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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer ersten Temperatur und einer zweiten Temperatur in einem Fluidpfad, beispielsweise in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems, über den ein Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird.
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Zur Leistungssteigerung werden eine Vielzahl an Brennstoffzellen übereinander angeordnet und zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, verbunden. Anodenseitig ist der Stack an einen Anodenkreis zur Brennstoffversorgung angebunden. Kathodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel an ein Luftsystem mit einem Zuluftpfad und einem Abluftpfad angeschlossen.
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Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom mit einem gewissen Druckniveau erfordert, ist im Zuluftpfad ein Luftverdichter angeordnet. Stromabwärts des Luftverdichters ist in der Regel ein Kühler in den Zuluftpfad integriert, um die durch das Verdichten stark erhitzte Luft zu kühlen. Als Kühler kann insbesondere ein Wärmeübertrager eingesetzt werden, der in einen Kühlkreis eines Kühlsystems integriert ist und die Wärme an ein Kühlmittel des Kühlkreises abgibt.
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Bei einer mehrstufig ausgelegten Luftverdichtung ist in der Regel nach der ersten Stufe der Luftverdichtung eine Zwischenkühlung und nach der zweiten Stufe der Luftverdichtung mindestens eine weitere Kühlung vorgesehen. Hierzu kann jeweils ein Wärmeübertrager eingesetzt werden. Die Wärmeübertrager können über einen Kühlkreis mit zwei Kühlmittelpumpen hydraulisch gekoppelt sein. Mit Hilfe der beiden Kühlmittelpumpen können die jeweils zum Abkühlen der Luft benötigten Kühlmittelmassenströme erzeugt werden. Zur Regelung der beiden Lufttemperaturen nach den beiden Wärmeübertragern sind Stand der Technik zwei getrennte Regler vorgesehen. Die Regler haben dabei keinerlei Information über das Vorhandensein des jeweils anderen Reglers und dessen Stellglied, sprich der ihm zugeordneten Kühlmittelpumpe. Aufgrund der hydraulischen Kopplung der beiden Kühlmittelpumpen über den Kühlkreis beeinflusst der Betrieb der einen Kühlmittelpumpe jedoch den Betrieb der jeweils anderen Kühlmittelpumpe. In anderen Worten hängen die von der einen Kühlmittelpumpe zu kompensierenden betriebspunktabhängigen Druckverluste im Kühlmittelkreis somit vom aktuellen Betriebspunkt der anderen Kühlmittelpumpe ab und umgekehrt. Das Stand der Technik Regelkonzept berücksichtigt diese physikalische Kopplung im System Kühlmittelkreis jedoch nicht, wodurch es zu einem unerwünschten Regelverhalten, wie zum Beispiel zu starken Oszillationen der Regelgrößen, kommen kann.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Temperaturregelung in einem Fluidpfad mittels mehrerer, über einen Kühlkreis hydraulisch gekoppelter Wärmeübertrager zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Regelung einer ersten Temperatur T1 sowie einer zweiten Temperatur T2 in einem Fluidpfad, beispielsweise in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystem, mit Hilfe eines ersten Wärmeübertragers und eines zweiten Wärmeübertragers, die in den Fluidpfad integriert sind und von einem Kühlmittel eines Kühlkreises durchströmt werden, in den eine erste Kühlmittelpumpe und eine zweite Kühlmittelpumpe zur Einstellung der benötigten Kühlmittelmassenströme angeordnet sind. Bei dem Verfahren wird eine Regeleinrichtung verwendet, die einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis mit jeweils einem Regler und einer Adaptionseinrichtung zur Adaption mindestens eines Reglerparameters des jeweiligen Reglers aufweist, wobei eine Stellgröße, eine Regelgröße, ein Zustandsvektor und/oder ein Regelfehler des einen Reglers zur Adaption des mindestens einen Reglerparameters des jeweils anderen Reglers verwendet wird bzw. werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Parameter der Regler automatisch an die aktuellen Betriebsbedingungen angepasst. In anderen Worten werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren diejenigen Werte der Reglerparameter ausgewählt, die am besten für die aktuelle Situation passen. Dadurch steigt die Regelperformance, da bei der Anpassung der Reglerparameter der Betriebszustand der jeweils anderen Kühlmittelpumpe berücksichtigt wird. Werden Änderungen am Fluidpfad vorgenommen, beispielsweise durch Integration eines weiteren Kühlers, kann die Regeleinrichtung durch Kalibrierung einfach adaptiert werden.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird es, durch den oben beschriebenen Informationsaustausch zwischen den Reglern, trotz der physikalischen Kopplung im System, sprich trotz der hydraulischen Kopplung der Kühlmittelpumpen über den Kühlmittelkreis, möglich mit relativ einfachen und in der Praxis bewährten Reglertypen eine gute Regelperformance zu erzielen. In anderen Worten ermöglicht, trotz physikalischer Kopplung im System, die Kommunikation zwischen den Reglern eine gute Regelperformance mit einfachen und wenig rechenintensiven Reglern.
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Als Regler können insbesondere P, PI oder PID-Regler verwendet werden. Abhängig vom Reglertyp kann es sich demnach bei den Reglerparametern, die adaptiert werden, insbesondere um die proportionale Reglerverstärkung KP, die Integriererverstärkung KI und/oder die Differenziererverstärkung KD handeln. Beziehungsweise kann es sich in der alternativen Darstellung dieser Reglertypen, bei den Reglerparametern, die adaptiert werden, um die Reglerverstärkung KP, die Nachstellzeit TN (TN= KP/KI) und/oder die Vorhaltezeit TV (TV=KD/KP) handeln.
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Denkbar ist auch der Einsatz anderer Reglertypen, beispielsweise der Einsatz von Zustandsreglern. Je nachdem welche Art von Zustandsregler verwendet wird, werden dann dessen Parameter adaptiert. Als Beispiele seien hier die Zustandsvektorrückführung beziehungswiese die Zustandsvektorrückführung mit Integration des Regelfehlers genannt, bei der in diesem Fall die Parameter des Rückführvektors und/oder der Vorverstärkung beziehungsweise des erweiterten Rückführvektors adaptiert werden würden. Wie bereits oben beschrieben, werden die Reglerparameter des einen Reglers basierend auf einer Stellgröße, einer Regelgröße, eines Zustandsvektors und/oder eines Regelfehlers des jeweils anderen Reglers adaptiert.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass Regler mit anti-Windup Funktion als Regler verwendet werden. Auf diese Weise können Stellgrößenbeschränkungen systematisch im Regelkonzept mitberücksichtigt werden.
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Vorteilhafterweise wird die Schnelligkeit der Anpassung der Parameter mit Hilfe von Verzögerungsgliedern, beispielsweise mit PT1-Gliedern, beeinflusst. Da eine zu schnelle Anpassung zu Instabilitäten im System führen kann, kann mit Hilfe der Verzögerungsglieder die Anpassung verlangsamt werden, so dass es nicht zu derartigen Instabilitäten kommt.
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Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 gemessen und, falls vom verwendeten Reglertyp benötigt, zur Ermittlung einer Abweichung gegenüber einer jeweils vorgegebenen Führungsgröße T1,set bzw. T2,set rückgeführt. Wird eine Abweichung erkannt, kann mit Hilfe der Regler bzw. der von den Reglern ausgegebenen Stellgrößen entgegengewirkt werden.
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Da ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung Brennstoffzellensysteme mit einem Zuluftpfad als Fluidpfad sind, über den im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgt wird, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste Temperatur T1 stromabwärts einer ersten Verdichtungsstufe und die zweite Temperatur T2 stromabwärts einer zweiten Verdichtungsstufe eines in den Zuluftpfad integrierten mehrstufigen Luftverdichtungssystems gemessen wird. Beim Verdichten erwärmt sich die Luft sehr stark, so dass sie abgekühlt werden muss. Hierzu können jeweils Wärmeübertrager in den Zuluftpfad integriert werden, die über einen Kühlkreis mit zwei Kühlmittelpumpen hydraulisch gekoppelt sind. Die Regelung der Temperatur im Zuluftpfad jeweils stromabwärts einer Verdichtungsstufe kann dann nach dem vorgeschlagenen Verfahren realisiert werden.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsmäße Verfahren auszuführen. Gelangt die Erfindung in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz kann es sich bei dem Steuergerät insbesondere um ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems handeln.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems und eines Kühlkreises zum Temperieren von Luft in einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems,
- 2 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit zwei Reglern einschließlich Adaptionseinrichtung zur Adaption der Reglerparameter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
- 3 ein Blockschaltbild zweier Regelkreise mit der Regeleinrichtung der 2.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 2 mit einem Fluidpfad 1 zu entnehmen, der einen Zuluftpfad zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit Luft ausbildet. Da der Brennstoffzellenstapel 20 einen bestimmten Luftmassenstrom ṁair mit einem bestimmten Druck benötigt, ist in den Fluidpfad 1 ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem mit einer ersten Verdichtungsstufe 15 und einer zweiten Verdichtungsstufe 16 vorgesehen. Die erste Verdichtungsstufe 15 wird elektrisch und die zweite Verdichtungsstufe 16 mittels einer Turbine 17 angetrieben, die in einen Abluftpfad 19 integriert ist. Der Turbine 17 wird somit die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 austretende feuchte Abluft zugeführt. Auf diese Weise kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie rückgewonnen werden. Bei Bedarf kann die Turbine 17 über einen Turbinen-Bypass 23 mit integriertem Bypassventil 24 umgangen werden. Ein weiterer Bypass 21, der sogenannte Stack-Bypass, mit integriertem Bypassventil 22 ist zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 20 vorgesehen.
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Da sich die Luft beim Verdichten sehr stark erwärmt, wird sie stromabwärts der Verdichtungsstufen 15, 16 jeweils mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Wärmeübertragers 3, 4 abgekühlt. Die Wärmeübertrager 3, 4 werden von einem Kühlmittel eines Kühlkreises 5 durchströmt, wobei der jeweils benötigte Kühlmittelmassenstrom ṁ1, ṁ2 über die Drehzahl einer in den Kühlkreis 5 integrierten Kühlmittelpumpe 6, 7 eingestellt wird. In den Kühlkreis 5 ist ferner ein Kühler 25 integriert, wobei es sich bei mobilen Anwendungen insbesondere um einen Fahrzeugkühler eines Brennstoffzellenfahrzeugs handeln kann. Abhängig von der Drehzahl der Kühlmittelpumpen 6, 7 und damit von den Massenströmen m1, ṁ2 im Kühlkreis 5 können somit die Temperatur T1 stromabwärts der ersten Verdichtungsstufe 15 sowie die Temperatur T2 stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe 16 eingestellt werden. Wie beispielhaft in der 1 dargestellt, kann zusätzlich zu den beiden Wärmeübertragern 3, 4 ein weiterer Wärmeübertrager, insbesondere ein Gas-zu-Gas Wärmeübertrager 18 in den Zuluftpfad stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe 16 integriert sein, um eine noch effizientere Kühlung zu erzielen. Denn der Gas-zu-Gas Wärmeübertrager 18 nutzt die vergleichsweise niedrige Temperatur der Abluft zum Vorkühlen der verdichteten Luft.
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Zur Regelung der Temperaturen T1 und T2 im Zuluftpfad (Fluidpfad 1) des in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 2 kann eine Regeleinrichtung 8 verwendet werden, wie sie beispielhaft in der 2 dargestellt ist.
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Die Regeleinrichtung 8 der 2 umfasst zwei Regler 11, 12 sowie zwei Adaptionseinrichtungen 32, 33 zur Adaption mindestens eines Reglerparameters des jeweiligen Reglers 11, 12. Die beiden Regler 11, 12 sind vorliegend als PI-Regler mit anti-Windup Funktion ausgeführt. Die Regeleinrichtung 8 der 2 besteht somit aus zwei Sub-Regeleinrichtungen 9, 10, das heißt aus zwei Reglern inklusive Adaptionseinrichtung.
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Die Regler 11, 12 geben jeweils eine Stellgröße u1, u2 aus, die aufgrund der anti-Windup Funktion ein vorgegebenes Minimum u1,min bzw. u2,min nicht unterschreiten sowie ein vorgegebenes Maximum u1,max bzw. u2,max nicht überschreiten kann. Die Stellgrößen u1, u2 hängen davon ab, wie groß die Regelabweichung e1 bzw. e2 im jeweiligen Regelkreis 30, 31 ist. Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, werden die aktuellen Temperaturen T1 und T2 im Zuluftpfad (Fluidpfad 1 in der 1) gemessen und mit einer Führungsgröße T1,set bzw. T2,set des jeweiligen Regelkreises 30, 31 verglichen.
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Die Stellgrößen u1, u2 werden darüber hinaus durch weitere Parameter beeinflusst. Da es sich vorliegend bei den Reglern 11, 12 um PI-Regler handelt, gehen jeweils die Reglerparameter KP und KI in die Berechnung der Stellgrößen u1, u2 ein (siehe 2). Die Reglerparameter KP und KI werden jeweils von einer KP-Parameter-Auswahlvorrichtung beziehungsweise KP-Parameter-Berechnungsvorschrift 26, 27 (für das P-Glied des PI Reglers) und einer KI-Parameter-Auswahlvorrichtung beziehungsweise KI-Parameter-Berechnungsvorschrift 28, 29 (für das I-Glied des PI Reglers) den Reglern 11, 12 bereitgestellt. Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann den KP-Parameter-Auswahlvorrichtungen beziehungsweise KP-Parameter-Berechnungsvorschriften 26, 27 und den KI-Parameter-Auswahlvorrichtungen beziehungsweise KI-Parameter-Berechnungsvorschriften 28, 29 jeweils ein Verzögerungsglied 13, 14, beispielsweise ein PT1-Glied, nachgeschaltet sein.
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Zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der KP-Parameter-Auswahlvorrichtung beziehungsweise KP-Parameter-Berechnungsvorschrift 26 und der KI-Parameter-Auswahlvorrichtung beziehungsweise Berechnungsvorschrift 28 des Reglers 11 die Stellgröße u2 des Reglers 12 zugeführt und umgekehrt. Das heißt, dass die Regler 11, 12 miteinander kommunizieren und ihre Stellgröße u1 bzw. u2 dem jeweils anderen Regler 12, 11 zur Ermittlung geeigneter Reglerparameter zur Verfügung stellen. Geeignete Werte der Reglerparameter sind dabei in einem Kennfeld (für das Zwischengrößen mittels Interpolation bestimmt werden) als abhängige Größe des Kennfelds hinterlegt. Alternativ können geeignete Werte der Reglerparameter auch durch eine mathematische Funktion beschrieben werden. In anderen Worten handelt es sich bei 26, 27, 28, 29 entweder um ein Kennfeld oder eine vorgegebene mathematische Funktion. Im Ergebnis können auf diese Weise die Regelgüte sowie die Regelperformance gesteigert werden.
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Die Stellgrößen u1, u2 der Regler 11, 12 wirken auf die Kühlmittelpumpen 6, 7, so dass bei Bedarf die Drehzahl der Kühlmittelpumpen 6, 7 und damit der jeweilige Kühlmittelmassenstrom ̇̇ṁ1, ṁ2 im Kühlkreis 5 angehoben oder gesenkt werden kann. Dadurch, dass die Regler 11, 12 miteinander kommunizieren, werden bei der Berechnung der Stellgrößen u1, u2 der Betriebszustand der jeweils anderen Kühlmittelpumpe 6, 7 automatisch mit berücksichtigt. Für den Fall, dass der in der 1 dargestellte Gas-zu-Gas Wärmeübertrager 18 ausgebaut oder gegen einen anderen Kühler ausgetauscht werden sollte, muss die Regeleinrichtung 8 lediglich neu kalibriert werden. Eine aufwendige Adaption ist dagegen nicht erforderlich. Gleiches gilt für sonstige Änderungen im Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems 2.
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Die Regeleinrichtung 8 der 2 ist nur beispielhaft gewählt. Denn die Regler 11, 12 müssen nicht zwingend als PI-Regler ausgeführt sein. Der Einsatz anderer Reglertypen ist ebenfalls möglich. Ferner kann auf die in der 2 dargestellten Verzögerungsglieder 13, 14 verzichtet werden.
