DE102022211778A1 - Control device for a fuel cell system, fuel cell system and method for controlling a fuel cell system - Google Patents

Control device for a fuel cell system, fuel cell system and method for controlling a fuel cell system Download PDF

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DE102022211778A1
DE102022211778A1 DE102022211778.6A DE102022211778A DE102022211778A1 DE 102022211778 A1 DE102022211778 A1 DE 102022211778A1 DE 102022211778 A DE102022211778 A DE 102022211778A DE 102022211778 A1 DE102022211778 A1 DE 102022211778A1
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Inventor
Jochen Braun
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft die Ansteuerung von Luftverdichtereinheiten in einem Brennstoffzellensystem, welches in einem Kathodenpfad mehrere in Serie angeordnete Luftverdichtereinheiten aufweist. Hierzu ist es vorgesehen, die Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten auf Basis einer Mehrzieloptimierung zu ermitteln, wobei eine Gesamtleistungsaufnahme für die Luftverdichtereinheiten minimiert werden kann.The invention relates to the control of air compressor units in a fuel cell system which has several air compressor units arranged in series in a cathode path. For this purpose, it is provided to determine the control variables for the air compressor units on the basis of a multi-objective optimization, whereby a total power consumption for the air compressor units can be minimized.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Steuervorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a control device for a fuel cell system, a fuel cell system with such a control device and a method for controlling a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme, wie etwa rein auf Wasserstoff basierende Systeme, können ein oder mehrere Brennstoffzellenstacks umfassen, die mit einem Anodengas, beispielsweise Wasserstoff, und einem Kathodengas, beispielsweise Luft, versorgt werden. Durch eine Reaktion in den Brennstoffzellenstacks kann beispielsweise der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff oxidieren, wobei elektrische Energie gewonnen werden kann. Hierbei kann die Leistungsdichte vergrößert werden, wenn die Reaktionen in den Brennstoffzellenstacks unter Druck betrieben werden.Fuel cell systems, such as purely hydrogen-based systems, can comprise one or more fuel cell stacks that are supplied with an anode gas, for example hydrogen, and a cathode gas, for example air. A reaction in the fuel cell stacks can, for example, oxidize the hydrogen with the oxygen in the air, whereby electrical energy can be generated. The power density can be increased if the reactions in the fuel cell stacks are operated under pressure.

Die Druckschrift DE 1 0 2011 087 912 A1 beschreibt beispielsweise ein Brennstoffzellensystem in welchem den Brennstoffzellenstacks über einen Verdichter gekühlte Luft zugeführt werden kann.The publication EN 1 0 2011 087 912 A1 describes, for example, a fuel cell system in which cooled air can be supplied to the fuel cell stacks via a compressor.

Zur Erhöhung der Effizienz und/oder des Eingangsdrucks an den Brennstoffzellenstacks können in dem Kathodenpfad eines solchen Brennstoffzellensystems mehrere Luftverdichter in Serie angeordnet werden.To increase the efficiency and/or the inlet pressure at the fuel cell stacks, several air compressors can be arranged in series in the cathode path of such a fuel cell system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem einer solchen Steuervorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides a control device for a fuel cell system, a fuel cell system of such a control device and a method for controlling a fuel cell system with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is envisaged:

Eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten. Die Steuervorrichtung ist hierbei dazu ausgelegt
für jede der mindestens zwei Luftverdichtereinheiten eine individuelle Stellgröße zu ermitteln. Dabei werden die individuellen Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten unter Verwendung mehrerer Sollwertvorgaben mittels einer Mehrzieloptimierung zur Minimierung eines elektrischen Gesamtleistungsbedarfs der Luftverdichtereinheiten unter Verwendung mindestens eines weiteren Optimierungsziels ermittelt.A control device for a fuel cell system with at least two electrically driven air compressor units. The control device is designed to
to determine an individual control variable for each of the at least two air compressor units. The individual control variables for the at least two air compressor units are determined using several setpoint specifications by means of a multi-objective optimization to minimize a total electrical power requirement of the air compressor units using at least one further optimization objective.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is planned:

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Kathodenpfad, einem Anodenpfad und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst mindestens einem Brennstoffzellenstack. Der Kathodenpfad ist dazu ausgelegt, in der Brennstoffzelleneinheit ein Kathodengas, beispielsweise Luft, insbesondere Sauerstoff, bereitzustellen. Der Kathodenpfad umfasst mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten. Der Anodenpfad ist dazu ausgelegt, ein Anodengas, beispielsweise Wasserstoff, in der Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen.A fuel cell system with a fuel cell unit, a cathode path, an anode path and a control device according to the invention. The fuel cell unit comprises at least one fuel cell stack. The cathode path is designed to provide a cathode gas, for example air, in particular oxygen, in the fuel cell unit. The cathode path comprises at least two electrically driven air compressor units. The anode path is designed to provide an anode gas, for example hydrogen, in the fuel cell unit.

Schließlich ist vorgesehen:Finally, it is planned:

Ein Verfahren zur Steuerung von mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten in einem Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems. A method for controlling at least two electrically driven air compressor units in a cathode path of a fuel cell system.

Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Empfangen von mehreren Sollwertvorgaben für das Brennstoffzellensystem. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln von individuellen Stellgrößen für jede der mindestens zwei Luftverdichtereinheiten in dem Kathodenpfad. Die individuellen Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten werden hierbei unter Verwendung mehrerer Sollwertvorgaben mittels einer Mehrzieloptimierung zur Minimierung eines elektrischen Gesamtleistungsbedarfs der mehreren Luftverdichtereinheiten unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Optimierungsziels ermittelt.The method includes a step for receiving a plurality of setpoint specifications for the fuel cell system. The method also includes a step for determining individual control variables for each of the at least two air compressor units in the cathode path. The individual control variables for the at least two air compressor units are determined using a plurality of setpoint specifications by means of a multi-objective optimization to minimize a total electrical power requirement of the plurality of air compressor units, taking into account at least one further optimization objective.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die effiziente Regelung der Luftverdichtereinheiten in Brennstoffzellensysteme, in welchem im Kathodenpfad mehrere solcher Luftverdichtereinheiten vorgesehen sind, stellt aktuell aufgrund der Vielzahl von zu berücksichtigenden Parametern eine regelungstechnische große Herausforderung dar. Neben dem primären Ziel, an den Kathodeneingängen der Brennstoffzellenstacks das Kathodengas, beispielsweise Luft, mit einem gewünschten Eingangsdruck und mit einem gewünschten Massenstrom bereitzustellen, ist es wünschenswert oder gar erforderlich, zahlreiche weitere Parameter zu berücksichtigen und zu optimieren.The efficient control of the air compressor units in fuel cell systems, in which several such air compressor units are provided in the cathode path, currently represents a major control engineering challenge due to the large number of parameters that have to be taken into account. In addition to the primary goal of providing the cathode gas, for example air, at the cathode inlets of the fuel cell stacks with a desired inlet pressure and with a desired mass flow, it is desirable or even necessary to take numerous other parameters into account and to optimize them.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung für die Luftverdichtereinheiten in einem Brennstoffzellensystem vorzusehen, welche eine effiziente, zuverlässige, stabile und möglichst einfach zu implementieren der Steuerung der Luftverdichtereinheiten in einem Kathodenpfad mit mehreren in Serie angeordneten Luftverdichtereinheiten ermöglicht. Hierzu ist eine Mehrzieloptimierung vorgesehen, welche als eines der primären Optimierungsziele eine Minimierung des Gesamtenergiebedarfes der Luftverdichtereinheiten vorsieht und darüber hinaus noch mindestens ein weiteres Ziel mit in Betracht zieht.It is therefore an idea of the present invention to provide a control for the air compressor units in a fuel cell system, which che enables efficient, reliable, stable and as easy as possible to implement control of the air compressor units in a cathode path with several air compressor units arranged in series. For this purpose, a multi-objective optimization is provided, which provides for minimizing the total energy requirement of the air compressor units as one of the primary optimization goals and also takes at least one other goal into account.

Aufgrund der hohen Komplexität und der Vielzahl von zu berücksichtigenden Parametern eignet sich eine Mehrzieloptimierung sehr gut zur Steuerung der mehreren Luftverdichtereinheiten in einem Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems. Durch das primäre Ziel der Minimierung des Gesamtenergiebedarfs für die Luftverdichtereinheiten kann dabei auch der Energiebedarf des Brennstoffzellensystem gesenkt und somit die Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert werden.Due to the high complexity and the large number of parameters to be taken into account, multi-objective optimization is very well suited to controlling the multiple air compressor units in a cathode path of a fuel cell system. The primary goal of minimizing the total energy requirement for the air compressor units can also reduce the energy requirement of the fuel cell system and thus increase the efficiency of the fuel cell system.

Für die Mehrzieloptimierung zur Ermittlung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten bei gleichzeitiger Optimierung mehrerer Zielgrößen kann beispielsweise eine Kostenfunktion erstellt werden. Diese Kostenfunktion wird als Funktion der zu optimierenden Ziele definiert. Die unterschiedlichen Ziele können dabei individuell gewichtet bzw. priorisiert werden. Die Gewichtung kann auch adaptiv sein. Beispielsweise kann die Gewichtung von Energiekosten, von individuellen Anwendungsfällen, von einer Alterung der Aggregate oder anderen Faktoren abhängig sein.
Beispielsweise kann auf diese Weise für die Mehrzieloptimierung eine Kostenfunktion formuliert werden, welche den Energiebedarf der Luftverdichtereinheiten über einen vorbestimmten Zeitraum beschreibt.For example, a cost function can be created for multi-objective optimization to determine the control variables for the air compressor units while simultaneously optimizing several target variables. This cost function is defined as a function of the objectives to be optimized. The different objectives can be individually weighted or prioritized. The weighting can also be adaptive. For example, the weighting can depend on energy costs, individual applications, aging of the units or other factors.
For example, a cost function can be formulated in this way for multi-objective optimization, which describes the energy requirements of the air compressor units over a predetermined period of time.

Gemäß einer Ausführungsform umfassen die mehreren Sollwertvorgaben zwei oder mehr der folgenden Sollwertvorgaben:

  • - einen Gasmassenstrom an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks,
  • - einen Druck oder eine Druckdifferenz an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks,
  • - ein Wassergehalt des Gases an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks,
  • - einen Gasmassenstrom an einer Einleitestelle eines Purge-Gase in dem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.
According to one embodiment, the plurality of setpoint specifications comprise two or more of the following setpoint specifications:
  • - a gas mass flow to a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack,
  • - a pressure or a pressure difference at a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack,
  • - a water content of the gas at a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack,
  • - a gas mass flow at an inlet point of a purge gas in the cathode path of the fuel cell system.

Insbesondere kann für die ersten drei Parameter jeweils ein individueller Wert für jeden Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystem spezifiziert werden. Für die letztgenannte Gasmenge an der Einleitstelle des Purge-Gases kann dagegen je nach Topologie auch nur ein Parameter für das gesamte Brennstoffzellensystem ausreichend sein. Alternativ zu den genannten Parametern können auch daraus abgeleitete Größen verwendet werden. In particular, an individual value can be specified for each fuel cell stack of the fuel cell system for the first three parameters. For the last-mentioned gas quantity at the purge gas inlet point, however, depending on the topology, just one parameter may be sufficient for the entire fuel cell system. As an alternative to the parameters mentioned, values derived from them can also be used.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist die Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten ferner unter Verwendung mindestens einer der folgenden Optimierungsziele??? zu ermitteln:

  • - Genauigkeit für die jeweiligen Sollwertvorgaben,
  • - Dynamik für das Regelverhalten des Brennstoffzellensystems,
  • - Belastungsunterschiede zwischen den Luftverdichtereinheiten, und/oder
  • - einer Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen der Luftverdichtereinheiten.
According to one embodiment, the control device is designed to determine the control variables for the at least two air compressor units further using at least one of the following optimization objectives???:
  • - Accuracy for the respective setpoint specifications,
  • - Dynamics for the control behaviour of the fuel cell system,
  • - Load differences between the air compressor units, and/or
  • - a number of start/stop operations of the air compressor units.

Für die Genauigkeit der Sollwertvorgaben kann beispielsweise berücksichtigt werden, dass der Massenstrom des Kathodengases, insbesondere des bereitgestellten Sauerstoffs in den Kathoden der Brennstoffzellenstacks von hoher Relevanz ist und daher mit großer Präzision bereitgestellt werden sollte. Andere Parameter wie beispielsweise Wassergehalt können dagegen gegebenenfalls mit einer großer Toleranz eingestellt werden. Bei der Berücksichtigung der Dynamik können zum Beispiel Vorgaben oder Betriebsbedingungen eines von dem Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgten Systems berücksichtigt werden. Wird zum Beispiel ein Elektrofahrzeug über das Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt, so können bei der Ermittlung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten zum Beispiel aktuelle Anforderungen oder Vorgaben des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Hinsichtlich der Belastungsunterschiede kann zum Beispiel berücksichtigt werden, dass die mehreren Luftverdichtereinheiten über einen längeren Zeitraum hinweg gesehen möglichst gleichmäßig belastet werden sollten. Ein Ungleichgewicht, bei welchem eine Luftverdichtereinheit längerfristig relativ gering belastet ist und eine weitere Luftverdichtereinheit dagegen längerfristig stark belastet wird, kann auf diese Weise vermieden werden. Da insbesondere die Start- und Stoppvorgänge für die Luftverdichtereinheiten eine starke Belastung darstellen und somit zu einer erhöhten Alterung führen, kann bei der Ermittlung der Stellgrößen für die Ansteuerung der Luftverdichtereinheiten dies ebenfalls berücksichtigt werden, und eine Betriebsstrategie vorgesehen werden, bei welchen derartige Start- und Stoppvorgänge minimiert und ausbalanciert werden.For the accuracy of the setpoint specifications, it can be taken into account, for example, that the mass flow of the cathode gas, in particular the oxygen provided in the cathodes of the fuel cell stacks, is of high relevance and should therefore be provided with great precision. Other parameters such as water content, on the other hand, can be set with a large tolerance if necessary. When taking the dynamics into account, specifications or operating conditions of a system supplied with electrical energy by the fuel cell system can be taken into account. If, for example, an electric vehicle is supplied with electrical energy via the fuel cell system, current requirements or specifications of the vehicle can be taken into account when determining the control variables for the air compressor units. With regard to the load differences, it can be taken into account, for example, that the several air compressor units should be loaded as evenly as possible over a longer period of time. An imbalance in which one air compressor unit is loaded relatively lightly over a longer period of time and another air compressor unit is loaded heavily over a longer period of time can be avoided in this way. Since the start and stop processes in particular represent a heavy load for the air compressor units and thus lead to increased aging, this can also be taken into account when determining the control variables for controlling the air compressor units, and an operating strategy can be provided in which such start and stop processes are minimized and balanced.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Mehrzieloptimierung eine Priorisierung der mehreren Sollwertvorgaben. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Priorisierung bzw. Gewichtung der Optimierungsziele vorgesehen sein. According to one embodiment, the multi-objective optimization includes a prioritization of the multiple target value specifications. Additionally or alternatively, a prioritization or weighting of the optimization objectives can also be provided.

Durch eine solche Priorisierung können besonders relevante Sollwertvorgaben höherer gewichtet werden. Insbesondere wenn es die Mehrzieloptimierung nicht ermöglicht sämtliche Sollwertvorgaben vollständig zu erfüllen, können durch eine geeignete Priorisierung zumindest die als wichtige angesehenen Sollwertvorgaben erfüllt werden. Die Kostenfunktion der Mehrzieloptimierung kann mehrere Ziele berücksichtigen, die eine adaptive Gewichtung der einzelnen Ziele ermöglichen. So können die Gewichtungen der Ziele während des Betriebs z.B. abhängig von Energiekosten, von Usecase, von Alterung der Aggregate oder anderen Faktoren entsprechend angepasst werden so dass sich die Betriebsstrategie dadurch auch entsprechend anpasst.Such prioritization allows particularly relevant target values to be given a higher weighting. In particular, if multi-objective optimization does not make it possible to fully meet all target values, appropriate prioritization can at least meet the target values considered important. The cost function of multi-objective optimization can take several objectives into account, which enables adaptive weighting of the individual objectives. The weighting of the objectives can be adjusted accordingly during operation, for example depending on energy costs, use cases, aging of the units or other factors, so that the operating strategy also adapts accordingly.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ferner dazu ausgelegt, Stellgrößen für ein oder mehrere Ventile in dem Kathodenpfad des Brenstoffzellensystems mittels der Mehrzieloptimierung zu ermitteln. Durch ein geeignetes Ansteuern der Ventile sowie gegebenenfalls vorhandenen Drosselklappen in dem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystem stehen für die Anpassung des Gasstroms in dem Kathodenpfad weitere Regelparameter zur Verfügung. Auf diese Weise können die erforderlichen Sollwertvorgaben und Optimierungen besser erreicht werden.According to one embodiment, the control device is further designed to determine control variables for one or more valves in the cathode path of the fuel cell system by means of multi-objective optimization. By appropriately controlling the valves and any throttle valves present in the cathode path of the fuel cell system, further control parameters are available for adjusting the gas flow in the cathode path. In this way, the required setpoint specifications and optimizations can be better achieved.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten ferner unter Verwendung von an Turboeinheiten der Luftverdichtereinheiten verfügbaren Abluftströmen zu ermitteln. Durch die Verwendung von derartigen Turboeinheiten an den Luftverdichtereinheiten steht eine zusätzliche bzw. alternative Möglichkeit zum Antrieb der Luftverdichtereinheiten zur Verfügung. Hierdurch kann kinetische Energie des Gasstroms im Abluftpfad des Kathodenpfads für den Antrieb der Luftverdichtereinheiten genutzt werden. Dies kann ebenfalls bei der Optimierung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten und gegebenenfalls der Ventile in dem Kathodenpfad berücksichtigt werden.According to one embodiment, the control device is designed to determine the control variables for the at least two air compressor units using exhaust air flows available on turbo units of the air compressor units. By using such turbo units on the air compressor units, an additional or alternative option for driving the air compressor units is available. This allows kinetic energy of the gas flow in the exhaust air path of the cathode path to be used to drive the air compressor units. This can also be taken into account when optimizing the control variables for the air compressor units and, if applicable, the valves in the cathode path.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Mehrzieloptimierung eine Minimierung einer Kostenfunktion für die zu optimierenden Parameter. Wie bereits eingangs ausgeführt, kann durch das Aufstellen einer geeigneten Kostenfunktion und deren Minimierung auf geeignete Weise eine Optimierung der vorzugsweise mehreren Ziele erreicht werden und gleichzeitig die Ermittlung von, angeforderten Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten in dem Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystem erzielt werden.According to one embodiment, the multi-objective optimization includes minimizing a cost function for the parameters to be optimized. As already explained at the beginning, by setting up a suitable cost function and minimizing it in a suitable manner, an optimization of preferably several objectives can be achieved and at the same time the determination of requested control variables for the air compressor units in the cathode path of a fuel cell system can be achieved.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Mehrzieloptimierung eine modelprädiktive Regelung ( engl. model predictive control, MPC), ein Moving-Horizon-Schätzverfahren (engl. moving horizon estimation, MHE) oder ein Verfahren des verstärkenden Lernens (engl. reinforcement learning, RL). Diese Verfahren eigenen sich gut um eine Mehrgrößenregelung bei gleichzeitiger Optimierung einer oder mehrerer Ziele umzusetzen.According to one embodiment, the multi-objective optimization includes a model predictive control (MPC), a moving horizon estimation (MHE) method or a reinforcement learning (RL) method. These methods are well suited to implementing multi-variable control while simultaneously optimizing one or more objectives.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Further embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilder Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilder Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
  • 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures.
  • 1 : a schematic representation of a block diagram fuel cell system according to an embodiment;
  • 2 : a schematic representation of a block diagram fuel cell system according to another embodiment; and
  • 3 : a flow chart underlying a method for controlling a fuel cell system according to an embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 30, einen Anodenpfad 20 mit einer Zuleitung 21 und einer Ableitung 22 für ein Anodengas, beispielsweise Wasserstoff. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Kathodenpfad 10 mit einer Zuleitung 11 und einer Ableitung 12 für ein Kathodengas, insbesondere Luft. Die Brennstoffzelleneinheit 30 kann hierbei mehrere Brennstoffzellenstapel/Brennstoffzellenstacks 31, 32 umfassen. Die hier dargestellte Anzahl von zwei Brennstoffzellenstacks 31, 32 sind dabei lediglich als schematisches Beispiel und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Sind im mehrere Brennstoffzellenstacks 31, 32 vorgesehen, so können diese individuell mit Anodengas und Kathodengas versorgt werden. Entsprechend sind auch für die individuellen Brennstoffzellenstacks 31, 32 individuelle Sollwerte beispielsweise für Eingangsdruck, Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang, Feuchtegehalt des Kathodengases, etc. möglich. 1 shows a schematic representation of a block diagram of a fuel cell system 1 according to an embodiment. The fuel cell system 1 comprises a fuel cell unit 30, an anode path 20 with a supply line 21 and a discharge line 22 for an anode gas, for example hydrogen. Furthermore, the fuel cell system 1 comprises a cathode path 10 with a supply line 11 and a discharge line 12 for a cathode gas, in particular air. The fuel cell unit 30 can comprise several fuel cell stacks 31, 32. The number of two fuel cell stacks 31, 32 shown here are merely a schematic example and do not represent a restriction of the present invention. If several fuel cell stacks 31, 32 are provided, they can be individually supplied with anode gas and cathode gas. Accordingly, individual setpoints are also possible for the individual fuel cell stacks 31, 32, for example for inlet pressure, pressure difference between inlet and outlet, moisture content of the cathode gas, etc.

Am Kathodeneingang der Brennstoffzelleneinheit 30 bzw. der Brennstoffzellenstacks 31, 32 kann das Kathodengas, beispielsweise Umgebungsluft, über die Zuleitung 11 des Kathodenpfads 10 bereitgestellt werden. Hierbei kann das Kathodengas über mehrere in dem Kathodenpfad 10 vorgesehene Luftverdichtereinheiten 101, 102 verdichtet werden. Auf diese Weise kann an den Eingängen der Brennstoffzellenstacks 31, 32 das Kathodengas gemäß vorgegebener Sollwerte wie Druck, Massenstrom, Feuchtegehalt, etc. bereitgestellt werden.At the cathode inlet of the fuel cell unit 30 or the fuel cell stacks 31, 32, the cathode gas, for example ambient air, can be provided via the supply line 11 of the cathode path 10. The cathode gas can be compressed via several air compressor units 101, 102 provided in the cathode path 10. In this way, the cathode gas can be provided at the inlets of the fuel cell stacks 31, 32 according to predetermined target values such as pressure, mass flow, moisture content, etc.

Die Luftverdichtereinheiten 101, 102 können dabei jeweils mittels einer elektrischen Maschine angetrieben werden. Hierzu sind beispielsweise elektrische Antriebssysteme mit einer elektrischen Maschine und einem vorgeschalteten Stromrichter möglich. Die Steuerung der mehreren in Serie geschalteten Luftverdichtereinheiten 101, 102 erfolgt hierbei beispielsweise über eine Steuereinrichtung 15. Die Steuereinrichtung 15 kann dabei die einzelnen Luftverdichtereinheiten 101, 102 derart ansteuern, dass das Kathodengas an den Eingängen der Brennstoffzellenstacks 31, 32 gemäß vorgegebener Sollwerte bereitgestellt wird.The air compressor units 101, 102 can each be driven by an electric machine. For example, electric drive systems with an electric machine and an upstream power converter are possible for this purpose. The control of the several air compressor units 101, 102 connected in series takes place, for example, via a control device 15. The control device 15 can control the individual air compressor units 101, 102 in such a way that the cathode gas is provided at the inputs of the fuel cell stacks 31, 32 according to predetermined target values.

Aufgrund der hohen Komplexität eines solchen Brennstoffzellensystems 1 muss die Steuereinrichtung 15 bei der Ansteuerung der Luftverdichtereinheiten 101, 102 hierbei eine Vielzahl von Sollwerten berücksichtigen. Beispielsweise können als Sollwerte jeweils individuelle Vorgaben für den Gas-Massenstrom an den einzelnen Kathodeneingängen der Brennstoffzellenstacks 31, 32 vorgegeben werden. Alternativ können auch korrespondierende Größen wie Volumenstrom, Molenstrom o. ä. vorgegeben werden. Weiterhin kann als Sollwert beispielsweise jeweils ein Druck für die einzelnen Eingänge der Kathoden der Brennstoffzellenstacks 31, 32 vorgegeben werden. Alternativ hierzu können beispielsweise auch Druckdifferenzen oder andere Vorgaben für Druckverhältnisse spezifiziert werden. Ferner kann beispielsweise auch jeweils ein Sollwert für eine Feuchte an den Eingängen der Kathode der Brennstoffzellenstacks 31, 32 vorgegeben werden. Alternativ hierzu können auch Angaben wie Wassergehalt des Kathodengases, Vorgaben für eine Aktivität des Kathodengases o. ä. spezifiziert werden. Die vorgenannten Angaben können jeweils individuell für jeden Brennstoffzellenstacks 31, 32 der Brennstoffzelleneinheit 30 vorgegeben werden. Weiterhin kann beispielsweise für die Brennstoffzelleneinheit 30 auch ein Gas-Massenstrom an einer Einleitstelle eines Purge-Gases vorgegeben werden. Alternativ kann an dieser einleite Stelle auch ein Volumenstrom, Molenstrom o. ä. vorgegeben werden.Due to the high complexity of such a fuel cell system 1, the control device 15 must take a large number of setpoints into account when controlling the air compressor units 101, 102. For example, individual specifications for the gas mass flow at the individual cathode inlets of the fuel cell stacks 31, 32 can be specified as setpoints. Alternatively, corresponding variables such as volume flow, molar flow, or the like can also be specified. Furthermore, a pressure for the individual inlets of the cathodes of the fuel cell stacks 31, 32 can be specified as a setpoint. Alternatively, pressure differences or other specifications for pressure ratios can also be specified. Furthermore, a setpoint for a humidity at the inlets of the cathode of the fuel cell stacks 31, 32 can also be specified, for example. Alternatively, information such as the water content of the cathode gas, specifications for an activity of the cathode gas, or the like can also be specified. The aforementioned information can be specified individually for each fuel cell stack 31, 32 of the fuel cell unit 30. Furthermore, for example, a gas mass flow can also be specified for the fuel cell unit 30 at an inlet point of a purge gas. Alternatively, a volume flow, molar flow or similar can also be specified at this inlet point.

Bei der Ermittlung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten 101, 102, insbesondere für die elektrischen Antriebe dieser Luftverdichtereinheiten 101, 102 kann darüber hinaus auch der Energiebedarf der Luftverdichtereinheiten 101, 102 mitberücksichtigt werden. Insbesondere kann hierbei eine Optimierung erfolgen, um den Gesamtenergiebedarf der Antriebe für die Luftverdichtereinheiten 101, 102 zu minimieren und ggf. weitere Ziele zu optimieren.When determining the control variables for the air compressor units 101, 102, in particular for the electric drives of these air compressor units 101, 102, the energy requirement of the air compressor units 101, 102 can also be taken into account. In particular, optimization can be carried out in order to minimize the total energy requirement of the drives for the air compressor units 101, 102 and, if necessary, to optimize other goals.

Zur Ermittlung der geeignete Stellgrößen für die Ansteuerung der Luftverdichtereinheiten 101, 102, insbesondere der elektrischen Antriebe dieser Luftverdichtereinheiten 101, 102 kann eine sogenannte Mehrzieloptimierung eingesetzt werden. Hierzu kann zum Beispiel eine Kostenfunktion definiert werden, welche als Ziel den Energiebedarf der zwei Luftverdichteraggregate für das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere in Bezug auf den Kathodenpfad 10 beinhaltet. Dabei liefert diese Kostenfunktion jeweils den Energiebedarf der einzelnen Luftverdichtereinheiten 101, 102 in dem Kathodenpfad 10. Zur Minimierung des Gesamtenergiebedarfs kann daraufhin solche Kostenfunktion minimiert werden. Beispielsweise kann die Kostenfunktion über ein vorgegebenes Zeitintervall hinweg auf integriert werden und eine optimale Betriebsstrategie für eine Minimierung dieser Integration der Kostenfunktion gesucht werden.To determine the suitable control variables for controlling the air compressor units 101, 102, in particular the electric drives of these air compressor units 101, 102, a so-called multi-objective optimization can be used. For this purpose, for example, a cost function can be defined which includes as a target the energy requirement of the two air compressor units for the fuel cell system 1, in particular with respect to the cathode path 10. This cost function provides the energy requirement of the individual air compressor units 101, 102 in the cathode path 10. To minimize the total energy requirement, such a cost function can then be minimized. For example, the cost function can be integrated over a predetermined time interval and an optimal operating strategy for minimizing this integration of the cost function can be sought.

Ist es bei der Ermittlung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten 101, 102 nicht möglich, sämtliche Sollwertvorgaben vollständig zu erfüllen, so kann beispielsweise eine Priorisierung einzelner Sollwertvorgaben erfolgen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass besonders bedeutsame Parameter, wie beispielsweise der in den Brennstoffzellenstacks 31, 32 bereitgestellte Sauerstoff mit ausreichender Präzision bereitgestellt wird, auch wenn beispielsweise weitere Parameter, wie zum Beispiel Feuchtigkeitsgehalt o. ä. nicht vollständig gemäß den Sollwertvorgaben erfüllt werden können.If it is not possible to fully meet all setpoint specifications when determining the control variables for the air compressor units 101, 102, individual setpoint specifications can be prioritized, for example. In this way, it can be ensured that particularly important parameters, such as the oxygen provided in the fuel cell stacks 31, 32, are provided with sufficient precision, even if, for example, other parameters, such as moisture content or similar, cannot be fully met in accordance with the setpoint specifications.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass an den Luftverdichtereinheiten 101, 102 jeweils als Turboeinheiten 111, 112 bezeichnende Komponenten vorgesehen sind. Bei diesen Turboeinheiten 111, 112 handelt es sich um Komponenten, welche durch Nutzung des Ausgangs-Gasstroms in dem Ableitpfad 12 des Kathodenpfads 10 der Brennstoffzelleneinheit 30 die Luftverdichtereinheiten 101, 102 antreiben können oder den elektrischen Antrieb der Luftverdichtereinheiten 101, 102 zumindest unterstützen können. Das grundlegende Prinzip eines Turboladers oder ähnlichem wird hier jedoch als bekannt vorausgesetzt und daher nicht weiter erläutert. 2 shows a schematic representation of a block diagram of a fuel cell system 1 according to a further embodiment. The fuel cell system 1 according to 2 differs from the previously described embodiment in that components designated as turbo units 111, 112 are provided on the air compressor units 101, 102. These turbo units 111, 112 are components which are generated by using the output gas flow in the discharge path 12 of the cathode the path 10 of the fuel cell unit 30 can drive the air compressor units 101, 102 or can at least support the electrical drive of the air compressor units 101, 102. However, the basic principle of a turbocharger or similar is assumed to be known here and therefore will not be explained further.

Weiterhin können in dem Brennstoffzellensystem 1, insbesondere in dem Kathodenpfad 10 des Brennstoffzellensystems 1 mehrere Ventile 121 bis 124 vorgesehen sein. Die hierbei dargestellten vier Ventile sind hierbei lediglich beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich kann auch eine beliebige andere Anzahl von Ventilen vorgesehen sein. Auch die Position der Ventile ist nicht auf die Darstellung gemäß 2 beschränkt. Durch entsprechendes Ansteuern derartiger Ventile 121 bis 124 kann der Gasstrom in dem Kathodenpfad 10 angepasst werden. Beispielsweise kann die an den Turboeinheiten 111, 112 bereitgestellte Gasmenge angepasst werden und somit die zum Antrieb der Luftverdichtereinheiten 101, 102 durch die Turboeinheiten 111, 112 bereitgestellte Antriebsenergie angepasst werden. Auch diese Parameter zur Ansteuerung der Ventile 121 bis 124 sowie die daraus resultierenden Gasströme können durch die Steuervorrichtung 15 berücksichtigt und eingestellt werden. Insbesondere kann diese Parametrisierung auch mit in die Mehrzieloptimierung zur Ermittlung der Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten 101, 102 einfließen. Als Verfahren zur Mehrzieloptimierung kann beispielsweise eine modelprädiktive Regelung (engl. model predictive control, MPC), ein Moving-Horizon-Schätzverfahren (engl. moving horizon estimation, MHE) oder ein Verfahren des verstärkenden Lernens (engl. reinforcement learning, RL) eingesetzt werden.Furthermore, several valves 121 to 124 can be provided in the fuel cell system 1, in particular in the cathode path 10 of the fuel cell system 1. The four valves shown here are to be understood as examples only. In principle, any other number of valves can also be provided. The position of the valves is also not limited to the illustration according to 2 limited. By appropriately controlling such valves 121 to 124, the gas flow in the cathode path 10 can be adjusted. For example, the amount of gas provided to the turbo units 111, 112 can be adjusted and thus the drive energy provided by the turbo units 111, 112 to drive the air compressor units 101, 102 can be adjusted. These parameters for controlling the valves 121 to 124 and the resulting gas flows can also be taken into account and adjusted by the control device 15. In particular, this parameterization can also be included in the multi-objective optimization for determining the manipulated variables for the air compressor units 101, 102. For example, a model predictive control (MPC), a moving horizon estimation (MHE) or a reinforcement learning (RL) method can be used as a method for multi-objective optimization.

Neben den zuvor genannten Sollwerten für die Steuerung der Luftverdichtereinheiten 101, 102 können darüber hinaus auch noch beliebige weitere Optimierungsziele mitberücksichtigt werden. Beispielsweise können neben der zuvor genannten Optimierung des Energiebedarfs für die Luftverdichtereinheiten 101, 102 zusätzliche Optimierungsziele verfolgt werden.In addition to the previously mentioned target values for controlling the air compressor units 101, 102, any other optimization goals can also be taken into account. For example, in addition to the previously mentioned optimization of the energy requirement for the air compressor units 101, 102, additional optimization goals can be pursued.

So können zum Beispiel der Gas-Massenstrom bzw. der Sauerstoff-Massenstrom in den Kathoden der Brennstoffzellenstacks 31, 32 von sehr hoher Relevanz sein. Entsprechend kann für die Optimierung der Regelung und der daraus resultierenden Ermittlung der Sollgrößen für einen solchen Parameter des bereitgestellten Sauerstoffs in dem Kathodengas als Ziel eine möglichst präzise Regelung dieser Sollwertvorgabe vorgegeben werden.For example, the gas mass flow or the oxygen mass flow in the cathodes of the fuel cell stacks 31, 32 can be of very high relevance. Accordingly, in order to optimize the control and the resulting determination of the target values for such a parameter of the oxygen provided in the cathode gas, the goal can be to control this target value as precisely as possible.

Ferner können zum Beispiel auch individuellen Belastungen der einzelnen Luftverdichtereinheiten 101, 102 sowie ein mögliches Ungleichgewicht bei der Belastung durch die entsprechenden Antriebe der Luftverdichtereinheiten 101, 102 mitberücksichtigt werden. Hierzu kann als Optimierungsziel beispielsweise eine möglichst gleichmäßige Belastung der in dem Kathodenpfad 10 vorgesehenen Luftverdichtereinheiten 101, 102 angestrebt werden - zumindest solange dies weiteren Optimierungszielen nicht entgegensteht.Furthermore, for example, individual loads of the individual air compressor units 101, 102 and a possible imbalance in the load caused by the corresponding drives of the air compressor units 101, 102 can also be taken into account. For this purpose, the optimization goal can be to achieve the most uniform possible load of the air compressor units 101, 102 provided in the cathode path 10 - at least as long as this does not conflict with further optimization goals.

Da gerade auch das Anlaufen/Starten sowie das Auslaufen/Stoppen der Luftverdichtereinheiten 101, 102 konstruktionsbedingt eine hohe Belastung der jeweiligen Komponenten darstellt und somit zu einer erhöhten Alterung führen kann, kann als weiteres Optimierungsziel auch eine mögliche Reduzierung derartiger Start-Stopp-Vorgänge incl. Balancierung mit in Betracht gezogen werden.Since the start-up/starting and the running-down/stopping of the air compressor units 101, 102 represent a high load on the respective components due to their design and can therefore lead to increased aging, a possible reduction of such start-stop processes including balancing can also be considered as a further optimization goal.

Ferner können auch beispielsweise bei der Optimierung Eigenschaften hinsichtlich der Dynamik des Brennstoffzellensystems 1 mit in Betracht gezogen werden. Soll durch das Brennstoffzellensystem 1 beispielsweise ein System wie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt werden, welches über einen zu betrachtenden Zeitraum hinweg mit einem zumindest annähernd gleichmäßigen Energiebedarf betrieben wird, so kann bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems und insbesondere der Luftverdichtereinheiten 101, 102 in dem Kathodenpfad 10 ebenfalls eine Betriebsstrategie mit geringen Anforderungen bezüglich der Dynamik eingestellt werden. Hierzu kann zum Beispiel die Betriebsstrategie dahingehend angepasst werden, dass sich die Sollgrößen wie Druck sowie Massen-/Volumenströme nur mit einer eher geringen Zeitkonstante variieren. Sind dagegen im durch das Brennstoffzellensystem 1 mit Energie versorgten System größere Leistungsschwankungen zu erwarten, so kann als Optimierungsziel auch eine Betriebsstrategie mit größerer Dynamik in den Größen des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Kathodenpfad 10 vorgesehen werden. Dies kann zum Beispiel bei der Wahl eines sportlichen Fahrmodus eines Elektrofahrzeugs der Falls sein.Furthermore, properties relating to the dynamics of the fuel cell system 1 can also be taken into account during optimization. If, for example, the fuel cell system 1 is intended to supply energy to a system such as an electrically powered motor vehicle which is operated with an at least approximately constant energy requirement over a period of time to be considered, an operating strategy with low requirements in terms of dynamics can also be set when controlling the fuel cell system and in particular the air compressor units 101, 102 in the cathode path 10. For this purpose, the operating strategy can be adapted, for example, so that the target variables such as pressure and mass/volume flows only vary with a relatively small time constant. If, on the other hand, larger performance fluctuations are to be expected in the system supplied with energy by the fuel cell system 1, an operating strategy with greater dynamics in the variables of the fuel cell system, in particular the cathode path 10, can also be provided as an optimization goal. This can be the case, for example, when selecting a sporty driving mode of an electric vehicle.

Darüber hinaus sind verständlich auch beliebige weitere Optimierungsziele bei der Ermittlung der Stellgrößen für das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere den Kathodenpfad 10 sowie die darin vorgesehenen Luftverdichtereinheiten 101, 102 möglich.In addition, any other optimization goals are of course possible when determining the control variables for the fuel cell system 1, in particular the cathode path 10 and the air compressor units 101, 102 provided therein.

Die beschriebenen Optimierungsziele können hierbei jeweils mit individuellen Gewichtungsfaktoren bzw. Prioritäten versehen werden. Insbesondere können beispielsweise temporär nicht relevante Optimierungsziele mit einem entsprechend geringen Faktor bis hin zu Null versehen werden.The optimization goals described can each be given individual weighting factors or priorities. In particular, optimization goals that are temporarily irrelevant can be given a correspondingly low factor down to zero.

Zur Ermittlung von optimalen Sollgrößen für die Luftverdichtereinheiten 101, 102 sowie gegebenenfalls weiter Komponenten wie Ventile oder ähnlichem in dem Kathodenpfad 10 des Brennstoffzellensystems 1 können die jeweiligen Optimierungsziele mit in die Kostenfunktion zur Mehrzieloptimierung einbezogen werden. Hierbei können die einzelnen Optimierungsziele entsprechend den zuvor bereits genannten Gewichtungsfaktoren individuell gewichtet werden. Durch Minimierung der so erhaltenen Kostenfunktion ist es möglich, auch bei einer Vielzahl von einzelnen Sollwertvorgaben und Optimierungszielen eine möglichst effiziente Ansteuerung der Luftverdichtereinheiten 101, 102 sowie gegebenenfalls weiteren Komponenten in dem Kathodenpfad 10 des Brennstoffzellensystems 1 zu erreichen. Zudem wird durch die adaptive Kostenfunktion eine jeweilige Anpassung der Betriebsstrategie an den jeweiligen Systemzustand (z.B. Alterung), die jeweiligen Fahrzyklen und die Systemrandbedingungen ermöglicht.In order to determine optimal target values for the air compressor units 101, 102 and possibly other components such as valves or similar in the cathode path 10 of the fuel cell system 1, the respective optimization goals can be included in the cost function for multi-goal optimization. The individual optimization goals can be individually weighted according to the weighting factors already mentioned. By minimizing the cost function obtained in this way, it is possible to achieve the most efficient control possible of the air compressor units 101, 102 and possibly other components in the cathode path 10 of the fuel cell system 1, even with a large number of individual target value specifications and optimization goals. In addition, the adaptive cost function enables the operating strategy to be adapted to the respective system state (e.g. aging), the respective driving cycles and the system boundary conditions.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Steuerung von mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten 101, 102 in einem Kathodenpfad 10 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, die zur Implementierung des zuvor beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 sowie der Betriebsstrategie für die Ansteuerung der Luftverdichtereinheiten 101, 102 erforderlich sind. Analog können auch die zuvor beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 beliebige Komponenten umfassen, wie zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind. 3 shows a flow chart as it is based on a method for controlling at least two electrically driven air compressor units 101, 102 in a cathode path 10 of a fuel cell system according to an embodiment. The method can basically comprise any steps that are required to implement the previously described fuel cell system 1 and the operating strategy for controlling the air compressor units 101, 102. Analogously, the previously described fuel cell system 1 can also comprise any components that are required to implement the method described below.

In einem Schritt S1 werden mehrere Sollwertvorgaben für das Brennstroffzellensystem 1, insbesondere für den Kathodenpfad 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 empfangen. Daraufhin erfolgt in Schritt S2 ein Ermitteln von individuellen Stellgrößen für jede der mindestens zwei Luftverdichtereinheiten 101, 102 in dem Kathodenpfad 10 des Brennstoffzellensystems 1. Dabei werden die individuellen Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten 101, 102 unter Verwendung mehrerer Sollwertvorgaben mittels einer Mehrzieloptimierung zur Minimierung eines elektrischen Gesamtleistungsbedarfs der mehreren Luftverdichtereinheiten 101, 102 ermittelt.In a step S1, several setpoint specifications for the fuel cell system 1, in particular for the cathode path 10 in the fuel cell system 1, are received. Then, in step S2, individual control variables are determined for each of the at least two air compressor units 101, 102 in the cathode path 10 of the fuel cell system 1. The individual control variables for the at least two air compressor units 101, 102 are determined using several setpoint specifications by means of a multi-objective optimization to minimize a total electrical power requirement of the several air compressor units 101, 102.

Die Mehrzieloptimierung kann hierbei beispielsweise durch die zuvor beschriebene Kostenfunktion zur Minimierung des Gesamtenergiebedarfs sowie gegebenenfalls beliebiger weitere Optimierungsziele erfolgen. Gegebenenfalls können auch Stellgrößen für weitere Komponenten in dem Kathodenpfad 10 des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt werden, insbesondere Stellgrößen die zur Erreichung der vorgegebenen Optimierungsziele geeignet sind.The multi-objective optimization can be carried out, for example, using the cost function described above to minimize the total energy requirement and, if necessary, any other optimization goals. If necessary, control variables for other components in the cathode path 10 of the fuel cell system 1 can also be determined, in particular control variables that are suitable for achieving the specified optimization goals.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung von Luftverdichtereinheiten in einem Brennstoffzellensystem, welches in einem Kathodenpfad mehrere in Serie angeordnete Luftverdichtereinheiten aufweist. Hierzu ist es vorgesehen, die Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten auf Basis einer Mehrzieloptimierung zu ermitteln, wobei eine Gesamtleistungsaufnahme für die Luftverdichtereinheiten minimiert werden kann.In summary, the present invention relates to the control of air compressor units in a fuel cell system which has several air compressor units arranged in series in a cathode path. For this purpose, it is provided to determine the control variables for the air compressor units on the basis of a multi-objective optimization, whereby a total power consumption for the air compressor units can be minimized.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011087912 A1 [0003]DE 102011087912 A1 [0003]

Claims (11)

Steuervorrichtung (15) für ein Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten (101, 102), wobei die Steuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, für jede der mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) eine individuelle Stellgröße zu ermitteln, und wobei die individuellen Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) unter Verwendung mehrerer Sollwertvorgaben mittels einer Mehrzieloptimierung zur Minimierung eines elektrischen Gesamtleistungsbedarfs der Luftverdichtereinheiten (101, 102) unter Verwendung mindestens eines weiteren Optimierungsziels ermittelt werden.Control device (15) for a fuel cell system (1) with at least two electrically driven air compressor units (101, 102), wherein the control device (15) is designed to determine an individual control variable for each of the at least two air compressor units (101, 102), and wherein the individual control variables for the at least two air compressor units (101, 102) are determined using a plurality of setpoint specifications by means of a multi-objective optimization to minimize a total electrical power requirement of the air compressor units (101, 102) using at least one further optimization objective. Steuervorrichtung (15) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Sollwertvorgaben mindestens zwei der folgenden Sollwertvorgaben oder eine daraus abgeleitete Größe umfassen: einen Gasmassenstrom an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks, einen Druck oder eine Druckdifferenz an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks (31, 32), ein Wassergehalt des Fluids an einen Stackeingang der Kathode eines Brenstoffzellenstacks (31, 32), einen Gasmassenstrom an einer Einleitestelle eines Purge-Gase in dem Kathodenpfad (10) des Brennstoffzellensystems (1).Control device (15) according to Claim 1 , wherein the plurality of setpoint specifications comprise at least two of the following setpoint specifications or a variable derived therefrom: a gas mass flow at a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack, a pressure or a pressure difference at a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack (31, 32), a water content of the fluid at a stack inlet of the cathode of a fuel cell stack (31, 32), a gas mass flow at an introduction point of a purge gas in the cathode path (10) of the fuel cell system (1). Steuervorrichtung (15) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist die Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) ferner unter Verwendung mindestens einer der folgenden Optimierungsziele zu ermitteln: Genauigkeit für die jeweiligen Sollwertvorgaben, Dynamik für das Regelverhalten des Brennstoffzellensystems (1), Belastungsunterschiede zwischen den Luftverdichtereinheiten (101, 102), und/oder einer Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen der Luftverdichtereinheiten (101, 102).Control device (15) according to Claim 1 or 2 , wherein the control device (15) is designed to determine the manipulated variables for the at least two air compressor units (101, 102) further using at least one of the following optimization objectives: accuracy for the respective setpoint specifications, dynamics for the control behavior of the fuel cell system (1), load differences between the air compressor units (101, 102), and/or a number of start/stop processes of the air compressor units (101, 102). Steuervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mehrzieloptimierung eine Priorisierung der mehreren Sollwertvorgaben und/oder eine Priorisierung oder Gewichtung der Optimierungsziele umfasst.Control device (15) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the multi-objective optimization comprises a prioritization of the multiple setpoint specifications and/or a prioritization or weighting of the optimization objectives. Steuervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (15) ferner dazu ausgelegt ist, Stellgrößen für ein oder mehrere Ventile (121 - 124) in einem Kathodenpfad (10) des Brennstoffzellensystems (1) mittels der Mehrzieloptimierung zu ermitteln.Control device (15) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the control device (15) is further designed to determine control variables for one or more valves (121 - 124) in a cathode path (10) of the fuel cell system (1) by means of multi-objective optimization. Steuervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist die Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) ferner unter Verwendung von an Turboeinheiten (111, 112) der Luftverdichtereinheiten (101, 102) verfügbaren Abluftströmen zu ermitteln.Control device (15) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the control device (15) is designed to determine the control variables for the at least two air compressor units (101, 102) further using exhaust air flows available at turbo units (111, 112) of the air compressor units (101, 102). Steuervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mehrzieloptimierung eine Minimierung einer Kostenfunktion für die zu optimierenden Parameter umfasst.Control device (15) according to one of the Claims 1 until 6 , where multi-objective optimization involves minimizing a cost function for the parameters to be optimized. Brennstoffzellensystem (1), mit: einer Brennstoffzelleneinheit (30) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (31, 32); einem Kathodenpfad (10) der dazu ausgelegt ist, ein Kathodengas in der Brennstoffzelleneinheit (30) bereitzustellen, wobei der Kathodenpfad mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten (101, 102) umfasst; einem Anodenpfad (20) der dazu ausgelegt ist, ein Anodengas in der Brennstoffzelleneinheit (30) bereitzustellen; und einer Steuervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell system (1), comprising: a fuel cell unit (30) with at least one fuel cell stack (31, 32); a cathode path (10) which is designed to provide a cathode gas in the fuel cell unit (30), wherein the cathode path comprises at least two electrically driven air compressor units (101, 102); an anode path (20) which is designed to provide an anode gas in the fuel cell unit (30); and a control device (15) according to one of the Claims 1 until 8th . Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzelleneinheit (30) mehrere Brennstoffzellenstacks (31, 32) umfasst, und die Steuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, die Stellgrößen für die Luftverdichtereinheiten (101, 102) unter Verwendung von individuellen Sollwertvorgaben für die mehreren Brennstoffzellenstacks (31, 32) zu ermitteln.Fuel cell system (1) according to Claim 8 , wherein the fuel cell unit (30) comprises a plurality of fuel cell stacks (31, 32), and the control device (15) is designed to determine the control variables for the air compressor units (101, 102) using individual setpoint values for the plurality of fuel cell stacks (31, 32). Verfahren zur Steuerung von mindestens zwei elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheiten (101, 102) in einem Kathodenpfad (10) eines Brennstoffzellensystems (1), mit den Schritten: Empfangen (S1) von mehreren Sollwertvorgaben für das Brennstoffzellensystem (1); Ermitteln (S2) von individuellen Stellgrößen für jede der mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) in dem Kathodenpfad (10), wobei die individuellen Stellgrößen für die mindestens zwei Luftverdichtereinheiten (101, 102) unter Verwendung mehrerer Sollwertvorgaben mittels einer Mehrzieloptimierung zur Minimierung eines elektrischen Gesamtleistungsbedarfs der mehreren Luftverdichtereinheiten (101, 102) unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Optimierungsziels ermittelt werden.Method for controlling at least two electrically driven air compressor units (101, 102) in a cathode path (10) of a fuel cell system (1), comprising the steps of: Receiving (S1) a plurality of setpoint specifications for the fuel cell system (1); Determining (S2) individual control variables for each of the at least two air compressor units (101, 102) in the cathode path (10), wherein the individual control variables for the at least two air compressor units (101, 102) are determined using a plurality of setpoint specifications by means of a multi-objective optimization to minimize a total electrical power requirement of the plurality of air compressor units (101, 102) taking into account at least one further optimization objective. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ermitteln der Stellgrößen unter Verwendung einer modelprädiktive Regelung, eines Moving-Horizon-Schätzverfahrens oder eines Verfahrens des verstärkenden Lernens ausgeführt wird.Procedure according to Claim 10 , whereby the determination of the manipulated variables is carried out using a model predictive control, a moving horizon estimation procedure or a reinforcement learning procedure.
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