EP4649239A1 - Verfahren für eine verdichteranordnung für ein fahrzeug mit einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren für eine verdichteranordnung für ein fahrzeug mit einem brennstoffzellensystem

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Publication number
EP4649239A1
EP4649239A1 EP24700528.3A EP24700528A EP4649239A1 EP 4649239 A1 EP4649239 A1 EP 4649239A1 EP 24700528 A EP24700528 A EP 24700528A EP 4649239 A1 EP4649239 A1 EP 4649239A1
Authority
EP
European Patent Office
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compressor arrangement
vehicle
fuel cell
supply
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700528.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Janik RICKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
Publication of EP4649239A1 publication Critical patent/EP4649239A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0261—Surge control by varying driving speed
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for a compressor arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the disclosure also relates to a computer program and/or computer-readable medium, a control device for a compressor arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle, a compressor arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a control device with a signal interface, a fuel cell system for a vehicle, in particular a commercial vehicle, and a vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the disclosure relates to a compressor arrangement for a fuel cell vehicle, that is to say a vehicle, in particular a commercial vehicle, which has a fuel cell system with the compressor arrangement and a fuel cell arrangement, wherein the compressor arrangement is configured to apply an air flow to a cathode of the fuel cell arrangement.
  • such compressor arrangements or compressors are controlled reactively by fuel cells.
  • the fuel cell system and/or another control unit specifies a mass flow to be conveyed by the compressor arrangement.
  • the compressor then increases or decreases a speed until an air mass meter has detected the requested mass flow. If a characteristic map of the compressor arrangement, from which a relationship between mass flow and speed can be derived, is stored in the fuel cell system or control unit, the control unit can directly specify the speed of the compressor.
  • the object of the present disclosure is to provide an improved method which is suitable for enriching the prior art.
  • a specific embodiment of the disclosure can solve the problem of enabling an improved operating strategy for a compressor arrangement, with which an improved and less wear-prone operation of the compressor arrangement can be achieved.
  • a method for a compressor arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the method comprises: detecting a temperature of air to be compressed and barometric information relating to the air as well as a rotational speed of the compressor arrangement and/or a power variable of the compressor arrangement; determining an operating point depending on the rotational speed and/or the power variable; determining an offer point that can be set as a potential operating point depending on the operating point, the temperature and the barometric information; determining offer information depending on the operating point and the offer point; and outputting the offer information.
  • the barometric information can be, for example, a height above sea level and/or the air pressure, whereby the air pressure can be determined from the height. It was recognized that the temperature and the air pressure can be decisive for the power reserves and thus for the control of the compressor arrangement.
  • the temperature and the barometric information are variables that can characterize the air to be compressed by the compressor arrangement.
  • the speed can be an actual speed and/or the power variable, for example a delivery rate, i.e. the mass flow, a volume flow and/or a drive power, can be an actual power variable.
  • the power variable of the compressor arrangement can be derived from the speed and vice versa in order to characterize the operating point of the compressor arrangement.
  • the operating point can indicate the actual operating state of the compressor arrangement.
  • the operating point can be determined by the speed and/or the power size that characterize the operation of the compressor arrangement and characterize the mass flow that can be generated by the compressor arrangement.
  • a supply point can be determined which is characterized, for example, by a maximum mass flow achievable by the compressor arrangement, a maximum pressure ratio achievable by the compressor arrangement and/or a speed that achieves the maximum mass flow and/or the maximum pressure ratio.
  • the supply point can therefore potentially be assumed by the compressor arrangement as an operating point.
  • the supply point thus describes a control reserve of the compressor arrangement, i.e. a parameter range that can be achieved for the compressor arrangement.
  • the operating point and the supply point allow the supply information to be output based on the control reserve of the compressor arrangement. It was recognized that the compressor arrangement can be operated more effectively and with less wear if the supply information relating to the operation of the compressor arrangement is determined and output, since a change from the operating point to the supply point can be associated with a load change and thus wear.
  • the output supply information can be taken into account, for example, in the control and/or regulation of the compressor arrangement in order to reduce the load change and thus reduce the wear of the compressor arrangement. This means that the reactive control of the compressor arrangement can This can be done further, because with the proposed operating strategy for the compressor arrangement, a requirement for a mass flow or a “demand” for air can be made less dynamic.
  • the supply information includes a mass flow that can be achieved at the supply point, a pressure ratio that can be achieved at the supply point and/or a speed relating to the supply point. It was recognized that by changing the operating point, a different mass flow, a different pressure ratio and/or a different speed can be controlled, each compared to the operating point.
  • the supply information therefore includes characteristic data relating to the compressor arrangement.
  • the supply point can be determined using a characteristic map of the compressor arrangement.
  • the characteristic map characterizes the operation of the compressor arrangement at a given temperature and pressure and indicates a relationship between the pressure ratio and the mass flow at a given speed. By considering several speeds, the characteristic map is created as a two-dimensional surface that can be stored in a control unit. This means that the supply point can be effectively determined starting from any operating point.
  • the supply information is determined depending on a speed difference and/or a power size difference.
  • the supply information indicates a distance from an actual mass flow to a maximum mass flow and/or a distance from an actual pressure ratio to a maximum pressure ratio.
  • the distances can be stored as values that can be called up by the control unit in order to determine the supply information.
  • the pressure ratio and mass flow are not independent of each other, but follow speed lines in a characteristic map.
  • the supply information can therefore include relevant variables for operating a fuel cell arrangement for a fuel cell control unit, for example.
  • the method comprises: determining a control period depending on the operating point and the supply point, whereby the supply information includes the control period.
  • the control period can include a temporal component to control the compressor arrangement.
  • the control period can refer to the period in which the supply point can be reached, starting from the operating point, for example until a maximum power level is reached, in particular an inverter power, i.e. a power of power electronics for driving the compressor arrangement.
  • control period includes a buffer period.
  • a buffer period This allows a time buffer component to be provided to protect the components of the compressor arrangement.
  • the buffer period can be added based on the minimum time in which the compressor arrangement is able to reach the supply point.
  • the buffer period can be constant.
  • a buffer time ensures that the compressor arrangement is operated with less dynamics, thus reducing load changes and protecting components.
  • the buffer period is dependent on an operating variable and/or operating temperature of the compressor arrangement.
  • the buffer period can also be made dependent on the operating variable and/or the operating temperature. If, for example, the compressor arrangement is operated at a power limit of the power electronics of the compressor arrangement as an operating variable and/or at a thermal limit, the buffer time can be set to be longer. This prevents a coating detachment on a bearing for a rotor of the compressor arrangement at high temperatures. Strong acceleration or load changes, which can promote wear, are avoided.
  • the offer information is determined taking into account a buffer factor.
  • the buffer factor can be integrated into the offer information as a safety factor.
  • the safety factor can be taken into account for the offer function in order to consider the offer information as subject to uncertainty and not to make every value of the offer information requestable or offer without the buffer factor. If, for example, the offer information specifies a mass flow of 200 g/s as a performance variable and this simultaneously represents the stuffing limit of the compressor arrangement, then this offer information could be reduced by 10% as a buffer factor in order to define a safety limit and not to force the compressor arrangement to the stuffing limit.
  • the compressor arrangement can become reactive after reaching a parameter regime with uncertainty, for example above the safety limit.
  • the vehicle in particular a commercial vehicle, comprises a fuel cell arrangement, and the compressor arrangement is designed to supply the fuel cell arrangement with an air flow.
  • the method can thus be provided for a compressor arrangement in which wear due to load changes can be particularly effectively avoided.
  • a computer program and/or computer-readable medium comprising instructions which, when the program or instructions are executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above and/or the steps of the method.
  • the computer program and/or computer-readable medium comprises instructions which, when the program or instructions are executed by a computer, cause the computer to implement one or more optional features of the method described above in order to achieve an associated technical effect.
  • a control device for a compressor arrangement for a vehicle in particular a commercial vehicle.
  • the control device is designed to carry out the method described above and has a signal interface for outputting the offer information.
  • the control device is designed to implement one or more optional features of the method described above in order to achieve an associated technical effect.
  • a compressor arrangement for a vehicle comprising the above-described control unit with a signal interface is provided.
  • a fuel cell system for a vehicle in particular a commercial vehicle, is provided.
  • the fuel cell system comprises the compressor arrangement described above, a fuel cell control unit and a Fuel cell arrangement, wherein the compressor arrangement is configured to supply the fuel cell arrangement with an air flow, and the signal interface is configured to output the supply information to the fuel cell control unit.
  • a vehicle in particular a commercial vehicle, comprising the compressor arrangement described above and/or the fuel cell system described above is provided.
  • the vehicle in particular a commercial vehicle, can comprise a pneumatically actuated braking device and the compressor arrangement can comprise a piston compressor and be configured to apply an air flow to the braking device of the vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • Fig. 1 shows schematically a vehicle, in particular a commercial vehicle, according to one aspect of the disclosure
  • Fig. 2 schematically shows a characteristic map with an operating point and a supply point for operating a compressor arrangement according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 3 schematically shows a flow chart of a method according to an aspect of the disclosure.
  • FIG 1 schematically shows a vehicle 200a, in particular commercial vehicle 200b, according to one aspect of the disclosure.
  • the vehicle 200a in particular commercial vehicle 200b, is referred to below as vehicle 200a, 200b.
  • vehicle 200a, 200b is, for example, a land vehicle, a watercraft and/or an aircraft.
  • the vehicle 200a, 200b has a fuel cell system 205, an energy storage device 206, for example a traction battery, and an electric drive 207.
  • the fuel cell system 205 is designed to provide electrical energy 65 to the energy storage device 206.
  • the Energy storage device 206 is, for example, a rechargeable energy storage device 206 and serves as a buffer battery for buffering electrical energy 65.
  • the energy storage device 206 is connected to the electric drive 207 in order to supply the electric drive 207 with electrical energy 65 so that the electric drive 207 can drive the vehicle 200a, 200b.
  • the fuel cell system 205 is connected to the electric drive 207 for the direct provision of electrical energy 65.
  • the fuel cell system 205 includes a compressor assembly 250, a fuel cell controller 208 and a fuel cell assembly 210.
  • the compressor arrangement 250 comprises one or more compressors (not shown) and a control unit 251.
  • the control unit 251 is designed to control the compressors or the compressor arrangement 250.
  • the control unit 251 of the compressor arrangement 250 comprises power electronics (not shown) for actuating an electric drive of the compressor arrangement 250 to drive the compressor arrangement 250.
  • the compressor arrangement 250 is designed to suck in air 255 and to act on the fuel cell arrangement 210 on the cathode side with an air flow 211.
  • the control unit 251 is configured to carry out the method 100 according to Figure 3.
  • the control unit 251 according to Figure 1 has a signal interface 254.
  • the signal interface 254 is configured to output offer information 280 to the fuel cell control unit 208.
  • the signal interface 254 can be a field bus interface, for example a CAN interface, and/or an interface for wireless communication, for example via Bluetooth and/or a wireless local area network (WLAN).
  • WLAN wireless local area network
  • the control unit 251 is designed to receive an absolute vehicle height above sea level as barometric information P and the outside air temperature as temperature T via a CAN bus and/or a wireless communication interface. Temperature sensors are present in vehicles to record the temperature T.
  • the barometric information P can be read out as height via topography information and/or via a pressure sensor.
  • the barometric Information P and temperature T influence the properties of the air 255 to be sucked in and thus the "power reserve" of compressor arrangement 250.
  • the intake pressure of compressor arrangement 250 is lower, i.e., with a certain pressure ratio rP, only a smaller absolute pressure or output pressure is achieved. This means that more energy has to be used for compression by compressor arrangement 250 for a given absolute pressure requirement. More energy is needed to compress warm air 255 than to compress cold air.
  • an altitude and temperature T or their influence on compression can be estimated using the electrical power consumption of the inverter, the pressure P and mass flow jM.
  • the compressor arrangement 250 has a speed sensor (not shown) and/or is set up for sensorless speed determination in order to determine a speed N of the compressor arrangement 250 or a rotor of the compressor arrangement 250.
  • the sensorless speed determination can be carried out by the power electronics.
  • the control unit 250 is set up to detect the speed N of the compressor arrangement 250 and a power variable W of the compressor arrangement 250.
  • the power variable W is, for example, a mass flow jM that quantitatively indicates a flow of the air flow 211.
  • the power variable W thus indicates a delivery capacity of the compressor arrangement 250.
  • the control unit 251 records the temperature T, the altitude above sea level or directly an air pressure as the barometric variable P, a speed N as the actual speed and the power variable W.
  • the power variable W can be determined from the speed N and a volume flow as aerodynamic power and/or based on a mechanical power on a shaft or the rotor of the compressor arrangement 250.
  • the control unit 251 has a memory (not shown) for storing data.
  • a characteristic map 253 (see Figure 2) of the compressor arrangement 250 is stored on the control unit 251 or in the memory.
  • the control unit 251 is designed to determine an operating point 260 (see Figure 2) depending on the speed N and the power W. The recorded data is processed in order to determine the operating point 260 in the characteristic map 253 of the compressor arrangement 250.
  • the control unit 251 is set up to determine an offer point 270 that can be set as a potential operating point 260 depending on the operating point 260, the temperature T and the barometric information P.
  • the control unit 251 is set up to record an operating variable BI and/or operating temperature BT of the compressor arrangement 250.
  • the operating variable BI describes, for example, the power consumption of the electric drive of the compressor arrangement 250.
  • the operating temperature BT describes the temperature of the compressor arrangement 250 and/or a component thereof.
  • the control unit 251 is set up to determine, depending on the operating point 260 and the supply point 270, a supply information 280 with a control period DT, including a buffer period PZ and a buffer factor F.
  • the supply information 280 has a mass flow jM achievable at the supply point 270 and/or a pressure ratio rP achievable at the supply point 270.
  • the control unit 251 is set up to transmit the supply information 280 to the fuel cell control unit 208 via the signal interface 254.
  • the supply information 280 can be transmitted permanently via the signal interface 254 so that the latest supply information 280 is available to the fuel cell control unit 208.
  • the supply information 280 which includes the mass flow jM, i.e. how much air the compressor arrangement 250 can deliver in what time, i.e. per unit of time, for example per second
  • the fuel cell control unit 208 can regulate the fuel cell arrangement 210, since a request based on the supply information 280 can be present via the communicated supply information 280.
  • the control unit sends information which represents the control of the compressor arrangement 250 in a wear-optimized time.
  • the supply function is artificially changed in favor of the compressor service life.
  • the supply information 280 can include that an absolute pressure increased by 0.5 bar as an achievable pressure ratio rP with an additional mass flow jM of 20 g/s as an achievable mass flow jM can be delivered in a period of 0.8 s as the control period DT, wherein a part of the control period DT of 0.8 s is the buffer period PZ and the compressor arrangement 250 can be controlled in the event of greater wear without or with a shorter buffer period PZ and thus a shorter control period DT according to the supply information 280.
  • the fuel cell control unit 208 can further process the supply information 280 for the predictive control of the fuel cell system 205, wherein the supply information 280 of the compressor arrangement 250 can be viewed as an upper limit.
  • Figure 2 schematically shows a characteristic map 253 with an operating point 260 and a supply point 270 for operating a compressor arrangement 250 according to one aspect of the disclosure.
  • a characteristic map 253 is stored in a control unit 251 of the compressor arrangement 250.
  • Such a control unit 251 and such a compressor arrangement 250 are described with reference to Figure 1.
  • Figure 2 is described with reference to Figure 1.
  • the characteristic map 253 is shown as a surface.
  • the characteristic map 253 is dependent on the pressure ratio rP and the power variable W or the mass flow jM of the air flow 211 .
  • the pressure ratio rP is the ratio of the pressure of the air to be sucked in 255 and the pressure of the air flow 211 .
  • the characteristic map 253 shows a relationship between the pressure ratio rP and the power variable W or the mass flow jM as a function of a speed N. For each speed N, a curve results in the characteristic map 253 that describes a relationship between the pressure ratio rP and the power variable W.
  • the characteristic map 253 is dependent on the temperature T and the barometric information P of the air to be sucked in.
  • an operating point 260 in the characteristic field 253 is established when the compressor arrangement 250 is operated.
  • the operating point 260 is defined by two of the following variables: can be defined: the speed N, the power W or the mass flow jM and the pressure ratio rP.
  • the characteristic map 253 is limited on the left, i.e. at a given speed N by a minimum power value W, by the so-called surge limit P.
  • the characteristic map 253 is limited on the right, i.e. at a given speed N by a maximum power value W, by the so-called stuffing limit.
  • the characteristic map 253 is also limited by a maximum speed N.
  • two supply points 270 are illustrated in Figure 2.
  • One of the supply points 270 (left) is an operating point 260 with a maximum pressure ratio rP.
  • DrP pressure ratio difference
  • Another of the supply points 270 (right) is an operating point 260 with a maximum mass flow jM or a maximum power size W.
  • the supply points 270 are connected by a line on the map 253 and are based on the same speed N.
  • the speed N is therefore a speed relating to the supply points 270.
  • There is a speed difference DN between the speed N at the operating point 260 and the speed N at the supply point 270.
  • the differences i.e. the pressure ratio difference Drp, the power size difference DW and the speed difference DN can be included in the supply information 280 in order to indicate the control reserve of the compressor arrangement 250.
  • the supply information 280 includes a control period DT relating to the pressure ratio difference Drp, the power size difference DW and/or the speed difference DN, which is necessary in order to control the supply point 270 starting from the operating point 260.
  • FIG. 3 schematically shows a flow chart of a method 100 according to an aspect of the disclosure.
  • the method 100 is a method 100 for a compressor arrangement 250 for a vehicle 200a, 200b. Such a compressor arrangement 250 and such a vehicle 200a, 200b are described with reference to Figure 1.
  • Figure 3 is described with reference to Figures 1 and 2.
  • the method 100 comprises: detecting 1 10 a temperature T of air 255 to be compressed and barometric information P relating to the air 255 as well as a rotational speed N of the compressor arrangement 250 and a power variable W of the compressor arrangement 250.
  • the detecting 1 10 thus corresponds to data acquisition or data input.
  • the temperature T, the altitude above sea level or directly an air pressure as the barometric variable P, a rotational speed N as the actual rotational speed and the power variable W are detected.
  • An operating point 260 is determined 120 as a function of the speed N and/or the power variable W.
  • the recorded data is processed in order to determine the operating point 260 in the characteristic map 253 (see Figure 2) of the compressor arrangement 250.
  • a supply point 270 is determined 130 as a function of the operating point 260, the temperature T and the barometric information P.
  • the supply point 270 is determined 130 based on a characteristic map 253 of the compressor arrangement 250. For this purpose, a maximum mass flow jM and a pressure ratio rP are determined at a given speed N.
  • the determination 130 of the supply point 270 is carried out on the basis of the current electrical power consumption as the power variable W of the inverter and the distance. Using the temperature T and the barometric information P, for example the vehicle height, an electrical power is calculated which is necessary to reach the supply point 270 and compared with the current power variable W. This results in a difference which can be controlled as long as the maximum inverter power is not exceeded.
  • a control period DT is determined 135 depending on the operating point 260 and the supply point 270.
  • a mass inertia or a moment of inertia is taken into account on the basis of mechanical variables, such as based on the rotor mass, whereby the mass can be parameterized, in order to determine together with a volume flow or mass flow jM and a pressure and/or pressure ratio rP.
  • a supply information 280 is determined 140 depending on the operating point 260 and the supply point 270.
  • the supply information 280 has a mass flow jM achievable at the supply point 270 and/or a pressure ratio rP achievable at the supply point 270.
  • the supply information 280 is determined depending on a speed difference DN and/or a power size difference DW.
  • the supply information 280 includes the control period DT, which indicates how long the compressor arrangement 250 needs to approach the supply point 270, for example as a point with maximum pressure ratio rP and/or maximum mass flow jM.
  • the control period DT includes a buffer period PZ.
  • the buffer period PZ depends on an operating variable BI and/or operating temperature BT of the compressor arrangement 250.
  • the supply information 280 is determined taking a buffer factor F into account.
  • the offer information 280 is output 150.
  • the offer information 280 is output in order to be able to process the offer information 280 in the fuel cell control unit 208.

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Abstract

Verfahren (100) für eine Verdichteranordnung (250) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), wobei das Verfahren (100) aufweist: Erfassen (110) von einer Temperatur (T) von einer zu verdichtenden Luft (255) und einer die Luft (255) betreffenden barometrischen Information (P) sowie einer Drehzahl (N) der Verdichteranordnung (250) und einer Leistungsgröße (W) der Verdichteranordnung (250); Bestimmen (120) eines Betriebspunktes (260) in Abhängigkeit der Drehzahl (N) und/oder der Leistungsgröße (W); Bestimmen (130) eines als potentiellen Betriebspunkt (260) einstellbaren Angebotspunktes (270) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt (260), der Temperatur (T) und der barometrischen Information (P); Ermitteln (140) einer Angebotsinformation (280) in Abhängigkeit von dem Betriebspunktes (260) und dem Angebotspunkt (270); und Ausgeben (150) der Angebotsinformation (280).

Description

VERFAHREN FÜR EINE VERDICHTERANORDNUNG FÜR EIN FAHRZEUG MIT EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren für eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Die Offenbarung betrifft auch ein Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, ein Steuergerät für eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend ein Steuergerät mit einer Signalschnittstelle, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug und ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug.
Insbesondere betrifft die Offenbarung eine Verdichteranordnung für ein Brennstoffzellenfahrzeug, also ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit der Verdichteranordnung und einer Brennstoffzellenanordnung aufweist, wobei die Verdichteranordnung zum Beaufschlagen einer Kathode der Brennstoffzellenanordnung mit einem Luftstrom eingerichtet ist.
Gemäß dem Stand der Technik werden derartige Verdichteranordnungen beziehungsweise Kompressoren von Brennstoffzellen reaktiv geregelt. D.h. das Brennstoffzellensystem und/oder ein anderes Steuergerät gibt der Verdichteranordnung einen Massenstrom vor, der durch die Verdichteranordnung zu fördern ist. Daraufhin hebt oder senkt der Kompressor eine Drehzahl, bis ein Luftmassenmesser den angeforderten Massenstrom detektiert hat. Wenn ein Kennfeld der Verdichteranordnung, aus dem ein Zusammenhang zwischen Massenstrom und Drehzahl ableitbar ist, im Brennstoffzellensystem beziehungsweise Steuergerät hinterlegt ist, kann das Steuergerät direkt die Drehzahl des Kompressors vorgeben.
Bei einer derartigen reaktiven Regelung ist es nicht gezielt möglich, eine verschleißoptimierte oder wenigstens verschleißverbesserte Betriebsstrategie durchzuführen, da lediglich der Massenstrom als eine Sollgröße vorgegeben wird, die dann von der Verdichteranordnung so schnell wie möglich einzustellen ist. Da in einem typischen Brennstoffzellensystem jedoch eine Pufferbatterie verbaut ist, sind manche dynamische Anwendungen gar nicht notwendig. Damit können durch die reaktive Regelung Lastwechsel der Verdichteranordnung induziert werden, die für das Betreiben des Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, keine oder nur eine geringe Relevanz aufweisen, jedoch einen Verschleiß der Verdichteranordnung implizieren. Ferner muss für die Lastwechsel Energie aufgewendet werden, womit ein Vermindern der Lastwechsel zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Verdichteranordnung und so zu einem effektiveren Betreiben der Verdichteranordnung führen kann.
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, welches geeignet ist, den Stand der Technik zu bereichern. Eine konkrete Ausgestaltung der Offenbarung kann die Aufgabe lösen, eine verbesserte Betriebsstrategie einer Verdichteranordnung zu ermöglichen, mit der ein verbessertes und verschleißärmeres Betreiben der Verdichteranordnung erzielt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die nebengeordneten Ansprüche und Unteransprüche haben optionale Weiterbildungen der Offenbarung zum Inhalt.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren für eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren auf: Erfassen von einer Temperatur von einer zu verdichtenden Luft und einer die Luft betreffenden barometrischen Information sowie einer Drehzahl der Verdichteranordnung und/oder einer Leistungsgröße der Verdichteranordnung; Bestimmen eines Betriebspunktes in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder der Leistungsgröße; Bestimmen eines als potentiellen Betriebspunkt einstellbaren Angebotspunktes in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt, der Temperatur und der barometrischen Information; Ermitteln einer Angebotsinformation in Abhängigkeit von dem Betriebspunktes und dem Angebotspunkt; und Ausgeben der Angebotsinformation.
Dabei kann die barometrische Information beispielsweise eine Höhe über dem Meeresspiegel und/oder der Luftdruck sein, wobei aus der Höhe der Luftdruck ermittelbar ist. Es wurde erkannt, dass die Temperatur und der Luftdruck ausschlaggebend für die Leistungsreserven und somit für die Regelung der Verdichteranordnung sein können. Die Temperatur und die barometrische Information sind Größen, die die durch die Verdichteranordnung zu komprimierende Luft charakterisieren können. Die Drehzahl kann eine Ist-Drehzahl sein und/oder die Leistungsgröße, beispielsweise eine Fördermenge, also der Massenstrom, ein Volumenstrom und/oder ein Antriebsleistung, kann eine Ist-Leistungsgröße sein. Aus der Drehzahl kann die Leistungsgröße der Verdichteranordnung ableitbar sein und umgekehrt, um den Betriebspunkt der Verdichteranordnung zu charakterisieren.
Der Betriebspunkt kann den Ist-Betriebszustand der Verdichteranordnung angeben. Der Betriebspunkt kann dabei durch die das Betreiben der Verdichteranordnung charakterisierenden Drehzahl und/oder der Leistungsgröße ermittelt werden und den durch die Verdichteranordnung generierbaren Massenstrom charakterisieren.
Ausgehend von dem ermittelten Betriebspunkt kann ein Angebotspunkt ermittelt werden, der durch beispielsweise einen maximalen durch die Verdichteranordnung erzielbaren Massenstrom, ein maximales durch die Verdichteranordnung erzielbares Druckverhältnis und/oder eine den maximalen Massenstrom und/oder das maximale Druckverhältnis erzielende Drehzahl charakterisiert ist. Der Angebotspunkt kann somit durch die Verdichteranordnung potentiell als Betriebspunkt angenommen werden. Der Angebotspunkt beschreibt somit eine Regelreserve der Verdichteranordnung, also einen Parameterbereich, der für die Verdichteranordnung erreichbar sein kann.
Durch den Betriebspunkt und den Angebotspunkt kann die Angebotsinformation auf der Grundlage der Regelreserve der Verdichteranordnung ausgegeben werden. Dabei wurde erkannt, dass die Verdichteranordnung effektiver und mit weniger Verschleiß betreibbar sein kann, wenn die das Betreiben der Verdichteranordnung betreffende Angebotsinformation ermittelt und ausgeben wird, da eine Änderung von dem Betriebspunkt zu dem Angebotspunkt mit einem Lastwechsel und somit einem Verschleiß verbunden sein kann. Die ausgegebene Angebotsinformation kann beispielsweise bei der Steuerung und/oder Regelung der Verdichteranordnung berücksichtigt werden, um den Lastwechsel zu mindern und so den Verschleiß der Verdichteranordnung zu mindern. Damit kann über das reaktive Regeln der Verdichteranordnung hinausgegangen werden, denn bei der vorgeschlagenen Betriebsstrategie für die Verdichteranordnung kann eine Anforderung an einen Massenstrom beziehungsweise eine „Nachfrage“ nach Luft weniger dynamisch gestaltet werden.
Optional weist die Angebotsinformation einen an dem Angebotspunkt erzielbaren Massenstrom, ein an dem Angebotspunkt erzielbares Druckverhältnis und/oder eine den Angebotspunkt betreffende Drehzahl auf. Dabei wurde erkannt, dass durch eine Änderung des Betriebspunktes ein anderer Massenstrom, ein anderes Druckverhältnis und/oder eine andere Drehzahl, jeweils gegenüber dem Betriebspunkt, ansteuerbar ist. Damit umfasst die Angebotsinformation die Verdichteranordnung betreffende Kenndaten.
Optional erfolgt das Bestimmen des Angebotspunkts anhand eines Kennfelds der Verdichteranordnung. Das Kennfeld charakterisiert das Betreiben der Verdichteranordnung bei gegebener Temperatur und Druck und gibt eine Abhängigkeit zwischen dem Druckverhältnis und dem Massenstrom bei gegebener Drehzahl an. Durch die Betrachtung mehrerer Drehzahlen ergibt sich so das Kennfeld als eine zweidimensionale Fläche, die in einem Steuergerät hinterlegt sein kann. Damit kann ausgehend von einem beliebigen Betriebspunkt der Angebotspunkt effektiv ermittelt werden.
Optional wird die Angebotsinformation in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz und/oder einer Leistungsgrößendifferenz ermittelt. Mit anderen Worten gibt die Angebotsinformation einen Abstand von einem Ist-Massenstrom zu einem maximalen Massenstrom und/oder einen Abstand von einem Ist-Druckverhältnis zu einem maximalen Druckverhältnis an. Die Abstände können als Werte für das Steuergerät abrufbar hinterlegt sein, um die Angebotsinformation zu ermitteln. Dabei sind das Druckverhältnis und Massenstrom nicht unabhängig voneinander, sondern folgen Drehzahllinien in einem Kennfeld. Damit kann die Angebotsinformation für beispielsweise ein Brennstoffzellensteuergerät relevante Größen zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung umfassen.
Optional weist das Verfahren auf: Ermitteln eines Regelzeitraums in Abhängigkeit des Betriebspunktes und des Angebotspunktes, wobei die Angebotsinformation den Regelzeitraum umfasst. Durch den Regelzeitraum kann eine zeitliche Komponente zur Regelung der Verdichteranordnung hinzugefügt werden. Der Regelzeitraum kann dabei ausgehend von dem Betriebspunkt den Zeitraum betreffen, in der der Angebotspunkt erreicht werden kann, beispielsweise bis zum Erreichen einer maximalen Leistungsgröße, insbesondere einer Inverterleistung, also einer Leistung einer Leistungselektronik zum Antreiben der Verdichteranordnung.
Optional umfasst der Regelzeitraum einen Pufferzeitraum. Damit kann eine zeitliche Pufferkomponente vorgesehen werden, um die Bauteile der Verdichteranordnung zu schonen. D.h. Ausgehend von der minimalen Zeit, in welcher die Verdichteranordnung in der Lage ist, den Angebotspunkt zu erreichen, kann der Pufferzeitraum addiert. Alternativ kann der Pufferzeitraum konstant sein. Eine Pufferzeit sorgt dafür, dass die Verdichteranordnung mit weniger Dynamik betrieben wird und damit Lastwechsel vermindert und Bauteile geschont werden.
Optional ist der Pufferzeitraum abhängig von einer Betriebsgröße und/oder Betriebstemperatur der Verdichteranordnung. Weiterhin optional kann der Pufferzeitraum auch von der Betriebsgröße und/oder der Betriebstemperatur abhängig gemacht werden. Wenn die Verdichteranordnung beispielsweise an einem Leistungslimit der Leistungselektronik der Verdichteranordnung als Betriebsgröße und/oder an einem thermischen Limit betrieben wird, kann die Pufferzeit größer gewählt werden. Damit wird eine Belagablösungen an einem Lager für einen Rotor der Verdichteranordnung bei großen Temperaturen vermieden. Eine starke Beschleunigung beziehungsweise Lastwechsel, die den Verschleiß fördern kann, wird vermieden.
Optional wird die Angebotsinformation unter Berücksichtigung eines Pufferfaktors ermittelt. Mit anderen Worten kann der Pufferfaktor als Sicherheitsfaktor in die Angebotsinformation integriert werden. Für die Angebotsfunktion kann der Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden, um die Angebotsinformation als mit einer Unsicherheit behaftet zu betrachten und nicht jeden Wert der Angebotsinformation, ohne den Pufferfaktor anforderbar zu machen beziehungsweise anzubieten. Wenn die Angebotsinformation beispielsweise als Leistungsgröße einen Massenstrom von 200 g/s angibt und dies gleichzeitig die Stopfgrenze der Verdichteranordnung repräsentiert, dann könnte diese Angebotsinformation um 10 % als Pufferfaktor reduziert werden, um eine Sicherheitsgrenze zu definieren und die Verdichteranordnung nicht an der Stopfgrenze zu betreiben. Optional kann die Verdichteranordnung nach Erreichen eines mit Unsicherheit behafteten Parameterregimes, beispielsweise oberhalb der Sicherheitsgrenze, reaktiv werden.
Optional umfasst das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, eine Brennstoffzellenanordnung, und die Verdichteranordnung ist zum Beaufschlagen der Brennstoffzellenanordnung mit einem Luftstrom eingerichtet. Damit kann das Verfahren für eine Verdichteranordnung vorgesehen werden, bei denen sich Verschleiß durch Lastwechsel besonders effektiv vermeiden lässt.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, umfassende Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren und/oder die Schritte des Verfahrens durchzuführen, bereitgestellt. Optional umfasst das Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, ein oder mehrere optionale Merkmale des oben beschriebenen Verfahrens zu verwirklichen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Steuergerät für eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Dabei ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, und weist eine Signalschnittstelle zum Ausgeben der Angebotsinformation auf. Optional ist das Steuergerät dazu eingerichtet, ein oder mehrere optionale Merkmale des oben beschriebenen Verfahrens zu verwirklichen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Verdichteranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend das oben beschriebene Steuergerät mit einer Signalschnittstelle, bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Die Brennstoffzellensystem umfasst die oben beschriebene Verdichteranordnung, ein Brennstoffzellensteuergerät und eine Brennstoffzellenanordnung, wobei die Verdichteranordnung dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzellenanordnung mit einem Luftstrom zu beaufschlagen, und die Signalschnittstelle dazu eingerichtet ist, die Angebotsinformation an das Brennstoffzellensteuergerät auszugeben.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend die oben beschriebene Verdichteranordnung und/oder das oben beschriebene Brennstoffzellensystem, bereitgestellt. Zusätzlich oder alternativ kann das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug eine pneumatisch aktuierbare Bremsvorrichtung umfassen und die Verdichteranordnung kann einen Kolbenkompressor umfassen und dazu eingerichtet sein, die Bremsvorrichtung des Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Luftstrom zu beaufschlagen.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform mit Bezug zu Figuren 1 bis 3 beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 2 zeigt schematisch ein Kennfeld mit einem Betriebspunkt und einem Angebotspunkt zum Betreiben einer Verdichteranordnung gemäß einem Aspekt der Offenbarung; und
Fig. 3 zeigt schematisch einen Ablaufplan eines Verfahrens gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Figur 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und/oder ein Flugzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 205, eine Energiespeichervorrichtung 206, beispielsweise eine Traktionsbatterie, und einen elektrischen Antrieb 207 auf. Das Brennstoffzellensystem 205 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 206 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 206 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 206 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 206 ist mit dem elektrischen Antrieb 207 verbunden, um den elektrischen Antrieb 207 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 207 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 205 mit dem elektrischen Antrieb 207 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 205 umfasst eine Verdichteranordnung 250, ein Brennstoffzellensteuergerät 208 und eine Brennstoffzellenanordnung 210.
Die Verdichteranordnung 250 umfasst einen oder mehrere Verdichter beziehungsweise Kompressoren (nicht gezeigt) und ein Steuergerät 251 . Das Steuergerät 251 ist zum Steuern der Verdichter beziehungsweise der Verdichteranordnung 250 eingerichtet. Das Steuergerät 251 der Verdichteranordnung 250 umfasst eine Leistungselektronik (nicht gezeigt) zum Beaufschlagen eines elektrischen Antriebs der Verdichteranordnung 250 zum Antreiben der Verdichteranordnung 250. Die Verdichteranordnung 250 ist dazu eingerichtet, Luft 255 anzusaugen und die Brennstoffzellenanordnung 210 kathodenseitig mit einem Luftstrom 211 zu beaufschlagen.
Das Steuergerät 251 ist dazu eingerichtet, das Verfahren 100 gemäß Figur 3 durchzuführen. Dafür weist das Steuergerät 251 gemäß Figur 1 eine Signalschnittstelle 254 auf. Die Signalschnittstelle 254 ist dazu eingerichtet, eine Angebotsinformation 280 an das Brennstoffzellensteuergerät 208 auszugeben. Die Signalschnittstelle 254 kann eine Feldbus-Schnittstelle, beispielsweise ein CAN-Schnittstelle, und/oder eine Schnittstelle zur kabellosen Kommunikation, beispielsweise über Bluetooth und/oder ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN) sein.
Das Steuergerät 251 ist dazu eingerichtet, über einen CAN-Bus und/oder eine kabellose Kommunikationsschnittstelle, eine absolute Fahrzeughöhe über dem Meeresspiegel als barometrische Information P und die Außenlufttemperatur als Temperatur T zu empfangen. Temperatursensoren sind in Fahrzeugen vorhanden, um die Temperatur T zu erfassen. Die barometrische Information P ist als Höhe über eine Topografieinformationen und/oder über einen Drucksensor auslesbar. Die barometrische Information P und die Temperatur T haben einen Einfluss auf Eigenschaften der anzusaugenden Luft 255 und somit die „Leistungsreserve“ Verdichteranordnung 250. In großen Höhen ist ein Ansaugdruck der Verdichteranordnung 250 geringer, d.h., mit einem bestimmten Druckverhältnis rP wird nur ein kleinerer Absolutdruck beziehungsweise Ausgabedruck erzielt. Damit ist durch die Verdichteranordnung 250 bei gegebener Anforderung an den Absolutdruck mehr Energie für die Verdichtung aufzuwenden. Für die Verdichtung warmer Luft 255 wird mehr Energie benötigt als für die Verdichtung kalter Luft. Alternativ kann über die elektrische Leistungsaufnahme des Inverters, den Druck P und Massenstrom jM eine Höhe und Temperatur T beziehungsweise deren Einfluss auf die Verdichtung geschätzt werden.
Die Verdichteranordnung 250 weist einen Drehzahlsensor (nicht gezeigt) auf und/oder ist zur sensorlosen Drehzahlermittlung eingerichtet, um eine Drehzahl N der Verdichteranordnung 250 beziehungsweise eines Rotors der Verdichteranordnung 250 zu ermitteln. Die sensorlose Drehzahlermittlung kann dabei durch die Leistungselektronik erfolgen. Das Steuergerät 250 ist dazu eingerichtet, die Drehzahl N der Verdichteranordnung 250 und eine Leistungsgröße W der Verdichteranordnung 250 zu erfassen. Die Leistungsgröße W ist beispielsweise ein Massenstrom jM, der einen Strom des Luftstrom 211 quantitativ angibt. Damit gibt die Leistungsgröße W eine Förderleistung der Verdichteranordnung 250 an. Das Steuergerät 251 erfasst die Temperatur T, die Höhe über dem Meeresspiegel beziehungsweise direkt ein Luftdruck als die barometrische Größe P, eine Drehzahl N als Ist-Drehzahl und die Leistungsgröße W. Die Leistungsgröße W ist aus der Drehzahl N und einem Volumenstrom als aerodynamische Leistung und/oder anhand einer mechanischen Leistung an einer Welle beziehungsweise dem Rotor der Verdichteranordnung 250 ermittelbar.
Das Steuergerät 251 weist einen nicht-gezeigten Speicher zum Speichern von Daten auf. Auf dem Steuergerät 251 beziehungsweise in dem Speicher ist ein Kennfeld 253 (siehe Figur 2) der Verdichteranordnung 250 hinterlegt ist.
Das Steuergerät 251 ist dazu eingerichtet, einen Betriebspunkt 260 (siehe Figur 2) in Abhängigkeit der Drehzahl N und der Leistungsgröße W zu bestimmen. Dabei erfolgt eine Verarbeitung der erfassten Daten, um den Betriebspunkt 260 in dem Kennfeld 253 der Verdichteranordnung 250 zu bestimmen. Das Steuergerät 251 ist dazu eingerichtet, einen als potentiellen Betriebspunkt 260 einstellbaren Angebotspunktes 270 in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt 260, der Temperatur T und der barometrischen Information P zu bestimmen. Dazu ist das Steuergerät 251 dazu eingerichtet, eine Betriebsgröße BI und/oder Betriebstemperatur BT der Verdichteranordnung 250 zu erfassen. Die Betriebsgröße BI beschreibt beispielsweise die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs der Verdichteranordnung 250. Die Betriebstemperatur BT beschreibt die Temperatur der Verdichteranordnung 250 und/oder einer Komponente davon.
Der Betriebspunkt 260 und der Angebotspunkt 270 sowie ein Zusammenhang zwischen dem Betriebspunkt 260 und dem Angebotspunkt 270 sind weiter mit Bezug zu Figur 2 beschrieben.
Das Steuergerät 251 gemäß Figur 1 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Betriebspunktes 260 und des Angebotspunktes 270, eine Angebotsinformation 280 mit einem Regelzeitraum DT, einschließlich eines Pufferzeitraums PZ und einem Pufferfaktor F zu bestimmen. Dabei weist die Angebotsinformation 280 einen an dem Angebotspunkt 270 erzielbaren Massenstrom jM und/oder ein an dem Angebotspunkt 270 erzielbares Druckverhältnis rP auf.
Das Steuergerät 251 ist dazu eingerichtet, die Angebotsinformation 280 über die Signalschnittstelle 254 an das Brennstoffzellensteuergerät 208 zu übermitteln. Die Angebotsinformation 280 kann permanent über die Signalschnittstelle 254 übertragen werden, damit eine jeweils aktuelle Angebotsinformation 280 dem Brennstoffzellensteuergerät 208 zur Verfügung steht. Anhand der Angebotsinformation 280, welche den Massenstrom jM umfasst, also wie viel Luft die Verdichteranordnung 250 in welcher Zeit, also pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, liefern kann, kann das Brennstoffzellensteuergerät 208 ein Regeln der Brennstoffzellenanordnung 210 bewerkstelligen, da über die kommunizierte Angebotsinformation 280 eine Anforderung basierend auf der Angebotsinformation 280 vorliegen kann.
Mit dem Pufferzeitraum PZ sendet das Steuergerät eine Information, welche das Regeln der Verdichteranordnung 250 in einer verschleißoptimierten Zeit repräsentiert. Mit dem Pufferzeitraum PZ wird die Angebotsfunktion künstlich zugunsten der Kompressorlebensdauer verändert. Beispielsweise kann die Angebotsinformation 280 umfassen, dass ein um 0,5 bar erhöhter Absolutdruck als erzielbares Druckverhältnis rP mit einem zusätzlichen Massenstrom jM von 20 g/s als erzielbaren Massenstrom jM in einem Zeitraum von 0,8 s als Regelzeitraum DT lieferbar ist, wobei ein Teil des Regelzeitraums DT von 0,8 s der Pufferzeitraum PZ ist und die Verdichteranordnung 250 bei einem höheren Verschleiß ohne oder mit einem kürzeren Pufferzeitraum PZ und somit einem kürzeren Regelzeitraum DT gemäß der Angebotsinformation 280 regelbar ist. Das Brennstoffzellensteuergerät 208 kann die Angebotsinformation 280 zur prädiktiven Regelung des Brennstoffzellensystem 205 weiterverarbeiten, wobei die Angebotsinformation 280 der Verdichteranordnung 250 dabei als Obergrenze betrachtet werden kann.
Figur 2 zeigt schematisch ein Kennfeld 253 mit einem Betriebspunkt 260 und einem Angebotspunkt 270 zum Betreiben einer Verdichteranordnung 250 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Ein derartiges Kennfeld 253 ist in einem Steuergerät 251 der Verdichteranordnung 250 hinterlegt. Ein derartiges Steuergerät 251 sowie eine derartige Verdichteranordnung 250 sind mit Bezug zu Figur 1 beschrieben. Figur 2 wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben.
Das Kennfeld 253 ist dabei als Fläche dargestellt. Dabei ist das Kennfeld 253 abhängig von dem Druckverhältnis rP und der Leistungsgröße W beziehungsweise dem Massenstrom jM des Luftstroms 211 . Das Druckverhältnis rP ist das Verhältnis des Drucks der anzusaugenden Luft 255 und des Drucks des Luftstroms 211 . Das Kennfeld 253 zeigt dabei einen Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis rP und der Leistungsgröße W beziehungsweise dem Massenstrom jM in Abhängigkeit von einer Drehzahl N. Für jede Drehzahl N ergibt sich in dem Kennfeld 253 eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis rP und der Leistungsgröße W beschreibt. Das Kennfeld 253 ist dabei abhängig von der Temperatur T und der barometrischen Informationen P der anzusaugenden Luft.
Bei gegebener Temperatur T und barometrischer Information P stellt sich beim Betreiben der Verdichteranordnung 250 ein in dem Kennfeld 253 liegender Betriebspunkt 260 ein. Der Betriebspunkt 260 ist durch zwei der folgenden Größen definierbar: die Drehzahl N, die Leistungsgröße W beziehungsweise den Massenstrom jM und das Druckverhältnis rP.
Das Kennfeld 253 ist links, also bei gegebener Drehzahl N durch eine minimale Leistungsgröße W, durch die sogenannten Pumpgrenze P beschränkt. Das Kennfeld 253 ist rechts, also bei gegebener Drehzahl N durch eine maximale Leistungsgröße W, durch die sogenannte Stopfgrenze beschränkt. Ferner ist das Kennfeld 253 durch eine maximale Drehzahl N beschränkt.
Ferner sind in Figur 2 zwei Angebotspunkte 270 illustriert. Einer der Angebotspunkte 270 (links) ist ein Betriebspunkt 260 mit einem maximalen Druckverhältnis rP. Zwischen dem Angebotspunkt 270 und dem Betriebspunkt 260 besteht eine Druckverhältnisdifferenz DrP. Ein anderer der Angebotspunkte 270 (rechts) ist ein Betriebspunkt 260 mit einem maximalen Massenstrom jM beziehungsweise einer maximalen Leistungsgröße W. Zwischen dem Angebotspunkt 270 und dem Betriebspunkt 260 besteht eine Leistungsgrößendifferenz DW. Dabei sind die Angebotspunkte 270 auf dem Kennfeld 253 durch eine Linie verbunden, und liegen derselben Drehzahl N zugrunde. Damit ist die Drehzahl N eine die Angebotspunkte 270 betreffende Drehzahl. Zwischen der Drehzahl N am Betriebspunkt 260 und der Drehzahl N am Angebotspunkt 270 besteht eine Drehzahldifferenz DN.
Die Differenzen, also die Druckverhältnisdifferenz Drp, die Leistungsgrößendifferenz DW und die Drehzahldifferenz DN können von der Angebotsinformation 280 umfasst sein, um die Regelreserve der Verdichteranordnung 250 anzugeben. Dabei umfasst die Angebotsinformation 280 einen die Druckverhältnisdifferenz Drp, die Leistungsgrößendifferenz DW und/oder die Drehzahldifferenz DN betreffenden Regelzeitraum DT, der notwendig ist, um ausgehend von dem Betriebspunkt 260 den Angebotspunkt 270 anzusteuern.
Figur 3 zeigt schematisch einen Ablaufplan eines Verfahrens 100 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Verfahren 100 ist ein Verfahren 100 für eine Verdichteranordnung 250 für ein Fahrzeug 200a, 200b. Eine derartige Verdichteranordnung 250 und ein derartiges Fahrzeug 200a, 200b sind mit Bezug zu Figur 1 beschrieben. Figur 3 wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 beschrieben. Das Verfahren 100 weist auf: Erfassen 1 10 von einer Temperatur T von einer zu verdichtenden Luft 255 und einer die Luft 255 betreffenden barometrischen Information P sowie einer Drehzahl N der Verdichteranordnung 250 und einer Leistungsgröße W der Verdichteranordnung 250. Das Erfassen 1 10 entspricht also einer Datenerfassung beziehungsweise Dateneingabe. Dabei werden die Temperatur T, die Höhe über dem Meeresspiegel beziehungsweise direkt ein Luftdruck als die barometrische Größe P, eine Drehzahl N als Ist-Drehzahl und die Leistungsgröße W erfasst.
Es erfolgt ein Bestimmen 120 eines Betriebspunktes 260 in Abhängigkeit der Drehzahl N und/oder der Leistungsgröße W. Dabei erfolgt eine Verarbeitung der erfassten Daten, um den Betriebspunkt 260 in dem Kennfeld 253 (siehe Figur 2) der Verdichteranordnung 250 zu bestimmen.
Es erfolgt ein Bestimmen 130 eines Angebotspunktes 270 in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt 260, der Temperatur T und der barometrischen Information P. Das Bestimmen 130 des Angebotspunkts 270 erfolgt anhand eines Kennfelds 253 der Verdichteranordnung 250. Dafür erfolgt eine Bestimmung von zu einem maximalen Massenstrom jM und einem Druckverhältnis rP bei gegebener Drehzahl N.
Das Bestimmen 130 des Angebotspunkts 270 erfolgt auf Basis der aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme als Leistungsgröße W des Inverters und dem Abstand. Über die Temperatur T und die barometrische Information P, beispielsweise die Fahrzeughöhe, wird eine elektrische Leistung berechnet, welche zum Erreichen des Angebotspunkts 270 notwendig ist und mit der aktuellen Leistungsgröße W verglichen. Hieraus ergibt sich ein Unterschied, welcher ausgesteuert werden kann, sofern die maximale Inverterleistung nicht überschritten wird.
Es erfolgt ein Ermitteln 135 eines Regelzeitraums DT in Abhängigkeit des Betriebspunktes 260 und des Angebotspunktes 270. Dabei wird anhand von mechanischen Größen, wie basierend auf der Rotormasse, wobei die Masse parametriert sein kann, eine Massenträgheit beziehungsweise ein Trägheitsmoment berücksichtigt, um zusammen mit einem Volumenstrom oder Massenstrom jM und einem Druck und/oder Druckverhältnis rP zu ermitteln. Es erfolgt ein Ermitteln 140 einer Angebotsinformation 280 in Abhängigkeit von dem Betriebspunktes 260 und dem Angebotspunkt 270. Dabei weist die Angebotsinformation 280 einen an dem Angebotspunkt 270 erzielbaren Massenstrom jM und/oder ein an dem Angebotspunkt 270 erzielbares Druckverhältnis rP auf. Die Angebotsinformation 280 wird in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz DN und/oder einer Leistungsgrößendifferenz DW ermittelt. Die Angebotsinformation 280 umfasst den Regelzeitraum DT umfasst, der Angibt wie lange die Verdichteranordnung 250 benötigt, um den Angebotspunkt 270 beispielsweise als Punkt mit maximalen Druckverhältnis rP und/oder maximalen Massenstrom jM anzufahren. Der Regelzeitraum DT umfasst einen Pufferzeitraum PZ. Der Pufferzeitraum PZ ist abhängig von einer Betriebsgröße BI und/oder Betriebstemperatur BT der Verdichteranordnung 250. Die Angebotsinformation 280 wird unter Berücksichtigung eines Pufferfaktors F ermittelt.
Es erfolgt ein Ausgeben 150 der Angebotsinformation 280. Die Angebotsinformation 280 wird ausgegeben, um die Angebotsinformation 280 in dem Brennstoffzellensteuergerät 208 verarbeiten zu können.
Bezuqszeichen (Teil der Beschreibung)
65 elektrische Energie
100 Verfahren
110 Erfassen
120 Bestimmen eines Betriebspunktes
130 Bestimmen eines Angebotspunktes
135 Ermitteln eines Regelzeitraums
140 Ermitteln einer Angebotsinformation
150 Ausgeben
200a Fahrzeug
200b Nutzfahrzeug
205 Brennstoffzellensystem
206 Energiespeichervorrichtung
207 elektrischer Antrieb
208 Brennstoffzellensteuergerät
210 Brennstoffzellenanordnung
211 Luftstrom
250 Verdichteranordnung
253 Kennfeld
251 Steuergerät
254 Signalschnittstelle
255 Luft
260 Betriebspunkt
270 Angebotspunkt
280 Angebotsinformation
BI Betriebsgröße
BT Betriebstemperatur
DN Drehzahldifferenz
DrP Druckverhältnisdifferenz
DW Leistungsgrößendifferenz jM Massenstrom
F Pufferfaktor
N Drehzahl
P barometrische Information
PZ Pufferzeitraum rP Druckverhältnis
T Temperatur
W Leistungsgröße

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren (100) für eine Verdichteranordnung (250) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), wobei das Verfahren (100) aufweist:
- Erfassen (110) von einer Temperatur (T) von einer zu verdichtenden Luft (255) und einer die Luft (255) betreffenden barometrischen Information (P) sowie einer Drehzahl (N) der Verdichteranordnung (250) und einer Leistungsgröße (W) der Verdichteranordnung (250);
- Bestimmen (120) eines Betriebspunktes (260) in Abhängigkeit der Drehzahl (N) und/oder der Leistungsgröße (W);
- Bestimmen (130) eines als potentiellen Betriebspunkt (260) einstellbaren Angebotspunktes (270) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt (260), der Temperatur (T) und der barometrischen Information (P);
- Ermitteln (140) einer Angebotsinformation (280) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt (260) und dem Angebotspunkt (270); und
- Ausgeben (150) der Angebotsinformation (280).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei die Angebotsinformation (280) einen an dem Angebotspunkt (270) erzielbaren Massenstrom (jM), ein an dem Angebotspunkt (270) erzielbares Druckverhältnis (rP) und/oder eine den Angebotspunkt (270) betreffende Drehzahl (N) aufweist.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen (130) des Angebotspunkts (270) anhand eines Kennfelds (253) der Verdichteranordnung (250) erfolgt.
4. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Angebotsinformation (280) in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz (DN) und/oder einer Leistungsgrößendifferenz (DW) ermittelt wird.
5. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren (100) aufweist:
- Ermitteln (135) eines Regelzeitraums (DT) in Abhängigkeit des Betriebspunktes (260) und des Angebotspunktes (270), wobei
- die Angebotsinformation (280) den Regelzeitraum (DT) umfasst.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, wobei der Regelzeitraum (DT) einen Pufferzeitraum (PZ) umfasst.
7. Verfahren (100) nach Anspruch 6, wobei der Pufferzeitraum (PZ) abhängig von einer Betriebsgröße (BI) und/oder Betriebstemperatur (BT) der Verdichteranordnung (250) ist.
8. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Angebotsinformation (280) unter Berücksichtigung eines Pufferfaktors (F) ermittelt wird.
9. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), eine Brennstoffzellenanordnung (210) umfasst, und die Verdichteranordnung (250) zum Beaufschlagen der Brennstoffzellenanordnung (210) mit einem Luftstrom (21 1 ) eingerichtet ist.
10. Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (100) und/oder die Schritte des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
1 1 . Steuergerät (251 ) für eine Verdichteranordnung (250) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), wobei das Steuergerät (251 ) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, und eine Signalschnittstelle (254) zum Ausgeben der Angebotsinformation (280) aufweist.
12. Verdichteranordnung (250) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend ein Steuergerät (251 ) mit einer Signalschnittstelle (254), wobei das Steuergerät (251 ) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, und die Signalschnittstelle (254) zum Ausgeben der Angebotsinformation (280) eingerichtet ist.
13. Brennstoffzellensystem (205) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Verdichteranordnung (250) nach Anspruch 12, ein Brennstoffzellensteuergerät (208) und eine Brennstoffzellenanordnung (210), wobei die Verdichteranordnung (250) dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzellenanordnung (210) mit einem Luftstrom (21 1 ) zu beaufschlagen, und die Signalschnittstelle (254) dazu eingerichtet ist, die Angebotsinformation (280) an das Brennstoffzellensteuergerät (208) auszugeben.
14. Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend die Verdichteranordnung (250) nach Anspruch 12 und/oder ein Brennstoffzellensystem (205) nach Anspruch 13.
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