function and the power represented by it, which is correspondingly adjusted according to the asymmetric modulation. The respective area, which encloses a respective half-wave with the curve for the target value of the power, is the same for each half-wave. In one embodiment, a setpoint value for an electrical current can be specified as a further electrical operating parameter of the at least one fuel cell or requested from the at least one fuel cell, with a voltage being set as a further electrical operating parameter depending on the output. Conversely, a setpoint value for the voltage can also be specified, with the current being set accordingly or being requested or drawn off from the fuel cell accordingly. It is possible that the setpoint value of at least one of the electrical operating parameters mentioned remains essentially the same on average.
Die Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung. Dabei ist der Strom in Ausgestaltung im Mittel gleich, wobei der Verlauf des Stroms bei jeder Halbwelle bezüglich des Sollwerts die gleiche Fläche einschließt. Die Spannung kann jedoch im Mittel höher sein, da ein stetig angeregter Abbau eines Metall-Oxids an der mindestens einen Brennstoffzelle, bspw. ein PtOx-Abbau-Prozess, zu einer leichten Anhebung des Mittelwerts der Spannung führt. Bei einem bspw. sinusförmigen Verlauf des Stroms, üblicherweise bei zunehmendem Strom, bspw. in einer Aufwärtsbewegung des sinusförmigen Verlaufs, wenn der Stroms steigt, sinkt die Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle immer weiter, wobei Metall-Oxid, bspw. PtOx, schrittweise abgebaut wird. Dies passiert mit jeder üblicherweise periodischen Änderung des Stroms und nahezu sofort. In einer Abwärtsbewegung des bspw. sinusförmigen periodischen Verlaufs des Stroms, wenn der Strom fällt, steigt die Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle, wobei mit jeder neuen Periode bzw. Stufe Metall-Oxid, bspw. PtOx, wieder neu aufgebaut wird, wobei ein Aufbau des Metall-Oxids langsamer als sein Abbau ist. Daraus resultiert eine höhere mittlere Spannung. Eine Energie der Halbwellen, die sich als Produkt aus Leistung und Zeit ergibt, kann konstant oder veränderlich sein. Die beim Durchlaufen einer Periode der periodischen Funktion kurzfristig, nämlich in der positiven Halbwelle gelieferte überschüssige Energie wird, vorzugsweise von einem Hybrid-Manager in der Batterie, gespeichert, um dann in der negativen Halbwelle, wenn das Brennstoffzellensystem weniger Energie liefert, dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt zu werden. Dadurch steigt eine mittlere Spannung sowie eine Gesamt-Effizienz des Brennstoffzellensystems unter Einhaltung der Systemgrenzen, die durch den maximalen Grenzwert und den minimalen Grenzwert definiert sind. Hierdurch ist ein effizienter und schonender Betrieb des Brennstoffzellensystems, ggf. durch eine geringe Amplitude der periodischen Funktion und eine geringe Frequenz der periodischen Funktion, möglich, wobei sich eine positive Spannungsbilanz ergibt.Power is the product of current and voltage. In this case, the current in the embodiment is the same on average, with the progression of the current including the same area for each half-wave with respect to the desired value. However, the voltage can be higher on average, since a continuously stimulated breakdown of a metal oxide in the at least one fuel cell, for example a PtOx breakdown process, leads to a slight increase in the mean value of the voltage. For example, if the current curve is sinusoidal, usually with increasing current, e.g. in an upward movement of the sinusoidal curve when the current increases, the voltage of the at least one fuel cell continues to fall, with metal oxide, e.g. PtOx, being gradually broken down . This happens with every change in current, usually periodic, and almost instantaneously. In a downward movement of the e.g metal oxide is slower than its degradation. This results in a higher mean voltage. An energy of the half-waves, which is the product of power and time, can be constant or variable. When a period of the periodic function is run through, the excess energy supplied briefly, namely in the positive half-wave, is stored, preferably by a hybrid manager in the battery, so that it can be made available to the vehicle in the negative half-wave when the fuel cell system is supplying less energy to be asked. As a result, an average voltage and an overall efficiency of the fuel cell system increase while maintaining the system limits, which are defined by the maximum limit value and the minimum limit value. As a result, efficient and gentle operation of the fuel cell system is possible, possibly through a low amplitude of the periodic function and a low frequency of the periodic function, resulting in a positive voltage balance.
Weiterhin wird ein Verlauf einer elektrischen Spannung und/oder eines Stroms als zumindest ein weiterer elektrischer Betriebsparameter der mindestens einen Brennstoffzelle gemäß einer periodischen Funktion abhängig von der eingestellten elektrischen Leistung, die von der mindestens einen Brennstoffzelle jeweils zu liefern ist und/oder von dieser angefordert wird, eingestellt, wobei sich die Spannung und/oder der Strom abhängig von der bei der mindestens einen Brennstoffzelle angeforderten und bereitgestellten elektrischen Leistung ergibt bzw. einstellt bzw. daraus resultiert. Dabei ist es möglich, dass die Spannung und/oder der Strom abhängig von der asymmetrisch modulierten Leistung entsprechend asymmetrisch moduliert wird bzw. werden. In Ausgestaltung wird nur einer der beiden weiteren elektrischen Betriebsparameter, also nur die Spannung oder nur der Strom, abhängig von der Leistung, die bei der mindestens einen Brennstoffzelle angefordert wird, asymmetrisch moduliert. Alternativ können auch beide weiteren elektrischen Betriebsparameter abhängig von dieser Leistung moduliert werden, wobei die Spannung und der Strom einander wechselseitig angepasst werden können. Üblicherweise wird einer der beiden weiteren elektrischen Betriebsparameter, bspw. ein mittlerer Wert des Betriebsparameters, abhängig von der angeforderten Leistung geregelt, wodurch sich der andere entsprechend einstellt.Furthermore, a profile of an electrical voltage and/or a current as at least one further electrical operating parameter of the at least one fuel cell is dependent on a periodic function depending on the set electrical power that is to be supplied by the at least one fuel cell and/or is requested by it , adjusted, wherein the voltage and/or the current results or adjusts or results from the electrical power requested and provided in the at least one fuel cell. In this case, it is possible for the voltage and/or the current to be correspondingly asymmetrically modulated depending on the asymmetrically modulated power. In one refinement, only one of the two other electrical operating parameters, ie only the voltage or only the current, is modulated asymmetrically depending on the power that is required from the at least one fuel cell. Alternatively, both other electrical operating para meters are modulated depending on this power, whereby the voltage and the current can be mutually adjusted to each other. One of the two other electrical operating parameters, for example an average value of the operating parameter, is usually regulated as a function of the required power, as a result of which the other is adjusted accordingly.
In Ausgestaltung wird die Leistung und somit auch die Spannung und/oder der Strom gemäß einer Lastanforderung durch das Kontrollgerät an die mindestens eine Brennstoffzelle und somit an das Brennstoffzellsystem eingestellt, wobei es möglich ist, dass von dem Kontrollgerät Lastpunkte der mindestens einen Brennstoffzelle verändert werden, wobei eine Last ebenfalls gemäß einer asymmetrisch modulierten periodischen, bspw. sinusförmigen Funktion angefordert werden kann.In one embodiment, the power and thus also the voltage and/or the current is adjusted according to a load request by the control device to the at least one fuel cell and thus to the fuel cell system, it being possible for the control device to change load points of the at least one fuel cell, a load can also be requested according to an asymmetrically modulated periodic, e.g. sinusoidal, function.
Der mindestens einen Brennstoffzelle, üblicherweise einer Kathode und/oder Anode als mindestens eine Elektrode der mindestens einen Brennstoffzelle, ist bzw. wird ein Katalysator mit einem bzw. aus einem Metall zugeordnet, wobei der Katalysator der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. ihrer mindestens einen Elektrode während eines Betriebs der mindestens einen Brennstoffzelle durch Umwandlung des Metalls in ein Metall-Oxid mit dem Metall-Oxid des Metalls beladen wird, wobei eine Beladung des Katalysators mit Metall-Oxid bzw. eine Menge des Metall-Oxids abhängig von der elektrischen Leistung und/oder von der sich ergebenden bzw. resultierenden elektrischen Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle eingestellt werden kann. In Ausgestaltung kann die Beladung von der sich aus der Leistung ergebenden Spannung und einer Verweilzeit in dieser Spannung abhängig sein. Dabei kann das Metall-Oxid ebenfalls periodisch aufgebaut und abgebaut werden. Durch Variation der Amplitude der Leistung kann dabei auch eine Frequenz, gemäß der das Metall-Oxid auf- und abgebaut wird, variiert werden.The at least one fuel cell, usually a cathode and/or anode as at least one electrode of the at least one fuel cell, is or will be assigned a catalyst with or made of a metal, the catalyst of the at least one fuel cell or its at least one electrode during operation of the at least one fuel cell is loaded with the metal oxide of the metal by converting the metal into a metal oxide, loading of the catalyst with metal oxide or an amount of the metal oxide depending on the electrical power and/or can be adjusted by the resulting or resulting electrical voltage of the at least one fuel cell. In an embodiment, the loading can be dependent on the voltage resulting from the power and a dwell time in this voltage. The metal oxide can also be built up and broken down periodically. By varying the amplitude of the power, a frequency according to which the metal oxide is built up and broken down can also be varied.
Als die periodische Funktion für die Leistung und somit für die Spannung und/oder den Strom wird eine trigonometrische Funktion, insbesondere eine Sinusfunktion bzw. eine Cosinusfunktion, vorgesehen, die im Rahmen des Verfahrens asymmetrisch moduliert wird. Das bedeutet, dass die positive Halbwelle und die negative Halbwelle einer Periode unterschiedliche Amplituden und Dauern haben.A trigonometric function, in particular a sine function or a cosine function, is provided as the periodic function for the power and thus for the voltage and/or the current, which is asymmetrically modulated as part of the method. This means that the positive half-wave and the negative half-wave of a period have different amplitudes and durations.
Der Katalysator der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. der mindestens einen Elektrode, bspw. Kathode und/oder Anode, weist ein Edelmetall, bspw. Platin, Palladium oder Ruthenium, auf, wobei der Katalysator mit einem Oxid dieses Edelmetalls, bspw. mit Platin-Oxid, mit Palladium-Oxid oder mit Ruthenium-Oxid beladen wird.The catalyst of the at least one fuel cell or the at least one electrode, e.g. cathode and/or anode, has a noble metal, e.g. platinum, palladium or ruthenium, with the catalyst having an oxide of this noble metal, e.g. platinum oxide , is loaded with palladium oxide or with ruthenium oxide.
Mit der asymmetrischen Modulation der periodischen Funktion für die Leistung wird ein im Mittel konstanter Sollwert der Leistung bei stetiger Regeneration der mindestens einen Brennstoffzelle eingestellt, wobei sich die Regeneration durch die Spannung ergibt, die aus der Leistung resultiert. Hierzu werden die Flächen der positiven und negativen Halbwellen gleich eingestellt, wobei eine Anforderung, wonach die Flächen der Halbwellen gleich sind, ein möglicher weiterer Aspekt zum Einstellen der Leistung ist.With the asymmetrical modulation of the periodic function for the power, a constant mean value of the power is set with continuous regeneration of the at least one fuel cell, with the regeneration resulting from the voltage that results from the power. To do this, the areas of the positive and negative half-waves are set equal, and a requirement that the areas of the half-waves be equal is another possible aspect of setting the power.
Eine regenerative Wirkung und somit ein Abbau von Platin-Oxid (PtOx) für die mindestens eine Brennstoffzelle hängt von einem erreichten Level bzw. Niveau der im Rahmen des Verfahrens eingestellten Spannung ab. Dabei hat eine flachere positive Halbwelle mit kleiner Amplitude und folglich mit längerer Haltezeit bzw. Dauer der positiven Halbwelle eine andere Wirkung als eine höhere positive Halbwelle mit großer Amplitude und somit mit kurzer Haltezeit bzw. Dauer. Durch Einstellen einer flacheren und deshalb längeren Halbwelle kann das Brennstoffzellensystem näher an der oberen oder unteren Systemgrenze betrieben werden. Bei einer oberen Systemgrenze von bspw. 100 kW kann bei einer symmetrischen Modulation die Sollleistung bspw. 90 kW betragen, wobei die positive Halbwelle dann eine Amplitude von maximal 10 kW haben darf. Bei einer asymmetrischen Modulation kann demgegenüber auch eine höhere Sollleistung von 95 kW erlaubt sein, wobei die positive Halbwelle dann eine Amplitude von maximal 5 kW hat, aber dafür länger ist bzw. andauert. Eine derartige flexible Anpassung der Leistung bzw. ein entsprechender Ausgleich der Amplitude durch Anpassung der Dauer einer jeweiligen Halbwelle ist bei der symmetrischen Modulation nicht möglich. Eine Recovery-Wirkung unterliegt hierbei einer Einhaltung der oberen, maximal zulässigen Grenze der Leistung.A regenerative effect and thus a degradation of platinum oxide (PtOx) for the at least one fuel cell depends on a level or level of the voltage set as part of the method that has been reached. A flatter positive half-wave with a small amplitude and consequently with a longer holding time or duration of the positive half-wave has a different effect than a higher positive half-wave with a large amplitude and thus with a short holding time or duration. By setting a flatter and therefore longer half-wave, the fuel cell system can be operated closer to the upper or lower system limit. With an upper system limit of 100 kW, for example, with symmetrical modulation, the setpoint power can be 90 kW, for example, with the positive half-wave then being allowed to have a maximum amplitude of 10 kW. In the case of asymmetrical modulation, on the other hand, a higher target power of 95 kW can also be permitted, with the positive half-wave then having an amplitude of a maximum of 5 kW, but being longer or lasting. Such a flexible adjustment of the power or a corresponding equalization of the amplitude by adjusting the duration of a respective half-wave is not possible with symmetrical modulation. A recovery effect is subject to compliance with the upper, maximum permissible power limit.
Eine bspw. sinusförmige Modulation der Leistung bezüglich ihres Sollwerts kann für niedrige Sollwerte der Leistung verwendet und/oder durchgeführt werden, wobei die Modulation der Leistung für niedrige Sollwerte einen größeren Effekt als für höhere Sollwerte hat. Bei niedrigen Sollwerten wird eine obere Halbwelle weniger als eine negative Halbwelle begrenzt, wobei eine negative Halbwelle mit vergleichsweise geringer Amplitude zum Einstellen gleicher Flächen zeitlich länger andauert bzw. gehalten wird. In Ausgestaltung ist es möglich, dass eine regenerative Wirkung einer Gleichheit der Flächen untergeordnet wird, wobei von einem Hybrid-Manager als Kontrollgerät eine Abweichung von dem vorgesehenen Sollwert der Leistung toleriert werden kann.For example, a sinusoidal modulation of the power with respect to its target value can be used and/or implemented for low target values of the power, with the modulation of the power for low target values having a greater effect than for higher target values. In the case of low target values, an upper half-wave is limited less than a negative half-wave, a negative half-wave with a comparatively small amplitude lasting longer or being maintained for setting the same areas. In one embodiment, it is possible for a regenerative effect to be subordinated to an equality of the areas, with a hybrid manager as a control device being able to tolerate a deviation from the intended target value for the power.
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, an deren Klemmen bei Leerlauf (ohne äußere Beschaltung) theoretisch die Nernst-Spannung anliegt, wobei in der Praxis durch interne Verluste eine Spannung um ca. 950 mV zu erwarten ist. Wird nun ein Abnehmer und/oder Verbraucher, bspw. eine elektrische Maschine, hinzugeschaltet und es kommt somit zu einem Stromfluss, sinkt die Spannung an den Klemmen in Abhängigkeit der Belastung, also in Abhängigkeit der Höhe des Stroms. Der Lastpunkt, also die Höhe des Stroms, wird dabei in technischen Anwendungen über eine Regelung eingestellt. Die Spannung stellt sich entsprechend dazu ein und sinkt bis zu einem Volllastpunkt, bei einem maximal ausgelegten Stromfluss, in einen Bereich von ca. 0,6 V. Zwar ist ein höherer Stromfluss möglich, aber aufgrund verringerter Effizienz nicht mehr sinnvoll. Alternativ wäre statt einer Regelung des Stroms auf den hierfür vorgesehenen Sollwert auch eine Regelung der Spannung auf den hierfür vorgesehenen Sollwert möglich. In diesem Fall wird von dem Verbraucher ein variabler Strom gezogen bzw. bei der mindestens einen Brennstoffzelle angefordert, der die gewünschte Spannung an den Klemmen der mindestens einen Brennstoffzelle zur Folge hat. Unabhängig davon, welche Form der Regelung des mindestens einen elektrischen Betriebsparameters verwendet wird, ergibt ein jeweiliges Produkt aus aktuell gefordertem Strom und sich dazu einstellender Spannung die aktuelle Leistung des Brennstoffzellensystems. Falls das Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug verwendet wird, wobei elektrische Energie aus dem Brennstoffzellensystem zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet wird, ist vorgesehen, dass von dem Fahrzeug der Sollwert für die Leistung gefordert bzw. vorgegeben wird. Zum Erreichen des gewünschten Sollwerts der Leistung wird entweder der Strom oder die Spannung geregelt. Bei einer Modulation der Leistung ergibt sich abhängig von einer jeweiligen Regelung auch eine Modulation des Stroms bzw. der Spannung. Unabhängig davon wird ein Niveau der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle stetig verändert, womit eine Umbaureaktion des Metall-Oxids einhergeht.A fuel cell is an electrochemical energy converter, at whose terminals at Leer theoretically the Nernst voltage is present during operation (without external wiring), although in practice a voltage of around 950 mV is to be expected due to internal losses. If a customer and/or consumer, for example an electrical machine, is now connected and current flows as a result, the voltage at the terminals drops as a function of the load, i.e. as a function of the magnitude of the current. The load point, i.e. the level of the current, is set in technical applications via a controller. The voltage adjusts accordingly and falls to a full load point, with a maximum designed current flow, in a range of approx. 0.6 V. Although a higher current flow is possible, it is no longer useful due to reduced efficiency. Alternatively, instead of controlling the current to the desired value provided for this purpose, it would also be possible to control the voltage to the desired value provided for this purpose. In this case, a variable current is drawn from the consumer or requested from the at least one fuel cell, which results in the desired voltage at the terminals of the at least one fuel cell. Irrespective of which form of regulation of the at least one electrical operating parameter is used, a respective product of the currently required current and the voltage that is set for this results in the current output of the fuel cell system. If the fuel cell system is used for a vehicle, with electrical energy from the fuel cell system being used to drive the vehicle, provision is made for the vehicle to request or specify the target value for the power. Either the current or the voltage is controlled to achieve the desired power setpoint. When the power is modulated, the current or the voltage is also modulated, depending on the respective regulation. Irrespective of this, a level of the voltage of the at least one fuel cell is constantly changed, which is accompanied by a conversion reaction of the metal oxide.
Das erfindungsgemäße Energiesystem weist ein Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Brennstoffzelle aufweist und ein Kontrollgerät, bspw. ein Steuergerät und/oder ein Regelgerät auf, wobei das Kontrollgerät zum Kontrollieren und somit zum Steuern und/oder zum Regeln des Brennstoffzellensystems und des voranstehend beschriebenen Verfahrens, üblicherweise einer Ausführungsform des Verfahrens, ausgebildet ist. Das Kontrollgerät ist dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf eines Sollwerts einer elektrischen Leistung der mindestens einen Brennstoffzelle einzustellen und auf den Verlauf des Sollwerts eine periodische Funktion mit aufeinanderfolgenden positiven und negativen Halbwellen aufzumodulieren und für jede Halbwelle der periodischen Funktion eine Amplitude, die auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung bezogen wird bzw. ist, und ein Zeitintervall einzustellen und/oder vorzusehen. Das Kontrollgerät ist weiterhin dazu ausgebildet, die elektrische Leistung bei der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem jeweiligen Zeitpunkt anzufordern und einen Wert der Leistung, der sich zu dem jeweiligen Zeitpunkt aus dem Sollwert der Leistung und dem Wert der periodischen Funktion der Leistung ergibt, kleiner bzw. geringer als einen zulässigen maximalen Grenzwert für die Leistung und größer als einen zulässigen minimalen Grenzwert für die Leistung einzustellen. Außerdem ist das Kontrollgerät dazu ausgebildet, die jeweiligen Halbwellen relativ zu dem Verlauf des Sollwerts der Leistung asymmetrisch aufzumodulieren und den gemittelten Wert der Leistung, der über eine Periode der periodischen Funktion zu mitteln ist, im Wesentlichen dem Sollwert der Leistung entsprechend einzustellen. Durch Vorsehen der asymmetrischen Modulation für die Leistung werden die vorgesehenen zulässigen Grenzen für die Leistung, d. h. die Systemgrenzen, eingehalten, wobei die maximal zulässige Grenze für die Leistung nicht überschritten und die minimal zulässige Grenze nicht unterschritten wird.The energy system according to the invention has a fuel cell system that has at least one fuel cell and a control device, e.g an embodiment of the method. The monitoring device is designed to set a time profile of a target value for an electrical output of the at least one fuel cell and to modulate a periodic function with successive positive and negative half-waves onto the profile of the target value and an amplitude for each half-wave of the periodic function that is based on the profile of the Target value of the power is related or is, and set and / or provide a time interval. The monitoring device is also designed to request the electrical power from the at least one fuel cell at a particular point in time and to set a value for the power that is at the particular point in time from the target value for the power and the value of the periodic function of the power to be less than or equal to 100%. less than an allowable maximum power limit and greater than an allowable minimum power limit. In addition, the control device is designed to modulate the respective half-waves asymmetrically relative to the progression of the desired power value and to set the mean value of the power, which is to be averaged over a period of the periodic function, essentially corresponding to the desired power value. By providing the asymmetric modulation for the power, the allowable power limits foreseen, i.e. H. the system limits, are complied with, whereby the maximum permissible limit for the power is not exceeded and the minimum permissible limit is not fallen below.
Das Energiesystem weist mindestens einen Abnehmer für elektrische Energie, bspw. eine Batterie bzw. einen Akkumulator und/oder einen Verbraucher, bspw. eine elektrische Maschine, auf, dem bzw. der elektrische Energie und somit ggf. auch überschüssige elektrische Energie, die aus einer asymmetrischen Modulation der Leistung resultiert, aus dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Falls der mindestens eine Abnehmer bspw. als elektrische Maschine ausgebildet ist, die die elektrische Energie aus der mindestens einen Brennstoffzelle in mechanische Energie umwandelt, kann der Sollwert der Leistung an jeweilige Bedürfnisse der elektrischen Maschine angepasst und somit auch zeitlich verändert werden. Bei der asymmetrischen Modulation der periodischen Funktion wird eine zeitabhängige Änderung des Sollwerts der Leistung und somit eine zeitliche Änderung des Verlaufs des Sollwerts der Leistung berücksichtigt, wobei sich der zeitlich ändernde Sollwert der Leistung über eine Periode der periodischen Funktion, insbesondere relativ zu der periodischen Funktion, nur wenig ändert.The energy system has at least one consumer for electrical energy, e.g. a battery or an accumulator and/or a consumer, e.g asymmetric modulation of the power resulting from the fuel cell system is supplied. If the at least one consumer is designed as an electrical machine, for example, which converts the electrical energy from the at least one fuel cell into mechanical energy, the setpoint value for the power can be adapted to the respective needs of the electrical machine and can therefore also be changed over time. With the asymmetrical modulation of the periodic function, a time-dependent change in the desired value of the power and thus a change over time in the profile of the desired value of the power is taken into account, with the desired value of the power changing over time over a period of the periodic function, in particular relative to the periodic function, only little changes.
Das Energiesystem ist für ein Fahrzeug, bspw. ein Kraftfahrzeug, vorgesehen, wobei eine Batterie und eine elektrische Maschine von dem Energiesystem und somit von dem Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt wird bzw. zu versorgen ist, wobei die elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, elektrische Energie des Energiesystems in mechanische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs umzuwandeln.The energy system is provided for a vehicle, for example a motor vehicle, with a battery and an electrical machine being supplied or to be supplied with electrical energy by the energy system and thus by the fuel cell system, with the electrical machine being designed to supply electrical energy of the power system into mechanical energy to propel the vehicle.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstapel und demnach die mindestens eine Brennstoffzelle zur Bereitstellung von Energie, bspw. von Start-Energie, sowie zur Pufferung von Leistungsspitzen mit der Batterie und somit einem entsprechenden Batteriesystem. Das Brennstoffzellensystem kann mit dem Kontrollgerät, bspw. einem übergelagerten Hybrid-Manager, kombiniert werden. Es ist bekannt, dass die von einem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung ist dabei im Konstant-Leistungs-Betrieb nicht gleichbleibend hoch ist. Bei gleichem Soll-Strom sinkt die Spannung des Brennstoffzellenstapels und somit des Brennstoffzellensystems mit zunehmender Betriebszeit leicht ab. Das Absinken der Spannung des Brennstoffzellenstapels kann u. a. auf eine ungewollte Beladung des Katalysators der mindestens einen Brennstoffzelle, u. a. durch Platin-Oxid bzw. durch unterschiedliche Spezies von Platin-Oxid, zurückgeführt werden, wobei üblicherweise eine Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle mit dem Katalysator, hier mit Platin, beschichtet ist. Dieses Platin-Oxid bzw. diese Platin-Oxid-Spezies bildet bzw. bilden sich im Betrieb alternativ oder ergänzend auf der Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle und sind spannungsgetrieben, wobei ein Aufbau und ein Abbau von Platin-Oxid eine Funktion einer Halbzellenspannung der Kathoden und somit eine Funktion der Zellspannung und somit der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle ist. Ein derartiger Aufbauprozess kann nicht verhindert werden und ist Teil eines gewöhnlichen Betriebs der mindestens einen Brennstoffzelle. Je stärker die PtOx- bzw. Platin-Oxid-Beladung ist, desto größer sind Verluste der Spannung. Ein jeweiliger Verlust bzw. eine jeweilige Verringerung oder Abnahme der Spannung verhält sich entsprechend einer Logarithmusfunktion, wobei sich die Spannung in den ersten Sekunden am stärksten ändert. Danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Durch Änderung der Leistung bzw. eines Lastpunkts durch das Kontrollgerät wird eine neue Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle eingestellt, wobei Umbauprozesse des Platin-Oxids (PtOx) stattfinden. Durch einen Wechsel auf eine höhere Spannung wird mehr PtOx aufgebaut. Durch einen Wechsel zu einer niedrigeren Spannung wird PtOx zumindest teilweise abgebaut. Ein derartiger Umbauprozess, der einen Aufbauprozess und Abbauprozess umfasst, ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt logarithmisch hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht. Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich zu einer niedrigeren Spannung des Brennstoffzellenstapels kann auch als Regeneration interpretiert und/oder bezeichnet werden, da ein Teil einer unerwünschten Beladung an PtOx abgebaut wird. Hierbei führen die zuvor beschriebenen PtOx-Aufbauprozesse und die regenerative Wirkung durch Lastwechsel dazu, dass für den Betrieb des Fahrzeugs, das durch den Brennstoffzellenstapel mit elektrischer Energie versorgt wird, ein höherer Lastpunkt prinzipiell günstiger ist. Dem Umstand, dass höhere Lastpunkte im Betrieb des Fahrzeugs nicht durchgängig umsetzbar sind und zudem auch in diesen Lastpunkten PtOx langsam aufgebaut wird, wird mit dem vorgestellten Verfahren und dem vorgestellten Energiesystem entgegnet, mit dem eine Strategie zum Umgang mit PtOx-Beladungen bereitgestellt wird. Eine im Rahmen des Verfahrens vorgesehene Strategie im Umgang mit dem zuvor beschriebenen Mechanismus hinsichtlich der Beladung der Kathode bzw. des Katalysators mit PtOx bzw. einer quantitativen Änderung einer Menge an PtOx, d. h. dem Aufbau und Abbau von PtOx, umfasst eine Modulation eines periodischen Verlaufs, in der Regel eines Sinus bzw. eines sinusförmigen Verlaufs auf den Leistungs-Sollwert, wobei bei einem steten Umbau und somit einer entsprechenden Änderung der Menge an PtOx im Mittel die gewünschte Leistung, d.h. der Leistungs-Sollwert erreicht wird. In Ausgestaltung des Verfahrens ist das Anheben und Absenken einer Stapelspannung und/oder der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle durch Modulation des periodischen, üblicherweise sinusförmigen Verlaufs des Sollwerts der Leistung des Brennstoffzellensystems durch die vorgesehene minimale und maximale Leistung der mindestens einen Brennstoffzelle begrenzt. Dabei wird berücksichtigt, dass die Amplitude der Modulation des üblicherweise sinusförmigen Verlaufs bzw. einer Sinusmodulation des Verlaufs des Sollwerts der Leistung in niedrigen Lastpunkten nicht kleiner als die minimal zulässige Leistung und in hohen Lastpunkten nicht größer als die maximal zulässige Leistung des Brennstoffzellensystems bzw. der mindestens einen Brennstoffzelle ist bzw. wird. Eine derartige Sinusmodulation ist üblicherweise nur im hardwareseitigen Bereich möglich.The fuel cell system comprises at least one fuel cell stack and accordingly the at least one fuel cell for providing energy, for example starting energy, and for buffering power peaks with the battery and thus a corresponding battery system. The fuel cell system can be combined with the control device, e.g. a higher-level hybrid manager. It is known that the electrical power provided by a fuel cell system is not consistently high in constant power operation. With the same setpoint current, the voltage of the fuel cell stack and thus of the fuel cell system drops slightly as the operating time increases. The drop in the voltage of the fuel cell stack can be attributed, among other things, to unwanted loading of the catalyst of the at least one fuel cell, including platinum oxide or different species of platinum oxide, with a cathode of the at least one fuel cell usually being contaminated with the catalyst, here coated with platinum. This platinum oxide or this platinum oxide species forms or forms alternatively or additionally on the cathode of the at least one fuel cell during operation and is voltage-driven, with a build-up and a breakdown of platinum oxide being a function of a half-cell voltage of the cathodes and is thus a function of the cell voltage and thus the voltage of the at least one fuel cell. Such a build-up process cannot be prevented and is part of normal operation of the at least one fuel cell. The greater the PtOx or platinum oxide loading, the greater the voltage losses. A respective loss or a respective reduction or decrease in voltage behaves according to a logarithmic function, with the voltage changing most strongly in the first few seconds. After that, the voltage changes only slowly and insidiously. By changing the power or a load point by the control device, a new voltage of the at least one fuel cell is set, with conversion processes of the platinum oxide (PtOx) taking place. By changing to a higher voltage, more PtOx is built up. By changing to a lower voltage, PtOx is at least partially removed. Such a conversion process, which includes a build-up process and a breakdown process, is never complete, but strives logarithmically towards a new electrochemical equilibrium. A change to a high load point and consequently to a lower voltage of the fuel cell stack can also be interpreted and/or referred to as regeneration, since part of an undesired load of PtOx is reduced. The PtOx build-up processes described above and the regenerative effect due to load changes mean that a higher load point is in principle more favorable for the operation of the vehicle, which is supplied with electrical energy by the fuel cell stack. The fact that higher load points cannot be consistently implemented during operation of the vehicle and that PtOx is also slowly built up in these load points is countered with the presented method and the presented energy system, with which a strategy for dealing with PtOx loads is provided. A strategy provided as part of the method for dealing with the mechanism described above with regard to the loading of the cathode or the catalyst with PtOx or a quantitative change in an amount of PtOx, ie the build-up and breakdown of PtOx, includes a modulation of a periodic course, usually a sine or a sinusoidal progression to the power target value, with constant conversion and thus a corresponding change in the amount of PtOx, the desired power, ie the power target value, being achieved on average. In a refinement of the method, the raising and lowering of a stack voltage and/or the voltage of the at least one fuel cell is limited by modulating the periodic, usually sinusoidal course of the target value for the power of the fuel cell system by the minimum and maximum power provided for the at least one fuel cell. It is taken into account that the amplitude of the modulation of the usually sinusoidal curve or a sinusoidal modulation of the curve of the desired value of the power at low load points is not less than the minimum permissible power and at high load points not greater than the maximum permissible power of the fuel cell system or the at least is or will be a fuel cell. Such a sine modulation is usually only possible in the hardware area.
Bei Umsetzung einer Ausführungsform des Verfahrens wird PtOx bei einem Lastwechsel bzw. einem Wechsel der Last in einen höheren Lastpunkt teilweise abgebaut. Wird die Last bei einem entsprechenden Lastwechsel anschließend in den Ausgangszustand zurück gewechselt, steht in den Brennstoffzellen wieder eine höhere Spannung zur Verfügung. Dieser Recovery- bzw. Erholungs-Effekt hält eine begrenzte Zeit an, bis die PtOx-Beladung des Katalysators und somit die mit PtOx beschichtete und/oder beladene Kathode erneut den Ausgangszustand bzw. ein entsprechendes Ausgangsniveau erreicht hat. Die Sinusmodulation des Sollwerts der Leistung und somit der daraus resultierenden Spannung adressiert bzw. berücksichtigt diesen Umstand, funktioniert jedoch nur begrenzt in der Nähe der Leistungsgrenzen bzw. der Grenzen der Leistung des Brennstoffzellensystems, da die Amplitude einer sinusförmigen Schwingung des Verlaufs der Leistung in Ausgestaltung die minimale Leistung nicht unterschreiten oder die maximale Leistung nicht überschreiten darf.When an embodiment of the method is implemented, PtOx is partially reduced when the load changes or when the load changes to a higher load point. If the load is then switched back to the initial state in the event of a corresponding load change, a higher voltage is available again in the fuel cells. This recovery or recovery effect lasts for a limited time until the PtOx loading of the catalyst and thus the cathode coated and/or loaded with PtOx has again reached the initial state or a corresponding initial level. The sinusoidal modulation of the setpoint value of the power and thus the resulting voltage addresses or takes this fact into account, but only works to a limited extent near the power limits or the limits of the power of the fuel cell system, since the amplitude of a sinusoidal oscillation of the power curve in the embodiment minimum power not fall below or not exceed the maximum power.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene asymmetrische Aufmodulation der periodischen, bspw. sinusförmigen Funktion auf den Verlauf des Sollwerts der Leistung und somit auch der Spannung wird die positive und/oder die negative Halbwelle der periodischen Funktion hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und Zeitdauer angepasst, wobei die obere Grenze bzw. ein maximaler Grenz- bzw. Schwellwert der Leistung des Brennstoffzellensystems von einer jeweils positiven Halbwelle des resultierenden periodischen Verlaufs der Leistung (und somit auch der Spannung) bzw. deren Amplitude nicht überschritten und die untere Grenze bzw. der minimale Grenz- bzw. Schwellwert der Leistung des Brennstoffzellensystems von einer jeweils negativen Halbwelle des resultierenden periodischen Verlaufs bzw. deren Amplitude nicht unterschritten wird. Eine derartige flexible Anpassung ist bei einer symmetrischen Modulation nicht möglich.Due to the asymmetrical modulation provided according to the invention of the periodic, e.g a maximum limit or threshold value of the power of the fuel cell system is not exceeded by a respective positive half-wave of the resulting periodic curve of the power (and thus also the voltage) or its amplitude and the lower limit or the minimum limit or threshold value of the Performance of the fuel cell system is not fallen short of by a respective negative half-wave of the resulting periodic curve or its amplitude. Such a flexible adjustment is not possible with a symmetrical modulation.
In einer Anwendung betrifft dies also die Beschränkung der positiven Halbwelle der Phase des periodischen Verlaufs bei Näherung an die obere Grenze bzw. den oberen Schwellwert der Leistung des Brennstoffzellensystems und die Beschränkung der negativen Halbwelle bei Näherung an die untere Grenze bzw. den unteren Grenzwert der Leistung des Brennstoffzellensystems. Bei einer Verringerung der Amplitude wird jedoch folglich das Zeitintervall bzw. eine Länge bzw. Dauer der Halbwelle verlängert, wobei die durch Integration berechenbare Fläche zwischen dem Verlauf des Sollwerts der Leistung und der jeweiligen Halbwelle und somit die Energie gleich bzw. erhalten bleibt, da das Zeitintervall jeweils an die Amplitude angepasst wird. Somit kann die mindestens eine Brennstoffzelle länger in höheren Lastpunkten und folglich bei kleineren Spannungen betrieben werden und baut weniger PtOx auf. Ein Verlust bzw. eine Verringerung der Spannung aufgrund von PtOx wird somit reduziert und im Mittel der gewünschte Sollwert der Leistung erreicht. Die beim Durchlaufen der Phase bzw. des Sinus kurzfristig gelieferte überschüssige Energie (d. h. beim Durchlaufen der positiven Halbwelle) wird von dem Kontrollgerät, das als Hybrid-Manager ausgebildet sein bzw. bezeichnet werden kann, aus dem Brennstoffzellensystem in die Batterie bzw. in das Batteriesystem übertragen und darin gespeichert, wobei diese gespeicherte Energie dann im zweiten Teil des Sinus (d. h. beim Durchlaufen der negativen Halbwelle), wenn das Brennstoffzellensystem weniger Energie liefert, dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt wird. Durch dieses Verfahren steigt die mittlere Spannung im Brennstoffzellenstapel sowie die gesamte Effizienz des Brennstoffzellensystems, wobei Grenzen der Leistung des Brennstoffzellensystems eingehalten werden.In one application, this relates to the restriction of the positive half-wave of the phase of the periodic curve when approaching the upper limit or the upper threshold value of the power of the fuel cell system and the restriction of the negative half-wave when approaching the lower limit or the lower limit value of the power of the fuel cell system. If the amplitude is reduced, however, the time interval or a length or duration of the half-wave is consequently lengthened, with the area between the course of the nominal value of the power and the respective half-wave, which can be calculated by integration, and thus the energy remaining the same or being retained, since the Time interval is adjusted to the amplitude. The at least one fuel cell can thus be operated longer at higher load points and consequently at lower voltages, and builds up less PtOx. A loss or a reduction in voltage due to PtOx is thus reduced and the desired nominal value of the power is achieved on average. The excess energy briefly supplied when passing through the phase or the sine wave (ie when passing through the positive half-wave) is transferred from the fuel cell system into the battery or into the battery system by the control device, which can be designed or referred to as a hybrid manager transferred and stored therein, this stored energy then in the second part of the sine wave (ie when passing through the negative half-wave), when the fuel cell system delivers less energy, the vehicle is made available. This method increases the average voltage in the fuel cell stack as well as the overall efficiency of the fuel cell system, while maintaining limits on the performance of the fuel cell system.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird eine asymmetrische Sinusmodulation und somit eine asymmetrische Modulation der Phase des periodischen Verlaufs des Sollwerts der Leistung in der Nähe der Grenzen des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Dabei wird eine Beschränkung der positiven Halbwelle der Phase, üblicherweise des Sinus, bei Näherung an die obere, maximale Grenze der Leistung des Brennstoffzellensystems und eine Beschränkung der negativen Halbwelle der Phase bei Näherung an die untere, minimale Grenze der Leistung des Brennstoffzellensystems durchgeführt.In an embodiment of the method, an asymmetric sinusoidal modulation and thus an asymmetric modulation of the phase of the periodic profile of the desired value of the power is carried out in the vicinity of the limits of the fuel cell system. The positive half-wave of the phase, usually the sine wave, is restricted when the upper, maximum power limit of the fuel cell system is approached, and the negative half-wave of the phase is restricted when the lower, minimum power limit of the fuel cell system is approached.
Das Brennstoffzellensystem wird bzw. ist mit einem hinreichend leistungsstarken Batteriesystem kombiniert und über einen Hybrid-Manager kontrolliert, d. h. geregelt und/oder gesteuert. Mit der asymmetrischen Sinusmodulation der Leistung auf den Sollwert der Leistung bzw. einen Soll-Leistungswert wird ein steter PtOx-Umbau mit regenerativer Wirkung der Stapelspannung des Brennstoffzellensystems bei gleichzeitig milder Lastwechseldynamik zur Schonung des gesamten Brennstoffzellensystems erreicht.The fuel cell system is or is combined with a sufficiently powerful battery system and controlled by a hybrid manager, i. H. regulated and/or controlled. With the asymmetric sinusoidal modulation of the power to the target value of the power or a target power value, a constant PtOx conversion with regenerative effect of the stack voltage of the fuel cell system is achieved with at the same time mild load change dynamics to protect the entire fuel cell system.
Mit dem Verfahren wird auch ein schonenderer Betrieb von mechanischen Komponenten, z. B. einem Verdichter, des gesamten Brennstoffzellensystems unter Wahrung der Grenzen des Brennstoffzellensystems realisiert. Mit dem Verfahren kann eine Effizienz des Brennstoffzellensystems ohne zusätzliche Komponenten gesteigert werden. Das Verfahren ist für Brennstoffzellenfahrzeuge, bspw. für Brennstoffzellen-Range-Extender-Fahrzeuge, anwendbar.The method also enables gentler operation of mechanical components, e.g. B. a compressor, the entire fuel cell system realized while maintaining the limits of the fuel cell system. With the method, an efficiency of the fuel cell system can be increased without additional components. The method can be used for fuel cell vehicles, for example for fuel cell range extender vehicles.
Das Verfahren kann weiterhin für stationäre Anlagen zur Bereitstellung von elektrischem Strom auf Basis von Brennstoffzellensystemen sowie für unterschiedliche Fahrzeuge wie bspw. Flugzeuge, Drohnen und U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb realisiert werden.The method can also be implemented for stationary systems for providing electricity based on fuel cell systems and for different vehicles such as aircraft, drones and submarines with fuel cell drives.
Der Sollwert für die Leistung kann sich ändern und/oder zeitweise konstant sein. Die sich durch asymmetrische Modulation ergebende Gesamt-Leistung muss zwischen einem maximal zulässigen Wert und einem minimal zulässigen Wert der Leistung und somit innerhalb der Grenzen des Brennstoffzellensystems liegen, bspw. zwischen 100 kW und 0 kW. Dem Sollwert der Leistung wird eine bspw. trigonometrische, je nach Definition sinusförmige oder cosinusförmige Funktion asymmetrisch aufmoduliert, wobei die asymmetrisch modulierte Leistung im Mittel dem jeweils vorgesehenen und/oder erforderlichen Sollwert der Leistung entspricht. Beträgt der Sollwert der Leistung bspw. 90 kW, so kann die Amplitude der positiven Halbwelle maximal 10 kW betragen, wobei sich insgesamt höchstens die maximal zulässige Grenze der Leistung von 100 kW ergibt, wohingegen die Amplitude der negativen Halbwelle zumindest theoretisch bis zu 90 kW betragen kann, ohne die minimal zulässige Grenze von 0 kW zu unterschreiten. Allerdings ist dann die positive Halbwelle entsprechend länger und die negative Halbwelle entsprechend kürzer, um im Mittel den Sollwert von 90 kW zu erreichen. Umgekehrt verhält es sich, wenn der Sollwert der Leistung bspw. bei 20 kW liegt. In diesem Fall kann die Amplitude der positiven Halbwelle bis zu 80 kW, aber die Amplitude der negativen Halbwelle höchstens 20 kW betragen, wobei die positive Halbwelle kürzer sein und eine größere Amplitude aufweisen kann, und wobei die negative Halbwelle länger sein und eine kleinere Amplitude aufweisen kann. Durch die in der Regel asymmetrisch aufmodulierte Funktion werden die Grenzen des Brennstoffzellensystems eingehalten und gleichzeitig im Mittel der Sollwert der Leistung bereitgestellt. Dabei stellen der maximal zulässige Wert der Leistung und der minimal zulässige Wert der Leistung als Grenzen des Brennstoffzellensystems Einhüllende für die Modulation der Leistung dar.The setpoint for the power can change and/or be constant at times. The total power resulting from asymmetric modulation must be between a maximum permissible value and a minimum permissible value of the power and thus within the limits of the fuel cell system, for example between 100 kW and 0 kW. A, for example, trigonometric, sinusoidal or cosinusoidal function, depending on the definition, is asymmetrically modulated onto the desired power value, with the asymmetrically modulated power on average corresponding to the respectively provided and/or required desired power value. If the target value of the power is, for example, 90 kW, the amplitude of the positive half-wave can be a maximum of 10 kW, with the total maximum permissible limit of the power of 100 kW results, whereas the amplitude of the negative half-wave can be up to 90 kW, at least theoretically, without falling below the minimum permissible limit of 0 kW. However, the positive half-wave is then correspondingly longer and the negative half-wave correspondingly shorter in order to achieve the target value of 90 kW on average. The situation is reversed if the nominal power value is 20 kW, for example. In this case, the amplitude of the positive half-wave can be up to 80 kW, but the amplitude of the negative half-wave is at most 20 kW, where the positive half-wave can be shorter and have a larger amplitude, and the negative half-wave can be longer and have a smaller amplitude can. The usually asymmetrically modulated function means that the limits of the fuel cell system are adhered to and at the same time the target value of the power is provided on average. The maximum permissible value of the power and the minimum permissible value of the power as limits of the fuel cell system represent envelopes for the modulation of the power.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems zum Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 zeigt ein erstes Diagramm zu der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
3 zeigt ein zweites Diagramm zu der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 shows a schematic representation of an embodiment of the energy system according to the invention for carrying out an embodiment of the method according to the invention. -
2 shows a first diagram for the embodiment of the method according to the invention. -
3 shows a second diagram for the embodiment of the method according to the invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.The figures are described coherently and comprehensively. The same reference symbols are assigned to the same components.
Die in
Dabei weist jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 4 als Elektroden eine Kathode und eine Anode auf. Dabei weist mindestens eine Elektrode, d. h. die Kathode und/oder die Anode, einen Katalysator aus einem Edelmetall, hier bspw. Platin, auf, mit dem sie beschichtet ist. Beim Betrieb einer jeweiligen Brennstoffzelle wird an der Anode eine Oxidation bzw. eine Elektronenabgabe (2H2 → 4H+ + 4e-) als chemische Reaktion durchgeführt, wohingegen an der Kathode als chemische Reaktion eine Reduktion bzw. Elektronenaufnahme (O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O) durchgeführt wird.Each fuel cell of the fuel cell system 4 has a cathode and an anode as electrodes. At least one electrode, ie the cathode and/or the anode, has a catalyst made of a noble metal, here platinum for example, with which it is coated. During the operation of a respective fuel cell, oxidation or electron release (2H 2 → 4H + + 4e - ) is carried out as a chemical reaction at the anode, whereas reduction or electron acceptance (O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O) is carried out.
Die beiden Diagramme aus den
Während des Betriebs der jeweiligen Brennstoffzelle kommt es, insbesondere an der Kathode, zu einer Beladung des Katalysators mit einem Oxid des Edelmetalls und somit mit einem Metall-Oxid, hier bspw. mit Platin-Oxid (PtOx), wobei eine Änderung der Menge an Metall-Oxid, d. h. ein Aufbau und ein Abbau des Metall-Oxids, mit der Spannung, die an der jeweiligen Brennstoffzelle anliegt, korreliert ist, wobei sich die Spannung und die Änderung der Menge gegenseitig beeinflussen und wechselseitig voneinander abhängig sind. Dabei wird mit dem Kontrollgerät 6 ein Lastpunkt der jeweiligen Brennstoffzelle eingestellt und dabei die bei der Brennstoffzelle angeforderte elektrische Leistung vorgegeben, wobei zum Erreichen der gewünschten Soll-Leistung entweder der Strom oder die Spannung geregelt werden. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene asymmetrische Modulation des Soll-Leistungswertes, insbesondere durch eine asymmetrische Sinusmodulation wird die an der Brennstoffzelle anliegende Spannung und somit auch die Menge an Metall-Oxid stetig verändert, d.h. es findet ein steter Umbau des Metall-Oxids statt. Dabei wird Metall-Oxid aufgebaut, wenn die Spannung erhöht wird, und abgebaut, wenn die Spannung verringert bzw. reduziert wird.During operation of the respective fuel cell, the catalyst is loaded, particularly at the cathode, with an oxide of the noble metal and thus with a metal oxide, here for example with platinum oxide (PtOx), with a change in the amount of metal -Oxide, ie a build-up and a breakdown of the metal oxide, is correlated with the voltage applied to the respective fuel cell, with the voltage and the change in quantity affecting each other and being mutually dependent on one another. A load point of the respective fuel cell is set with the
Im Rahmen des Verfahrens wird die bei der Brennstoffzelle durch das Kontrollgerät 6 angeforderte Leistung und somit eine von der Brennstoffzelle abzugebende Leistung durch Änderung des Lastpunkts gemäß einer periodischen Funktion, hier einer Sinusfunktion, verändert, wobei je nach zugrundeliegender Regelung auch die Spannung gemäß einer jeweiligen periodischen Funktion verändert wird, die anhand eines jeweiligen Verlaufs 24, 40 in den Diagrammen dargestellt ist. Üblicherweise ist die elektrische Spannung U proportional zur elektrischen Leistung P, wobei die Spannung U und die Leistung P über den elektrischen Strom I gemäß P = U * I zusammenhängen.As part of the method, the power requested from the fuel cell by the
Dabei ist der Verlauf 24 der Spannung in dem Diagramm aus
Weiterhin zeigt das Diagramm einen Aufwärtstransient 30, der sich von einem Minimum bis zu einem Maximum des Verlaufs 24 erstreckt, und einen Abwärtstransient 32, der sich von dem Maximum zum nächsten Minimum erstreckt. Dabei wird bei Erhöhung der Spannung (Aufwärtstransient 30) Metall-Oxid aufgebaut. Weiterhin wird bei Verringerung der Spannung (Abwärtstransient 32) Metall-Oxid abgebaut. Eine Änderung der Menge an Metall-Oxid gemäß einem abwechselnden Aufbau und Abbau kann sich logarithmisch verhalten.The diagram also shows an upward transient 30 extending from a minimum to a maximum of the
Da in dem ersten Abschnitt (Pfeil 25) die Spannung am stärksten geändert wird, wird in einem jeweiligen Lastpunkt auch eine maximale Amplitude der Spannung erreicht. Je höher eine Frequenz der periodischen Funktion ist, nach der die Leistung bei der Brennstoffzelle durch einen Wechsel der Lastpunkte angefordert wird, ist der Abbau des Metall-Oxids im Verhältnis zum Aufbau des Metall-Oxids deutlich schneller, wobei eine regenerative Wirkung auf den Katalysator viel größer als ein erneuter Verlust der Leistung durch einen erneuten Aufbau des Metall-Oxids im kurzzeitig durchlaufenen niedrigeren Bereich eines Lastpunkts ist.Since the voltage is changed the most in the first section (arrow 25), a maximum amplitude of the voltage is also reached at a respective load point. The higher the frequency of the periodic function, according to which the power is requested from the fuel cell by changing the load points, the breakdown of the metal oxide is significantly faster in relation to the build-up of the metal oxide, with a regenerative effect on the catalyst being much greater is greater than a renewed loss of performance due to a renewed build-up of the metal oxide in the lower range of a load point that has been passed through for a short time.
Üblicherweise wird bei einem Lastwechsel in einen höheren Lastpunkt Metall-Oxid (PtOx) teilweise abgebaut. Wird anschließend zurück in einen Ausgangszustand gewechselt, steht der mindestens einen Brennstoffzelle wieder (kurzzeitig) eine höhere Spannung zur Verfügung. Ein derartiger Recovery-Effekt hält eine begrenzte Zeit an, bis die Beladung mit Metall-Oxid erneut ein Ausgangsniveau erreicht hat. Durch einen steten Wechsel der Lastzustände bzw. Lastpunkte und durch wiederholtes Anheben und Absenken der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle wird die Beladung mit Metall-Oxid minimiert. Umbauprozesse des Metall-Oxids können dabei wesentlich schneller als der Lastwechsel selbst sein, so dass theoretisch ein hochdynamischer Lastwechsel möglich wäre. Um das gesamte Brennstoffzellensystem nicht zu schädigen und u. a. die mechanischen Komponenten des Brennstoffzellensystems vor einer zu großen Lastdynamik zu schützen, wird ein geringer bzw. weicher und stetiger Lastwechsel, z. B. entsprechend dem sinusförmigen Verlauf 24 aus
Der Aufbau des Metall-Oxids erfolgt stets hin zu einem thermodynamischen und elektrochemischen Gleichgewicht entsprechend einer aktuellen Lage der Spannung und einer Haltezeit bzw. Länge einer Periode, aber auch auch abhängig von Temperatur, Feuchte und anderer Betriebsbedingungen für die mindestens eine Brennstoffzelle.The metal oxide is always built up towards a thermodynamic and electrochemical equilibrium according to a current voltage level and a holding time or length of a period, but also depending on temperature, humidity and other operating conditions for the at least one fuel cell.
Mit zunehmender Haltezeit verschiebt sich zudem das elektrochemische Gleichgewicht, wobei eine immer fortwährende Anpassung der aktuellen Beladung der mindestens einen Brennstoffzelle mit Metall-Oxid erzwungen wird. Dies resultiert in dem bereits angesprochenen logarithmischen Verlauf der Spannung, hier einem Verlust der Spannung, wobei die Spannung nie einen Grenzwert erreicht.In addition, the electrochemical equilibrium shifts as the holding time increases, with the current loading of the at least one fuel cell having to be continuously adjusted with metal oxide being forced. This results in the already mentioned logarithmic course of the voltage, in this case a loss of voltage, with the voltage never reaching a limit value.
Je größer die Differenz zwischen einer momentanen Beladung mit Metall-Oxid und einer angestrebten Gleichgewichtskonstellation für die Beladung ist, desto stärker wird der Aufbau des Metall-Oxids forciert. Daher erfolgt der größte Aufbau an Metall-Oxid in den ersten Sekunden und schwächt dann immer stärker ab. Der Aufbauprozess ist, bezogen auf den Abbauprozess, langsam und dauert mehrere Sekunden bis Minuten an. Der Abbauprozess findet elektrochemisch wesentlich schneller statt und dauert eine Größenordnung von einigen Millisekunden an. Aufgrund eines derartigen zeitlichen Unterschieds resultiert eine positive Spannungsbilanz, wobei die Spannung steigt.The greater the difference between a momentary loading with metal oxide and a desired equilibrium constellation for the loading, the more the build-up of the metal oxide is forced. Therefore, the largest build-up of metal oxide occurs in the first few seconds and then weakens more and more. The build-up process is slow in relation to the break-down process and lasts from several seconds to minutes. Electrochemically, the degradation process takes place much faster and lasts on the order of a few milliseconds. Such a time difference results in a positive voltage balance, with the voltage increasing.
Die Brennstoffzelle bzw. ein aus mehreren Brennstoffzellen bestehender Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 4 stellt nach vollständigem Durchlauf einer Sinuskurve bzw. einer aus zwei Halbwellen bestehenden Phase des periodischen Verlaufs 24 bei gleichem Stromfluss eine höhere Spannung bereit. Die beim Durchlaufen der Sinuswelle bzw. der Phase kurzfristig bereitgestellte überschüssige elektrische Energie kann von dem Kontrollgerät 6 an einen der Abnehmer 8, 10 übermittelt werden.The fuel cell or a fuel cell stack consisting of a plurality of fuel cells of the fuel cell system 4 provides a higher voltage with the same current flow after a sine curve or a phase of the
Bei dem vorgesehenen Verfahren vorgesehen wird durch das Kontrollgerät 6 und/oder mit dem Kontrollgerät 6 die bei der Brennstoffzelle gemäß der periodischen, insbesondere sinusförmigen Funktion angeforderte Leistung asymmetrisch moduliert, wobei hierzu die Last entsprechend asymmetrisch moduliert gewechselt und eine zeitliche Abfolge der Lastpunkte entsprechend geändert wird. Daraus resultiert der in dem Diagramm aus
Weiterhin zeigt das Diagramm aus
Hierbei ist vorgesehen, dass zu einem jeweiligen Zeitpunkt eine Summe aus einem Sollwert der Leistung und einer hier sinusförmigen periodischen Funktion für die Leistung, nach der die Leistung asymmetrisch moduliert wird, geringer als eine maximal zulässige Grenze der Leistung und höher als eine minimal zulässige Grenze der Leistung ist, wobei auch der Verlauf 40 der Spannung geringer als eine maximal zulässige Grenze der Spannung und höher als eine minimal zulässige Grenze der Spannung ist. Dabei ändert sich bzw. oszilliert die Leistung und somit die Spannung zwischen einem jeweiligen zulässigen maximalen Wert und einem jeweiligen zulässigen minimalen Wert für die Leistung bzw. für die Spannung. Durch Änderung der Amplitude von Halbwelle 42, 44 zu Halbwelle 42, 44 aufgrund der asymmetrischen Modulation 46 wird auch das Zeitintervall bzw. die Dauer der jeweiligen Halbwelle 42, 44 asymmetrisch moduliert, wobei hier eine Fläche 50, die von jeder Halbwelle 42, 44 und der Zeitachse bzw. Abszisse 20 umschlossen ist und durch Integration berechnet wird, konstant ist, wobei trotz asymmetrischer Modulation 46 der Leistung die elektrische Energie erhalten bzw. konstant bleibt. Das Zeitintervall ergibt sich dann abhängig von der Amplitude und der konstant eingestellten Fläche 50, die von jeweils einer Halbwelle 42, 44 und der Zeitachse umschlossen ist. Je größer dabei eine Amplitude einer Halbwelle 42, 44 eingestellt wird, desto kürzer wird ihre Dauer bzw. ihr Zeitintervall. Je geringer dabei eine Amplitude einer Halbwelle 42, 44 eingestellt wird, desto länger wird ihre Dauer bzw. ihr Zeitintervall. Dabei ist es möglich, den Auf- und Abbau von Metall-Oxid des Katalysators variabel zu modulieren und die Brennstoffzelle schonend zu betreiben.It is provided that at a given point in time, a sum of a setpoint value for the power and a periodic function for the power, which is sinusoidal in this case, according to which the power is asymmetrically modulated, is less than a maximum permissible limit for the power and higher than a minimum permissible limit for the Power is where also the voltage trace 40 is less than a maximum allowable voltage limit and higher than a minimum allowable voltage limit. The power and thus the voltage changes or oscillates between a respective permissible maximum value and a respective permissible minimum value for the power or for the voltage. By changing the amplitude from half-
Durch die bei dem Verfahren durchgeführte asymmetrische Modulation ist es möglich, eine Amplitude und eine Dauer einer jeweiligen Halbwelle 42, 44 flexibel und bedarfsgerecht an das Brennstoffzellensystem 4 anzupassen. Dies ist bei der symmetrischen Modulation in der Form nicht möglich, da hier die Amplitude und die Dauer einer jeweiligen Halbwelle einer Periode des Verlaufs 24 für die zwei eine Periode bildenden Halbwellen gleich sind.The asymmetrical modulation carried out in the method makes it possible to adapt an amplitude and a duration of a respective half-
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Fahrzeugvehicle
- 44
- Brennstoffzellensystemfuel cell system
- 66
- Kontrollgerätcontrol device
- 8, 108, 10
- Abnehmercustomer
- 2020
- Abszisseabscissa
- 2222
- Ordinateordinate
- 2424
- Verlaufcourse
- 2525
- Pfeilarrow
- 2626
- Linieline
- 2727
- Pfeilarrow
- 2828
- Doppelpfeildouble arrow
- 3030
- Aufwärtstransientup transient
- 3232
- Abwärtstransientdown transient
- 4040
- Verlaufcourse
- 4242
- positive Halbwellepositive half-wave
- 4444
- negative Halbwellenegative half-wave
- 4646
- asymmetrische Modulationasymmetric modulation
- 4848
- symmetrische Modulationsymmetrical modulation
- 5050
- Flächesurface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2010092819 A1 [0003]US2010092819A1 [0003]
- JP 2006286405 A [0004]JP2006286405A [0004]
- DE 102004009211 A1 [0005]DE 102004009211 A1 [0005]
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DE102020119374.2A DE102020119374A1 (en) | 2020-07-22 | 2020-07-22 | Method for operating a fuel cell system |
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DE102020119374.2A DE102020119374A1 (en) | 2020-07-22 | 2020-07-22 | Method for operating a fuel cell system |
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004009211A1 (en) | 2003-03-27 | 2004-10-14 | Ford Global Technologies, LLC, Dearborn | Computer device for generating uniform heating in the exhaust system |
JP2006286405A (en) | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | Fuel cell operation controller, fuel cell operation method, catalyst for fuel cell, and fuel cell system |
US20100092819A1 (en) | 2007-02-05 | 2010-04-15 | Kenji Umayahara | Fuel cell system |
-
2020
- 2020-07-22 DE DE102020119374.2A patent/DE102020119374A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004009211A1 (en) | 2003-03-27 | 2004-10-14 | Ford Global Technologies, LLC, Dearborn | Computer device for generating uniform heating in the exhaust system |
JP2006286405A (en) | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | Fuel cell operation controller, fuel cell operation method, catalyst for fuel cell, and fuel cell system |
US20100092819A1 (en) | 2007-02-05 | 2010-04-15 | Kenji Umayahara | Fuel cell system |
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