KR20140080439A - Method for detecting a compressor surge of an electrically driven compressor, and fuel cell system having an electrically driven compressor and a control device for performing the method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for detecting a compressor surge of an electrically driven compressor (18). The present invention also relates to a fuel cell system (10) including a fuel cell (12), a compressor (18), a turbo charger (34), a control device (36), and a driving device (26) for driving the compressor (18). The control device (36) performs the method for detecting a compressor surge. The compressor (18) includes the electrically driving device (26) for driving the compressor (18). The driving device (26) generates driving torque (MM).

Description

전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지 검출 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템{METHOD FOR DETECTING A COMPRESSOR SURGE OF AN ELECTRICALLY DRIVEN COMPRESSOR, AND FUEL CELL SYSTEM HAVING AN ELECTRICALLY DRIVEN COMPRESSOR AND A CONTROL DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for detecting a compressor surge in an electric drive type compressor, and a fuel cell system including an electric drive type compressor and a control device for implementing the method. COMPRESSOR AND A CONTROL DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}

본 발명은 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a compressor surge of an electrically driven compressor, and to a fuel cell system including an electrically driven compressor and a control device for implementing the method.

컴프레서는 다양하게 사용된다. 연료 전지 시스템들 또는 내연기관들의 경우, 예컨대 출력 증대를 위해, 내연기관 또는 연료 전지의 연소실 내 공기 충전이 예컨대 터보차저와 같은 컴프레서의 사용에 의해 증가된다. 내연기관 또는 연료 전지의 연소실 내에서 공기를 압축하는 압력은 급기 압력이라고도 하며 일반적으로 연소실 근처에서 압력 센서에 의해 측정된다. 압력 신호는 폐쇄된 제어 회로로 공급되고, 상기 제어 회로는 터보차저를 제어하고 그에 따라 소정 급기 압력을 설정한다.Compressors are used in a variety of ways. In the case of fuel cell systems or internal combustion engines, for example in order to increase the output, the air filling of the combustion chamber of the internal combustion engine or fuel cell is increased by the use of a compressor such as a turbocharger. The pressure at which the air is compressed in the combustion chamber of the internal combustion engine or the fuel cell is also referred to as the air supply pressure and is generally measured by a pressure sensor near the combustion chamber. The pressure signal is supplied to the closed control circuit, which controls the turbocharger and sets the predetermined supply pressure accordingly.

터보차저들은 뚜렷한 시상수를 가지며, 다시 말해 변경된 제어 신호들에 비교적 시간 지연되는 방식으로 반응하며, 이는 급기 압력의 제어를 어렵게 한다. 그러므로 바람직하게는, 제어할 터보차저의 직접적인 상태 변수가 검출된다. 이를 위해, 터보차저의 컴프레서의 회전 속도가 특히 적합하다. 컴프레서 회전속도를 아는 것이 특히 중요한데, 그 이유는 터보차저의 작동 동안 특정 최대 회전속도 임계값이 초과되지 않아야 하기 때문이고, 그렇지 않을 경우 컴프레서 임펠러 내 임계 전압의 초과와, 하우징에 로터가 닿아 스치게 하는 컴프레서 임펠러의 변형으로 인해 터보차저가 손상을 입을 수 있기 때문이다.The turbochargers have distinct time constants, that is to say they respond in a relatively time delayed manner to the modified control signals, which makes control of the supply air pressure difficult. Therefore, preferably, a direct state variable of the turbocharger to be controlled is detected. For this purpose, the rotational speed of the compressor of the turbocharger is particularly suitable. It is particularly important to know the compressor rotational speed, since a certain maximum rotational speed threshold must not be exceeded during operation of the turbocharger, otherwise an excess of the threshold voltage in the compressor impeller and a rotor in contact with the housing Because the deformation of the compressor impeller can damage the turbocharger.

컴프레서 회전속도는 예컨대 컴프레서의 전방 및 후방의 압력, 컴프레서를 통과하는 공기 질량 유량, 및 컴프레서 전방의 온도와 같은 특정 변수들을 알고 있으면, 기지의 컴프레서 맵을 이용하여 계산될 수 있다. 상기 변수들을 기반으로, 회전속도 측정을 위한 센서를 사용할 필요 없이, 컴프레서 맵 내 작동점의 위치와 그에 따라 컴프레서의 회전속도도 알게 된다.The compressor rotational speed can be calculated using a known compressor map if certain variables, such as, for example, front and rear pressure of the compressor, air mass flow rate through the compressor, and temperature at the front of the compressor are known. Based on these variables, the position of the operating point in the compressor map and accordingly the rotational speed of the compressor are known, without the need to use a sensor for rotational speed measurement.

그러나 높은 컴프레서 회전속도는 이른바 컴프레서 서지를 초래할 수 있다. 이른바 컴프레서 서지는, 터보 머신의 경우, 원리상 주어진 회전속도에서 압력비가 너무 높을 때 발생하는 현상이다. 이 경우, 컴프레서 블레이드들의 진동을 일으키는 유동 분리가 발생하며, 상기 진동은 터보 머신의 파괴를 초래한다. 그러므로 서지 중 작동이나 서지 한계 이상의 작동은 어느 경우든지 방지되어야 한다.However, high compressor speeds can cause so-called compressor surges. The so-called compressor surge is a phenomenon that occurs when the pressure ratio is too high at a given rotational speed in the case of a turbo machine. In this case, flow separation occurs which causes vibration of the compressor blades, and this vibration causes destruction of the turbo machine. Therefore, operation in surge or above surge limit should be avoided in any case.

컴프레서에 대한 서지 한계 검출은 일반적으로 압력 값 및 공기 질량 유량 값의 검출과 검사대들에서 고분해능 압력 센서 장치로 검출된 서지 특성 곡선에 대한 상기 값들의 비교를 통해 이루어진다. 이에 대한 대안으로서, 작동 중 서지는 측정된 압력 변동으로부터 식별된다.The surge limit detection for the compressor is generally accomplished through the detection of the pressure value and the air mass flow value and the comparison of the above values for the surge characteristic curve detected by the high resolution pressure sensor device at the test strips. As an alternative to this, the surge during operation is identified from the measured pressure fluctuations.

차량에서, 서지 영역은 급기 압력 제어를 통해 방지된다. 내연기관들의 경우, 예컨대 배기가스의 일부분을 터빈을 지나가도록 안내함으로써 터보차저의 회전속도 및 그에 따라 컴프레서 압력을 제한하는 웨이스트게이트 밸브들을 사용함으로써, 컴프레서 서지가 방지된다. 서지 한계의 초과가 데이터로 사전 입력된 특성 곡선에 의해 방지되어야 하는 경우, 예컨대 주변 압력이 감소된 고도 지역 주행, 흡입된 오염물들에 의한 유동의 간섭, 부가된 공기 필터, 바람직하지 못한 작동점들 등과 같은 모든 작동 조건에서, 그리고 임시의 표준 공장 모델의 확장을 고려하면서, 서지를 방지하기 위해, 안전 여유도의 엄수가 요구된다. 그럼으로써 컴프레서의 작동 범위가 제한된다.In the vehicle, the surge region is prevented through supply air pressure control. In the case of internal combustion engines, compressor surge is prevented, for example by using wastegate valves that limit the rotational speed of the turbocharger and hence the compressor pressure by guiding a portion of the exhaust gas past the turbine. If an excess of the surge limit is to be prevented by the characteristic curve pre-entered with the data, for example, a high altitude area running with reduced ambient pressure, interference of flow by the inhaled contaminants, an added air filter, undesirable operating points In order to prevent surges, it is necessary to adhere to the safety margin in all operating conditions such as, for example, and considering expansion of the temporary standard factory model. This limits the operating range of the compressor.

또한, 서지 한계 근처에서 컴프레서의 작동은 적용예에 따라 중요할 수 있다. 연료 전지 적용을 위한 터보 컴프레서는 예컨대 서지 한계 근처에서 그 효율 최댓값을 갖기 때문에, 서지 한계 근처에서 작동할 때에만 최적의 연료 소비가 달성될 수 있다.Also, the operation of the compressor near the surge limit may be important, depending on the application. Because the turbo compressor for fuel cell applications has its efficiency maximum near the surge limit, for example, optimal fuel consumption can only be achieved when operating near the surge limit.

DE 602 22 525 T2는 예컨대 과급형 내연기관의 급기 압력을 제어하기 위한 방법을 기술하고 있으며, 이 경우 서지 한계는 맵에 기록되어 있고, 압력 비는 컴프레서를 통한 공기 유량에 대한 대표적인 파라미터를 기반으로 결정될 수 있어서, 서지 한계가 초과되는지의 여부가 확정될 수 있다.DE 602 22 525 T2 describes, for example, a method for controlling the supply air pressure of a supercharged internal combustion engine, in which case the surge limit is recorded in the map, and the pressure ratio is based on representative parameters for the air flow rate through the compressor It can be determined whether or not the surge limit is exceeded.

급기 압력을 제어하기 위한, 종래 기술로부터 공지된 방법들의 수많은 장점에도 불구하고, 상기 방법들은 여전히 개선의 여지가 있다.Despite the numerous advantages of the methods known from the prior art for controlling the supply air pressure, the methods still have room for improvement.

따라서 마지막으로 언급한 종래 기술의 경우 맵의 작성은 복잡한데, 그 이유는 압력 값 및 공기 질량 유량 값의 검출과, 검사대들에서 고분해능 압력 센서 장치에 의해 검출된 서지 특성 곡선에 대한 상기 값들의 비교를 통해, 상기 맵의 작성이 수행되어야만 하기 때문이다. 또한, 앞서 기술한, 측정된 압력 변동으로부터의 서지 검출은 서지 현상의 간접적인 검출이다. 공기 질량 유량의 반전에 의해, 체적들 내 압력은 감소한다. 상기 감소의 강도 및 속도는 상응하는 시스템 및 압력 센서의 포지셔닝에 의존하기 때문에 각각의 구성에 대해 재분석되어 데이터로 입력되어야 한다. 이는 다시금 서지 한계에 대해 무시할 수 없을 정도의 안전 여유도와 추가적인 데이터 입력 비용을 초래한다. 전체적으로 전기 구동형 컴프레서들에서도 컴프레서 서지의 검출 및 방지는 지금까지 추가로 필요로 하는 센서 장치로 인해 많은 비용을 소요한다.Thus, in the last mentioned prior art, the creation of a map is complicated because of the detection of pressure values and air mass flow values and the comparison of the values for the surge characteristic curve detected by the high resolution pressure sensor device The creation of the map must be performed. In addition, the above-described surge detection from the measured pressure fluctuation is an indirect detection of the surge phenomenon. By reversing the air mass flow rate, the pressure in the volumes decreases. Since the intensity and speed of the reduction depends on the positioning of the corresponding system and pressure sensor, it must be reanalyzed and entered as data for each configuration. This again leads to a safety margin and additional data entry costs that can not be ignored for surge limits. Overall, the detection and prevention of compressor surges in electrically driven compressors is also expensive due to the additional sensor devices required.

본 발명의 과제는, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내 제공되어 있는 센서 장치를 통해 컴프레서 서지의 직접적인 검출을 가능하게 하고, 그에 따라 추가의 센서들 없이 컴프레서 서지의 방지와 관련하여 급기 압력 제어가 실질적으로 개선되도록 하는 것이다.It is an object of the present invention to enable direct detection of a compressor surge through a sensor device provided in an electronic output device of an electrically driven compressor and thus to provide a supply pressure control in connection with the prevention of compressor surges without additional sensors Thereby realizing improvement.

따라서, 컴프레서 서지를 결정하기 위한 공지된 방법들 및 전략들의 단점들을 적어도 대부분 방지하고 특히 컴프레서의 서지 한계에 대한 전술한 안전 여유도를 방지하거나 적어도 현저히 감소시킬 수 있는, 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템이 제시된다. 본 발명의 과제는, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내에 제공되어 있는 센서 장치를 통해 컴프레서 서지의 직접적인 검출을 가능하게 하며, 그에 따라 추가의 센서들 없이 컴프레서 서지의 방지와 관련하여 급기 압력 제어가 개선되도록 하는 것이다. 그에 따라, 기본 사상은, 컴프레서의 작동을 위해 제공되어 있는 센서들을 이용하여 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a compressor surge of an electrically driven compressor which can at least largely avoid the disadvantages of known methods and strategies for determining a compressor surge and which in particular can prevent or at least significantly reduce the aforementioned safety margin for the surge limit of the compressor. A fuel cell system including a method for detecting a fuel cell and a control device for implementing the method is presented. It is an object of the present invention to enable direct detection of a compressor surge through a sensor arrangement provided in an electronic output device of an electrically driven compressor and thus to provide a supply pressure control in connection with the prevention of compressor surges without additional sensors . Accordingly, the basic idea is to detect the compressor surge of an electrically driven compressor using sensors provided for operation of the compressor.

전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법으로서, 컴프레서는 컴프레서를 구동하기 위한 전기 구동 장치를 포함하고, 구동 장치의 제어부는 구동 토크를 생성하도록 구성되며, 제어부는 구동 장치에 작용하는 부하 토크에 구동 토크를 매칭시키도록 구성되는, 상기 방법은, 컴프레서의 설정 회전속도를 기반으로 구동 장치의 구동 토크를 결정하는 결정 단계와, 컴프레서의 설정 회전속도를 기반으로 구동 장치의 설정 전류를 결정하는 결정 단계와, 설정 전류를 기반으로 구동 장치를 구동하기 위한 전압을 생성하는 생성 단계와, 구동 장치의 실제 전류 및 컴프레서의 실제 회전속도를 결정하는 결정 단계로서, 컴프레서의 실제 회전속도가 구동 토크 및 부하 토크의 결과로 발생한, 구동 장치의 토크를 기반으로 결정되는, 상기 결정 단계와, 결과로 발생한 토크의 변화를 기반으로, 그리고 설정 회전속도 및 설정 전류를 기반으로 컴프레서 서지를 검출하는 검출 단계를 포함한다.A method according to the invention for detecting a compressor surge of an electrically driven compressor, the compressor comprising an electric drive for driving a compressor, the control part of the drive device being configured to generate a drive torque, The method comprising the steps of: determining a drive torque of the drive based on a set rotational speed of the compressor; and determining the drive torque of the drive based on the set rotational speed of the compressor, A determining step of determining a current, a generating step of generating a voltage for driving the driving device based on the set current, a determining step of determining an actual current of the driving device and an actual rotating speed of the compressor, Based on the torque of the drive device, which is generated as a result of the drive torque and the load torque And a detecting step of detecting a compressor surge based on the set rotation speed and the set current based on the change in the resulting torque and the determining step.

컴프레서 서지는 설정 회전속도 및 설정 전류의 변화의 임계값을 하회할 때 검출될 수 있다.The compressor surge can be detected when the set rotation speed and the set current change below the threshold value.

설정 회전속도 및 설정 전류의 변화의 임계값은 실질적으로 0일 수 있다.The threshold value of the change of the set rotation speed and the set current may be substantially zero.

그 밖에, 본원의 방법의 경우, 단위 시간당 설정 전류 및 설정 회전속도의 시간에 따른 변화가 결정될 수 있다.In addition, in the case of the method of the present invention, a change with time of the set current per unit time and the set rotation speed can be determined.

설정 전류는 설정 3상 교류일 수 있다.The set current can be a set 3-phase alternating current.

설정 3상 교류에 의해, 위상 전압들이 설정될 수 있다. 또한, 실제 3상 교류들이 검출될 수 있다.By setting three-phase alternating current, phase voltages can be set. In addition, actual three-phase alternating currents can be detected.

제어부는, 컴프레서의 샤프트의 부하 토크에 구동 토크를 매칭시키도록 구성될 수 있다.The control unit may be configured to match the drive torque to the load torque of the shaft of the compressor.

설정 회전속도는 외부 제어 파라미터를 기반으로 사전 설정될 수 있다. 외부 제어 파라미터는 예컨대 컴프레서를 통과하는 설정 유체 질량 유량일 수 있다.The set rotational speed can be preset based on the external control parameter. The external control parameter may be, for example, a set fluid mass flow rate through the compressor.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 컴프레서와, 컴프레서를 전기 구동하기 위한 구동 장치와, 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 구성된다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a compressor, a drive device for electrically driving the compressor, and a control device. The control device is adapted to carry out the method according to the invention.

연료 전지는, 자동차의 구동 장치를 구동하도록 구성될 수 있다.The fuel cell may be configured to drive a driving device of an automobile.

제어 장치는, 설정 공기 질량 유량을 기반으로 컴프레서의 설정 회전속도를 사전 설정할 수 있다.The control device can preset the set rotation speed of the compressor based on the set air mass flow rate.

설정 공기 질량 유량은, 자동차의 구동 장치의 출력 요구를 기반으로 결정될 수 있다.The set air mass flow rate can be determined based on the output demand of the drive device of the vehicle.

컴프레서는, 연료 전지의 배기가스 질량 유량으로 구동될 수 있는 배기가스 터빈과 연결될 수 있다.The compressor can be connected to an exhaust gas turbine which can be driven by the exhaust gas mass flow rate of the fuel cell.

연료 전지란, 본 발명의 범위에서, 연속적으로 또는 비연속적으로도 공급되는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 셀을 의미한다. 연료 전지는 통상적으로, 멤브레인 또는 전해질(이온 전도체)에 의해 서로 분리되어 있는 전극들로 구성된다. 전극들은 대개 금속 또는 탄소 나노튜브들로 구성되고, 예컨대 백금 또는 팔라듐과 같은 촉매로 코팅된다. 전해질로서, 예컨대 용해된 알칼리 또는 산, 알칼리 카보네이트 용융물, 세라믹 또는 멤브레인이 사용될 수 있다. 에너지는, 예컨대 수소, 또는 예컨대 메탄 또는 메탄올과 같은 유기 화합물일 수 있는 연료와 산소의 반응에 의해 공급된다. 두 상대 반응물은 전극들을 통해 연속해서 공급된다.The fuel cell means, in the scope of the present invention, a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant supplied thereto continuously or discontinuously into electrical energy. Fuel cells typically consist of electrodes separated from each other by a membrane or an electrolyte (ion conductor). The electrodes are usually made of metal or carbon nanotubes and coated with a catalyst such as platinum or palladium. As the electrolyte, for example, dissolved alkali or acid, alkali carbonate melt, ceramic or membrane may be used. The energy is supplied, for example, by the reaction of oxygen with fuel, which may be hydrogen or an organic compound such as, for example, methane or methanol. The two relative reactants are fed continuously through the electrodes.

컴프레서의 압력 비란, 본 발명의 범위에서 컴프레서 유입구 압력에 대한 컴프레서 유출구 압력의 몫을 의미하며, 다시 말하면 주변에서 컴프레서 내로 유입되는 공기의 압력에 대한, 컴프레서로부터 연소실로 향하는 방향으로 흐르는 공기의 압력의 몫을 의미한다.The pressure ratio of the compressor means the share of the compressor outlet pressure with respect to the compressor inlet pressure in the scope of the present invention. In other words, the pressure of the air flowing in the direction from the compressor toward the combustion chamber Quot;

한계 압력비란, 본 발명의 범위에서, 그 이상에서 서지를 통해 컴프레서에 손상이 발생할 수 있는 압력비를 의미한다. 이 경우, 한계 압력비는, 정확히 서지 한계에 상응하도록, 다시 말하면 그 이상에서 컴프레서의 서지가 발생하게 되는 한계에 상응하도록 결정될 수 있을 뿐 아니라, 서지 한계에 대한 안전 여유도에 의해 결정될 수도 있다.The critical pressure ratio means a pressure ratio at which the damage to the compressor can be caused through the surge in the range of the present invention. In this case, the limiting pressure ratio may be determined not only to correspond to the surge limit exactly, that is, to correspond to the limit at which the surge of the compressor will occur, but may also be determined by the safety margin for the surge limit.

설정 전류 및/또는 설정 회전속도의 시간에 따른 변화란, 본 발명의 범위에서, 특정 시간 내에 상기 신호들의 변화의 절대값, 및 기울기, 다시 말해 시간에 따른 신호의 도함수를 의미한다.The change with time of the set current and / or the set rotation speed means within the scope of the present invention, the absolute value of the change of the signals within a certain time, and the slope, that is, the derivative of the signal with time.

기준 압력이란, 본 발명의 범위에서, 해발 고도와 관련된 공기 압력을 의미한다. 기준 압력은 일반적으로 약 1bar이다.The reference pressure means, within the scope of the present invention, the air pressure associated with elevation above sea level. The reference pressure is generally about 1 bar.

기준 온도란, 본 발명의 범위에서, 연료 전지 시스템의 주변 온도를 의미한다. 상기 기준 온도는 일반적으로 약 20℃이다.The reference temperature means the ambient temperature of the fuel cell system within the scope of the present invention. The reference temperature is generally about 20 ° C.

컴프레서의 서지, 또는 간단하게는 컴프레서 서지라고도 하는 상기 서지는, 본 발명의 범위에서, 컴프레서의 구조적 무결성에 대해 잠재적으로 위험한 작동 상태를 의미한다. 컴프레서 내에서, 본 발명의 분야에서 공기일 수 있는 유입되는 작동 매체의 압력이 복수의 컴프레서 단(compressor stage)에 의해 단계별로 증가된다. 이제, 컴프레서의 컴프레서 블레이드들에서 유동이 실속(stall)되고 난류가 발생하는 것이 나타날 수 있다. 이 경우, 컴프레서 출력은 감소된다. 컴프레서의 하류, 또는 그 후방에서 형성되는 압력이 컴프레서가 생성하는 압력을 초과하는 경우, 공기의 유동이 반전되는 효과가 발생한다. 이런 역류의 경우, 컴프레서 유출구 후방의 압력은 감소하고, 유동은 다시 반대 방향으로 향하면서 다시 본래의 방향으로 컴프레서 유출구로부터 유출된다. 이러한 공기 질량 유량들의 상호작용을 서지라하며, 상기 서지는 컴프레서의 상당한 주기적 부하를 초래하고 컴프레서의 파괴를 야기할 수 있다. 상기 거동을 줄이기 위한 조치들은 서지 방지책이라 한다.This surge, also referred to as a surge of a compressor, or simply a compressor surge, means, within the scope of the present invention, an operational condition potentially dangerous to the structural integrity of the compressor. Within the compressor, the pressure of the incoming working medium, which may be air in the field of the present invention, is stepped up by a plurality of compressor stages. It can now be seen that the flow stalls and turbulence occurs in the compressor blades of the compressor. In this case, the compressor output is reduced. When the pressure formed at the downstream side of the compressor, or at the back thereof, exceeds the pressure generated by the compressor, the effect of reversing the flow of the air occurs. In this backwash, the pressure behind the compressor outlet is reduced, and the flow is again directed in the opposite direction, again flowing out of the compressor outlet in its original direction. The interaction of these air mass flows is called surge, which can result in significant periodic loading of the compressor and can cause compressor failure. Measures to reduce this behavior are called anti surge measures.

구동 토크란, 본 발명의 범위에서, 구동 장치에 의해 생성된 토크를 의미한다. 예컨대 구동 토크는 구동 장치의 샤프트 상에서 측정될 수 있다. 구동 장치는, 본 발명의 의미에서, 예컨대 교류 전동기와 같은 전기 모터일 수 있다.The driving torque means the torque generated by the driving device within the scope of the present invention. For example, the drive torque may be measured on the shaft of the drive. The driving device may be an electric motor such as an alternating-current motor in the sense of the present invention.

부하 토크란, 본 발명의 의미에서, 컴프레서에 의해 생성된 구동장치에 대항하는 토크를 의미하며, 카운터 토크라고도 한다.In the sense of the present invention, the load torque means a torque against a drive device generated by a compressor, and is also referred to as a counter torque.

결과로 발생한 토크란, 본 발명의 범위에서, 구동 토크와 부하 토크의 차이에 상응하는, 예컨대 샤프트에서와 같은 구동 장치의 토크를 의미한다. 부호에 따라, 결과로 발생한 토크는 전기 구동 장치의 로터 또는 컴프레서의 가속 또는 감속이 이루어지게 한다.The resulting torque is, within the scope of the present invention, the torque of the drive, such as, for example, at the shaft, corresponding to the difference between the drive torque and the load torque. Depending on the sign, the resulting torque causes acceleration or deceleration of the rotor or compressor of the electric drive.

본 발명에 따라서, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내에 제공되어 있는 센서 장치를 이용하여 컴프레서 서지가 검출된다. 그에 따라, 컴프레서 서지의 방지의 관점에서, 추가의 센서들을 장착하지 않으면서, 급기 압력 제어가 실질적으로 개선될 수 있다. 장점은, 손상의 위험 없이, 컴프레서의 작동 범위의 활용이 개선되는 것이다. 회전속도가 제어되는 컴프레서는 캐스케이드형 제어부를 포함하며, 외부 제어 회로는 회전속도를 제어하고 내부 제어 회로는 전류 및 그에 따라 토크를 제어한다. 상기 유형의 컴프레서는 예컨대 연료 전지 시스템에 사용될 수 있다. 컴프레서는 예컨대 연료 전지에 공급될 공기 또는 산소를 압축하도록 구성된다.According to the present invention, a compressor surge is detected using a sensor device provided in an electronic output device of an electrically driven compressor. Accordingly, in view of the prevention of the compressor surge, the supply air pressure control can be substantially improved without mounting additional sensors. The advantage is that the use of the operating range of the compressor is improved, without the risk of damage. The compressor whose rotational speed is controlled includes a cascaded control section, the external control circuit controls the rotational speed, and the internal control circuit controls the current and thus the torque. This type of compressor can be used, for example, in a fuel cell system. The compressor is configured to compress air or oxygen to be supplied to the fuel cell, for example.

상기 유형의 컴프레서의 경우, 전류 제어 장치는 위상 전압들을 이용하여 위상 전류들, 다시 말해 실제 위상 전류들을 설정한다. 위상들 내의 전류는, 이 경우 컴프레서에 의해 생성되는 부하 토크를 저지하는 샤프트에서의 토크를 생성한다. 모터 토크와 부하 토크의 차이에 상응하는 샤프트에서의 결과로 발생한 토크는 부호에 따라서 로터 또는 컴프레서의 가속 또는 제동이 이루어지게 한다. 상위의 회전 속도 제어 장치는, 하위의 제어부에 전류와 그에 따른 토크를 사전 설정함으로써, 소정 회전속도 설정 값을 제어하고자 한다.In the case of this type of compressor, the current controller uses the phase voltages to set the phase currents, i. E., The actual phase currents. The current in the phases produces a torque at the shaft which inhibits the load torque produced by the compressor in this case. The resulting torque at the shaft corresponding to the difference between the motor torque and the load torque causes acceleration or braking of the rotor or compressor depending on the sign. The upper rotation speed control device attempts to control the predetermined rotation speed setting value by presetting the current and the torque corresponding thereto in the lower control section.

이른바 컴프레서 서지의 경우, 압력에도 영향을 미치는 질량 유량의 매우 강한 변화가 발생한다. 또한, 상기 변화는 부하 토크에 직접적인 영향을 미친다. 부하 토크는 일정한 회전속도에 불구하고 서지 영역에서 특히 강하게 변동한다. 이런 점이 컴프레서 서지의 직접적인 영향이다.In the so-called compressor surge, there is a very strong change in the mass flow rate, which also affects the pressure. In addition, the change directly affects the load torque. The load torque fluctuates particularly strongly in the surge region despite a constant rotational speed. This is the direct impact of the compressor bibliography.

전기 구동형 터보 컴프레서의 내부 회전 속도 제어부는, 부하 토크에 모터 토크를 매칭시킴으로써, 소정 회전속도를 제어하고자 한다. 전류의 작은 시상수로 인해, 이를 위해 수 밀리 초만이 소요된다. 그와 반대로, 서지 현상은 훨씬 더 느린 다이내믹을 갖는다. 끝으로, 전자 출력 장치 내에서, 설정 회전속도 및 설정 전류의 정보로부터, 토크의 강한 변동이 회전속도 변동에, 또는 컴프레서 서지에 근거하는지의 여부에 대한 타당성이 검사될 수 있다. 끝으로, 상위의 제어 장치들로 상응하는 메시지 공급을 통해, 예컨대 시스템 바이패스의 개방과 같은 대책이 강구될 수 있다.The internal rotation speed control section of the electrically driven turbo compressor tries to control the predetermined rotation speed by matching the motor torque to the load torque. Due to the small time constant of the current, this takes only a few milliseconds. Conversely, surge phenomena have much slower dynamics. Finally, from the information of the set rotational speed and the set current in the electronic output apparatus, the validity of whether or not strong fluctuations of the torque are based on the rotational speed fluctuation or on the compressor surge can be checked. Finally, countermeasures such as the opening of the system bypass, for example, can be made through the corresponding message supply to higher level control devices.

따라서 본 발명의 실질적인 장점은 예컨대 손상의 위험 없이 컴프레서의 작동 범위의 활용이 개선되는 것이다.Thus, a substantial advantage of the present invention is that utilization of the operating range of the compressor is improved without risk of damage, for example.

본 발명의 다른 선택적 세부 사항들 및 특징들은 도들에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예들의 하기 설명에 제시된다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어부의 개략도이다.
도 3은 컴프레서 서지 동안 질량 유량의 개략적 그래프이다.
도 4는 컴프레서 서지 동안 컴프레서 전방 및 후방의 압력의 개략적 그래프이다.
도 5는 컴프레서 서지 동안 컴프레서 출력의 개략적 그래프이다.
도 6은 컴프레서 서지 동안 부하 토크의 개략적 그래프이다.
Other optional details and features of the present invention are set forth in the following description of the preferred embodiments, which are schematically illustrated in the drawings.
1 is a schematic view of the configuration of a fuel cell system.
2 is a schematic diagram of a control unit according to the present invention.
3 is a schematic graph of mass flow during compressor surge;
4 is a schematic graph of pressure front and rear of the compressor during compressor surge;
5 is a schematic graph of the compressor output during compressor surge;
6 is a schematic graph of the load torque during compressor surge;

도 1에는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(10)이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(12)와, 공기 공급 라인(14)과, 배기가스 라인(16)과, 컴프레서(18)와, 배기가스 터빈(20)과, 압력 감소를 위한 바이패스 밸브(22)와, 연료 전지(12)로 향하는 연료를 위한 상세하게 도시되지 않은 공급 라인을 포함한다. 바이패스 밸브(22)는 예컨대 버터플라이 밸브일 수 있다. 바이패스 밸브(22)로서는 예컨대 웨이스트게이트 밸브가 사용될 수 있다. 연료 전지(12)는 미도시된 연료 공급 라인을 통해 공급되는 연료와 여기에 도시된 실시예의 경우 공기 공급 라인(14)을 통해 연료 전지(12)에 공급되는 흡입 공기인 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 셀이다. 연료는 수소이거나 메탄이거나 메탄올일 수 있다. 그에 상응하게, 배기가스로서 수증기가 발생하거나, 또는 수증기 및 이산화탄소가 발생한다. 연료 전지(12)는 예컨대, 자동차의 구동 장치를 구동하도록 구성된다. 예컨대 연료 전지(12)를 통해 생성된 전기 에너지는 자동차의 전기 모터를 구동한다.1, a fuel cell system 10 according to the present invention is shown. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 12, an air supply line 14, an exhaust gas line 16, a compressor 18, an exhaust gas turbine 20, Pass valve 22 and a feed line not shown in detail for the fuel to the fuel cell 12. The bypass valve 22 may be, for example, a butterfly valve. As the bypass valve 22, for example, a waste gate valve may be used. The fuel cell 12 has a chemical reaction energy of the fuel supplied through the fuel supply line not shown and the oxidant, which is the intake air supplied to the fuel cell 12 through the air supply line 14 in the case of the illustrated embodiment, It is a galvanic cell that converts into electric energy. The fuel can be hydrogen, methane or methanol. Correspondingly, steam is generated as exhaust gas, or steam and carbon dioxide are generated. The fuel cell 12 is configured, for example, to drive a drive device of an automobile. For example, the electric energy generated through the fuel cell 12 drives the electric motor of the automobile.

컴프레서(18)는 공기 공급 라인(14) 내에 배치된다. 배기가스 터빈(20)은 배기가스 라인(16) 내에 배치된다. 컴프레서(18)와 배기가스 터빈(20)은 샤프트(24)를 통해 기계적으로 연결된다. 샤프트(24)는 구동 장치(26)에 의해 전기 구동될 수 있다. 배기가스 터빈(20)은 컴프레서(18)를 구동하기 위한 구동 장치(26)의 지원에 사용된다. 또한, 공기 공급 라인(14) 내에는 추가로 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서(30)가 컴프레서(18)의 상류에 배치되고, 그리고/또는 압력 센서(32)가 컴프레서(18)의 하류에 배치된다. 공기 질량 센서(28) 및 압력 센서(30)는 순수 선택 사양이며, 그럼으로써 하기에서 상세하게 기술되는 방법은 상기 공기 질량 센서 및 압력 센서 없이 구현될 수 있다. 컴프레서(18), 샤프트(24) 및 배기가스 터빈(20)은 함께 터보차저(34)를 형성한다. 또한, 연료 전지 시스템(10)은 제어 장치(36), 또는 간단하게는 제어부(36)도 포함한다. 제어 장치(36)는, 하기에서 상세하게 기술되는, 컴프레서(18)의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 구성된다.The compressor 18 is disposed in the air supply line 14. An exhaust gas turbine (20) is disposed in the exhaust gas line (16). The compressor (18) and the exhaust gas turbine (20) are mechanically connected via a shaft (24). The shaft 24 may be electrically driven by a drive device 26. [ The exhaust gas turbine 20 is used to support a drive device 26 for driving the compressor 18. Further, in the air supply line 14, an air mass sensor 28 and / or a pressure sensor 30 are disposed upstream of the compressor 18, and / or a pressure sensor 32 is disposed in the compressor 18, As shown in FIG. The air mass sensor 28 and the pressure sensor 30 are purely optional so that the method described in detail below can be implemented without the air mass sensor and the pressure sensor. The compressor 18, the shaft 24 and the exhaust gas turbine 20 together form a turbocharger 34. In addition, the fuel cell system 10 also includes a control device 36, or simply, The control device 36 is configured to implement the method according to the invention for detecting the compressor surge of the compressor 18, which is described in detail below.

도 2에는, 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지 내에서 질량 유량의 본 발명에 따른 제어부의 기본 원리가 도시되어 있다. 외부 제어 파라미터를 기반으로, 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)가 사전 설정된다. 예컨대 외부 제어 파라미터는 컴프레서(18)를 통과하는 설정 유체 질량 유량이다. 자동차 내에 연료 전지 시스템(10)을 사용한, 도시된 실시예의 경우, 제어 장치(36)는 설정 공기 질량 유량을 기반으로 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 사전 설정할 수 있다. 설정 공기 질량 유량은 연료 전지(12)의 요구되는 출력을 기반으로 결정될 수 있다. 자동차가 예컨대 가속되어야 한다면, 출력 요구가 증가한다. 연료 전지(12)가 상기 상승된 전기 출력을 공급할 수 있도록 하기 위해, 연료 전지(12)는 더 높은 공기 질량 유량을 필요로 한다. 더 높은 공기 질량 유량은 예컨대 컴프레서(18)의 더 높은 회전속도를 통해 공급될 수 있다.2, the basic principle of the control unit according to the present invention of the mass flow rate in the fuel cell of the fuel cell system 10 is shown. Based on the external control parameter, the set rotational speed n * of the compressor 18 is preset. For example, the external control parameter is the set fluid mass flow rate through the compressor 18. For the illustrated embodiment using the fuel cell system 10 in the vehicle, the control device 36 can preset the set rotational speed n * of the compressor 18 based on the set air mass flow rate. The set air mass flow rate can be determined based on the required output of the fuel cell 12. If the car is to be accelerated, for example, the output demand will increase. In order for the fuel cell 12 to be able to supply the elevated electrical output, the fuel cell 12 requires a higher air mass flow rate. The higher air mass flow rate can be supplied, for example, through the higher rotational speed of the compressor 18. [

설정 회전속도(n*)는 제어 장치(36)의 속도 제어 섹션(38) 내에서 컴프레서(18)의 구동 장치(26)를 위한 설정 전류(I*)를 결정하기 위한 근거로서 사용된다. 이 경우, 설정 전류(I*)는 설정 3상 교류로서 주어질 수 있다. 설정 3상 교류는 예컨대 설정 위상 전류들(I a *, I b *, I c *)을 포함할 수 있다. 설정 위상 전류들(I a *, I b *, I c *)은 제어 장치(36)의 전류 제어 섹션(40) 내에서, 컴프레서(18)의 샤프트(24)를 구동하기 위한 구동 장치(26)에 인가되는 상응하는 위상 전압들(U a , U b , U c )에 할당된다. 전기 구동 장치(26)에서는, 제어 장치(36)의 구동 섹션(42) 내에서 실제 위상 전류들(I a , I b , I c )이 검출되며, 이들 실제 위상 전류는 다시 입력 파라미터로서 전류 제어 섹션(40)에 공급된다. 달리 말하면, 전류 제어 섹션(40)은 위상 전압들(U a , U b , U c )을 이용하여 실제 위상 전류들(I a , I b , I c )을 설정한다. 그에 따라, 설정 회전속도(n*)를 기반으로, 구동 장치(26)가 샤프트(24) 상에 공급하는 설정 토크가 결정된다. 위상 전압들(U a , U b , U c )의 위상들 내 전류는 구동 장치(26)의 샤프트(24) 상으로 공급되는 구동 토크(M M )를 생성한다. 샤프트(24)는 요구되는 구동 토크(M M )에 대하여 부하 토크(M L L)를 제공한다. 제어부는 구동 장치(26)에 작용하는 부하 토크(M L )에 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성된다. 특히 제어부는, 컴프레서(18)의 샤프트(24)의 부하 토크(M L )에 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성된다. 매칭은, 구동 장치가, 설정 회전속도(n*)를 유지하기 위해, 부하 노트(M L )에 상응하는 구동 토크(M M )를 설정하는 것을 의미한다. 그 다음, 구동 토크(M M )뿐 아니라 부하 토크(M L )는, 샤프트(24)를 회전시키는 결과로 발생한 토크(M R )를 생성하기 위해 고려된다. 결과로 발생한 토크(M R )는 구동 토크(M M )와 부하 토크(M L )의 차이로부터 발생한다. 결과로 발생한 토크(M R )의 부호에 따라서, 구동 장치(26)의 로터의 가속 또는 제동이 이루어진다. 따라서 결과로 발생한 토크(M R )는 특정 실제 회전속도(n)로 샤프트(24)를 회전시킨다. 그에 따라, 컴프레서(18)는 샤프트(24)와 연결되어 있기 때문에, 컴프레서(18)도 실제 회전속도(n)로 회전한다. 실제 회전속도(n)는 다시 제어 장치(36)의 속도 검출 섹션(44)에서 검출된다. 그 다음, 검출된 실제 회전속도(n)는 다시 제어 장치(36)의 속도 제어 섹션(38)으로 공급된다. 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지(12)의 질량 유량을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법의 경우, 컴프레서 서지는, 하기에 설명되는 것처럼, 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 기반으로, 그리고 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)를 기반으로 검출된다. 그러나 우선, 본 발명의 범위에서, 추가의 센서들을 필요로 하지 않으면서, 단지 전기 구동형 컴프레서(18)의 작동 중에 사용되는 센서들만으로 컴프레서 서지를 검출할 수 있는 이유가 설명된다. 그러므로 우선, 다양한 센서들의 신호들에 작용하는 컴프레서 서지의 현상이 예시적으로 설명된다. 분명하게 강조할 사항은, 도 3 내지 도 6에 도시된 곡선들은 예시이며 단지 컴프레서 서지만을 그 자체로서 설명하기는 하지만, 필연적으로 본 발명에 따른 방법의 구성 요소일 필요는 없다는 점이다.The set rotation speed n * is used as a basis for determining the set current I * for the drive device 26 of the compressor 18 within the speed control section 38 of the control device 36. [ In this case, the set current I * can be given as a set three-phase alternating current. The set three-phase alternating current may comprise, for example, set phase currents I a *, I b *, I c *. The set phase currents I a *, I b * and I c * are applied to a drive device 26 for driving the shaft 24 of the compressor 18, in the current control section 40 of the control device 36. To the corresponding phase voltages U a , U b , and U c that are applied to the first and second input terminals. In the electric drive 26, actual phase currents I a , I b , I c are detected in the drive section 42 of the control device 36, Is supplied to the section (40). In other words, the current control section 40 sets the actual phase currents I a , I b , I c using the phase voltages U a , U b , and U c . Thus, based on the set rotation speed n *, the set torque that the drive device 26 supplies on the shaft 24 is determined. The currents in the phases of the phase voltages U a , U b and U c produce a drive torque M M supplied onto the shaft 24 of the drive 26. The shaft 24 provides a load torque M L L for the required drive torque M M. The control unit is configured to match the drive torque M M to the load torque M L acting on the drive unit 26. In particular, the control unit is configured to match the drive torque M M to the load torque M L of the shaft 24 of the compressor 18. [ The matching means that the drive sets the drive torque M M corresponding to the load note M L so as to maintain the set rotation speed n *. The drive torque M M as well as the load torque M L are then considered to generate the torque M R resulting from rotating the shaft 24. The resulting torque M R arises from the difference between the drive torque M M and the load torque M L. Acceleration or braking of the rotor of the drive unit 26 is performed in accordance with the sign of the resulting torque M R. The resulting torque M R thus rotates the shaft 24 at a specific actual rotational speed n . Thereby, since the compressor 18 is connected to the shaft 24, the compressor 18 also rotates at the actual rotational speed n . The actual rotation speed n is again detected in the speed detection section 44 of the control device 36. [ Then, the detected actual rotation speed n is supplied again to the speed control section 38 of the control device 36. [ In the case of the method according to the invention for controlling the mass flow rate of the fuel cell 12 of the fuel cell system 10, the compressor surge is based on a change in the resulting torque M R , , The set rotation speed ( n *), and the set current ( I *). First, however, within the scope of the present invention, the reason why the compressor surge can be detected only by the sensors used during the operation of the electrically driven compressor 18, without requiring additional sensors, is explained. First of all, the phenomenon of the compressor surge acting on the signals of the various sensors is illustrated illustratively. It should be emphasized that the curves shown in Figs. 3-6 are exemplary and only the compressor surge is described as such, but it need not necessarily be a component of the method according to the invention.

도 3에는, 본보기로서, 예컨대 공기 질량 센서(28)에 의해 검출되는 바와 같은, 공기 질량 유량을 나타내는 유동 신호가 도시되어 있다. 도 3에서, X 축(46) 상에는 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(48) 상에는 g/s 단위의 보정된 공기 질량 유량(W*)이 표시되어 있다. 공기 질량 유량(W)은, 보정된 공기 질량 유량(W*)을 형성하기 위해, 기준 온도(TREF) 및 기준 압력(PREF)과 관련하여 보정될 수 있다. 이는 예컨대 하기 식에 의해 수행될 수 있다.In Fig. 3, as an example, a flow signal indicative of an air mass flow rate, such as that detected by an air mass sensor 28, is shown. 3, the time in seconds is indicated on the X-axis 46 and the calibrated air mass flow rate W * in g / s on the Y-axis 48. The air mass flow rate W can be corrected in relation to the reference temperature T REF and the reference pressure P REF to form the corrected air mass flow rate W *. This can be performed, for example, by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

파라미터 TIN 및 PIN은 컴프레서(18)의 유입구에서 공기의 온도 및 압력을 각각 나타낸다. 기준 온도(TREF)는 앞서 언급한 것처럼 보통의 주변 온도의 범위에 놓이고, 기준 압력(PREF)은 해발고도와 관련된 공기 압력이다. 도 3의 그래프에서, 보정된 공기 질량 유량(W*)은 g/s 단위로 표시되어 있다.The parameters T IN and P IN represent the temperature and pressure of the air at the inlet of the compressor 18, respectively. The reference temperature (T REF ) is in the range of the normal ambient temperature, as mentioned above, and the reference pressure (P REF ) is the air pressure associated with the elevation. In the graph of Fig. 3, the calibrated air mass flow rate (W *) is expressed in g / s.

도 3에 나타나는 바와 같이, 컴프레서 서지 동안 공기 질량 유량(W)의 매우 강한 변동이 발생할 수 있다. 서지 중 컴프레서(18)의 작동 동안, 공기 질량 센서(26)의 유동 신호는, 예컨대 도 3에서 50으로 표시된 위치에서 알 수 있는 것처럼, 흡입 공기의 방향 변경으로 인해 즉각적으로 급하강하며, 이는 보정된 공기 질량 유량(W*)에서도 나타난다.As shown in Fig. 3, very strong fluctuations of the air mass flow W during the compressor surge can occur. During the operation of the surgeon compressor 18, the flow signal of the air mass sensor 26 is immediately abruptly dropped due to a change in the direction of the intake air, as can be seen, for example, at the position indicated by 50 in Fig. 3, Air mass flow rate (W *).

예컨대 압력 센서들(30 또는 32)에 의해 검출되는 압력 신호에서도, 도 4를 참고로 하기에서 설명되는 것처럼, 상기 유형의 컴프레서 서지가 나타난다. 도 4에서 X 축(52) 상에는 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(54) 상에는 파스칼 단위의 압력이 표시되어 있다. 이 경우, 곡선(56)은 압력 센서(30)에 의해 컴프레서(18)의 상류에서 검출된 압력을 나타내고, 곡선(58)은 압력 센서(32)에 의해 컴프레서(18)의 하류에서 검출된 압력을 나타낸다. 서지에 대한 예는 각각 60으로 표시된 위치에서 확인할 수 있다.For example, in a pressure signal detected by pressure sensors 30 or 32, this type of compressor surge appears, as described below with reference to Fig. In FIG. 4, the time in seconds is displayed on the X-axis 52 and the pressure in Pascal is displayed on the Y-axis. In this case the curve 56 represents the pressure detected upstream of the compressor 18 by the pressure sensor 30 and the curve 58 represents the pressure detected by the pressure sensor 32 downstream of the compressor 18 . Examples of surges can be found at locations marked 60 respectively.

이제, 본 발명에 따라서, 컴프레서 서지의 검출을 위해, 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서들(30, 32)이 사용되지 않아도 되고, 다시 말하면 이들이 대체물 없이 생략될 뿐만 아니라, 앞서 기술한 제어부에 의해 컴프레서 서지가 분명하게 식별될 수 있다. 그러므로 컴프레서 서지가 제어부에 어떻게 작용하는지가 설명된다.It will now be appreciated that, in accordance with the present invention, the air mass sensor 28 and / or the pressure sensors 30, 32 need not be used for the detection of the compressor surge, i.e. they are omitted without replacement, The compressor surge can be clearly identified by the control section. Therefore, how the compressor surge works on the control unit is explained.

컴프레서 출력(P)에서도, 하기에서 도 5를 참고로 설명되는 것처럼, 상기 유형의 컴프레서 서지가 나타난다. 도 5에서, X 축(62) 상에 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(64) 상에는 와트 단위의 컴프레서 출력(P)이 표시되어 있다. 도 5에는, 등엔트로피의 컴프레서 출력(P)이 더욱 정확하게 도시되어 있다.Also at the compressor output P, a compressor surge of this type appears, as described below with reference to Fig. 5, the time in seconds is displayed on the X-axis 62, and the compressor output P in watts is displayed on the Y-axis. In Figure 5, the isentropic compressor output (P) is shown more accurately.

예시로서, 여기서는 무손실 경로가, 다시 말해 발생하는 효율의 고려 없이 도시되어 있다. 측정 데이터로부터 등방성 컴프레서 출력(P)이 하기 식에 의해 계산될 수 있다.As an example, a lossless path is shown here, without taking into account the efficiency that occurs. From the measurement data, the isotropic compressor output (P) can be calculated by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 식에서, cp는 정압(constant pressure)에서 공기의 비열 용량이고, Tin은 컴프레서의 유입구에서의 공기의 온도이며, pout는 컴프레서(18)의 하류에서의 압력이고, pin은 컴프레서(18)의 상류에서의 압력이며, W는 여기서도 공기 질량 유량이고, k는 공기의 등엔트로피 계수, 다시 말해 cp와 cv의 몫이며, 여기서 cv는 정온(constant temperature)에서 공기의 비열 용량이다. 공기의 경우, k = 1.4이다. 도 5에는, 예시로서, 컴프레서 출력의 곡선에서 컴프레서 서지를 나타내는 위치(66)가 표시되어 있다. 컴프레서 서지 동안, 공기 질량 유량(W)은, 앞서 예시로서 도 3을 참고로 설명했던 것처럼, 변동한다. 그러므로 컴프레서 서지의 경우, 전기 구동 장치(26)의 출력(P)도 변동한다.And wherein, c p is the specific heat capacity of air at constant pressure (constant pressure), T in is the temperature of the air at the compressor inlet, p out is the pressure at the downstream of the compressor (18), p in the compressor ( 18, where W is also the air mass flow rate, k is the isentropic coefficient of air, i. E., The share of c p and c v , where c v is the specific heat capacity of air at a constant temperature to be. For air, k = 1.4. 5 shows, by way of example, the position 66 indicating the compressor surge in the curve of the compressor output. During the compressor surge, the air mass flow (W) fluctuates, as described above with reference to Fig. 3 as an example. Therefore, in the case of a compressor surge, the output P of the electric drive device 26 also fluctuates.

구동 장치(26)의 로터의 각 주파수(ω)를 이용해서, 하기 식에 따라서 컴프레서(18)의 무손실 부하 토크(M L )가 주어진다:Using the angular frequency ω of the rotor of the drive 26, the lossless load torque M L of the compressor 18 is given by the following equation:

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 식에서, n은 컴프레서(18)의 실제 회전속도이며, 이 실제 회전속도는 구동 장치(26)의 로터의 회전속도와 동일한데, 그 이유는 컴프레서와 구동 장치가 샤프트(24)를 통해 연결되어 있기 때문이다.Where n is the actual rotational speed of the compressor 18 and this actual rotational speed is equal to the rotational speed of the rotor of the drive 26 because the compressor and drive are connected via the shaft 24 It is because.

컴프레서(18)의 부하 토크(M L )의 곡선을 참고로, 도 6에 따라 설명되는 것처럼, 컴프레서 서지가 확인될 수 있다. 도 6에서, X 축(68)에 초 단위의 시간이 표시되고, Y 축(70)에는 Nm 단위로 컴프레서(18)의 부하 토크(M L )가 표시되어 있다. 도 6에는, 예시로서, 컴프레서(18)의 부하 토크(M L )의 곡선에서 컴프레서 서지를 나타내는 위치(72)가 표시되어 있다.With reference to the curve of the load torque M L of the compressor 18, the compressor surge can be ascertained, as will be explained with reference to Fig. 6, the time in seconds is displayed on the X-axis 68 and the load torque M L of the compressor 18 is displayed on the Y-axis 70 in units of Nm. 6 shows, as an example, the position 72 indicating the compressor surge in the curve of the load torque M L of the compressor 18. As shown in Fig.

상기 식들로부터, 부하 토크(M L )의 강한 변동은 설정 회전속도(n*)의 변동의 결과로, 또는 컴프레서 서지의 결과로 발생할 수 있다는 결론에 도달하게 된다. 이런 결론은 2개의 변수, 즉 공기 질량 유량(W)에 의해 변동할 수 있는 컴프레서 출력(P)과, 마찬가지로 제어부로 인해 변동할 수 있는 회전속도(n)에 따라 결정된다. 끝으로, 전자 출력 장치 내에서, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 정보로부터, 부하 토크(M L )의 강한 변동이 회전속도 변화에, 또는 컴프레서 서지에 근거하는지의 여부에 대한 타당성 검사가 수행될 수 있다. 따라서, 부하 토크(M L )의 변화는 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 발생시킨다. 이제, 본 발명에 따른 방법의 경우, 컴프레서 서지는, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 변화의 임계값을 하회할 때 검출된다. 예컨대 단위 시간당 설정 전류(I*) 및 설정 회전속도(n*)의 시간에 따른 변화가 결정된다. 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 변화의 임계값은 예컨대 실질적으로 0이다. 여기서 실질적으로 0이란, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)가 거의 일정하고 기술적으로 불가피한 변화 또는 변동만을 겪는 것 의미한다. 0의 변화는, 고정된 작동점이 설정되는 것을 의미한다. 이제 결과로 발생한 토크(M R )의 변화가 발생하면, 이런 변화는 분명하게 컴프레서 서지에 할당될 수 있는데, 그 이유는 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)가 변화되지 않았고 그에 따라 상기 제어부에 따라서 결과로 발생한 토크(M R )의 변화에 대한 영향 변수로서 고려되지 않기 때문이다. 달리 말하면, 부하 토크(M L )와 그에 따른 결과로 발생한 토크(M R )는 일정한 설정 회전속도(n*)와 그에 따른 일정한 설정 전류(I*)에도 불구하고 강하게 변동한다. 그에 따라, 변동하는 부하 토크(M L )에 대한 영향 변수로서, 컴프레서 서지에 의해 야기된 변동하는 공기 질량 유량(W)에 따라 변동하는 출력(P)만이 고려된다. 컴프레서 서지가 상기 방법에 따라 검출되면, 제어 장치(36)에 의해 더 낮은 설정 회전속도(n*)가 사전 설정된다. 추가로 바이패스 밸브(22)가 개방될 수 있다.From the above equations, it can be concluded that a strong fluctuation of the load torque M L can occur as a result of a change in the set rotational speed n *, or as a result of a compressor surge. This conclusion is determined according to the compressor output P which can be varied by two variables, that is, the air mass flow rate W, and the rotational speed n which can vary due to the control unit as well. Finally, from the information of the set rotation speed n * and the set current I * in the electronic output device, whether or not the strong fluctuation of the load torque M L is based on the rotation speed change or on the compressor surge Can be performed. Therefore, a change in the load torque M L causes a change in the resulting torque M R. Now, in the case of the method according to the present invention, the compressor surge is detected when the set rotation speed n * and the threshold value of the change in the set current I * fall short of each other. For example, a change with time of the set current I * and the set rotation speed n * per unit time is determined. The threshold value of the change of the set rotation speed n * and the set current I * is, for example, substantially zero. Here, substantially 0 means that the set rotation speed n * and the set current I * are substantially constant and only technically inevitable changes or variations are experienced. A change of 0 means that a fixed operating point is set. Now, when a change in the resulting torque M R occurs, this change can be clearly assigned to the compressor surge because the set rotation speed n * and the set current I * are unchanged, Is not considered as an influence variable for the change in the resulting torque ( M R ) according to the control unit. In other words, the load torque M L and the resulting torque M R vary strongly despite a constant set rotational speed n * and hence a constant set current I *. Accordingly, as an influence variable on the fluctuating load torque M L , only the output P that varies depending on the fluctuating air mass flow rate W caused by the compressor surge is considered. When the compressor surge is detected according to the above method, a lower set rotational speed n * is preset by the control device 36. [ In addition, the bypass valve 22 can be opened.

컴프레서(18)의 제어 장치(36)와의 통신은 상기 실시예에서 예컨대 CAN(Controller Area Network)과 같은 자동차에서 유용한 인터페이스에 의해 수행될 수 있다. 전자 출력 장치에 의해 제공되는 데이터는 컴프레서 서지 동안 기록되고 평가될 수 있다. 예컨대 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서들(30, 32)과 같은 다른 센서들의 데이터와의 비교를 통해, 컴프레서 서지의 정보는 더 정확하게 식별될 수 있다.The communication of the compressor 18 with the control device 36 may be performed by an interface useful in the vehicle, for example, a Controller Area Network (CAN) in the above embodiment. The data provided by the electronic output device can be recorded and evaluated during compressor surge. For example, through comparison with data of other sensors such as air mass sensor 28 and / or pressure sensors 30, 32, the information of the compressor surge can be more accurately identified.

분명하게 강조되는 사항은, 본 발명에 따른 방법이 연료 전지 시스템(10)의 전기 구동형 컴프레서(18)에 적용으로 국한되지 않는다는 점이다. 예컨대 전기 구동형 컴프레서(18)는 내연기관에서도 사용할 수 있다. 앞서 기술한 제어도 공기 질량 유량의 제어로 국한되지 않는다. 대안으로서, 유사하게, 압력 제어, 컴프레서(18)의 유입구에서의 공기 질량 유량/압력의 특성 곡선을 이용한 순수 제어, 또는 이산식 부하 레벨 사전 설정이 고려된다.It is emphasized that the method according to the present invention is not limited to the application to the electrically driven compressor 18 of the fuel cell system 10. For example, the electrically driven compressor 18 may be used in an internal combustion engine as well. The above-described control is not limited to the control of the air mass flow rate. Alternatively, it is contemplated that pressure control, pure control using characteristic curves of air mass flow / pressure at the inlet of compressor 18, or discrete load level presets.

10 연료 전지 시스템
12 연료 전지
18 컴프레서
20 배기가스 터빈
26 구동 장치
34 터보차저
36 제어부, 제어 장치
I 실제 전류
I* 설정 전류
M L 부하 토크
M M 구동 토크
M R 결과로 발생한 토크(resulting torque)
n 실제 회전속도
n* 설정 회전속도
U 전압
10 Fuel cell system
12 Fuel cell
18 Compressor
20 Exhaust gas turbine
26 drive
34 Turbocharger
36 Control unit, control unit
I actual current
I * Setting current
M L Load torque
M M Drive torque
M R The resulting torque
n Actual rotational speed
n * Set rotation speed
U voltage

Claims (14)

전기 구동형 컴프레서(18)의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법으로서, 상기 컴프레서(18)는 상기 컴프레서(18)를 구동하기 위한 전기 구동 장치(26)를 포함하고, 상기 구동 장치(26)는 구동 토크(M M )를 생성하도록 구성되는, 컴프레서 서지 검출 방법에 있어서,
제어부(36)는 상기 구동 장치(26)에 작용하는 부하 토크(M L )에 상기 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성되고, 상기 구동 장치(26)의 상기 구동 토크(M M )는 상기 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정되고, 상기 구동 장치(26)의 설정 전류(I*)는 상기 컴프레서(18)의 상기 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정되고, 상기 설정 전류(I*)를 기반으로 상기 구동 장치(26)를 구동하기 위한 전압(U)이 생성되고, 상기 구동 장치(26)의 실제 전류(I) 및 상기 컴프레서(18)의 실제 회전속도(n)가 검출되고, 상기 컴프레서(18)의 상기 실제 회전속도(n)는 상기 구동 토크(M M ) 및 상기 부하 토크(M L )의 결과로 발생한, 상기 구동 장치(26)의 토크(M R )를 기반으로 결정되며, 상기 컴프레서 서지는 상기 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 기반으로, 그리고 상기 설정 회전속도(n*) 및 상기 설정 전류(I*)를 기반으로 검출되는, 컴프레서 서지 검출 방법.
A method for detecting a compressor surge of an electrically driven compressor (18), the compressor (18) comprising an electric drive (26) for driving the compressor (18) And to generate a torque M M ,
Control unit 36 is the drive torque (M M) of the load torque, the drive torque is configured to match the (M M), the drive means 26 to the (M L) acting on the drive means 26 is a set current (I *) of the compressor 18 is determined to be set based on the rotational speed (n *), of the drive system 26 is in the set based on the rotational speed (n *) of the compressor (18) And a voltage U for driving the driving device 26 is generated based on the set current I * so that the actual current I of the driving device 26 and the actual current I of the compressor 18 the actual rotational speed (n) is detected, and the actual rotational speed (n) of the compressor 18 is the drive assembly 26, it occurred as a result of the drive torque (M M) and the load torque (M L) the torque is determined based on the (M R), wherein the compressor surge based on the change in the torque (M R) generated as the result, and the settings The rotation speed ( n *) and the set current ( I *).
제 1 항에 있어서, 상기 컴프레서 서지는 상기 설정 회전속도(n*) 및 상기 설정 전류(I*)의 변화의 임계값을 하회할 때 검출되는, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to claim 1, wherein the compressor surge is detected when the set rotation speed ( n *) and the set current ( I *) fall below a threshold value. 제 2 항에 있어서, 상기 설정 회전속도(n*) 및 상기 설정 전류(I*)의 변화의 임계값은 실질적으로 0인, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to claim 2, wherein the threshold value of the change in the set rotation speed ( n *) and the set current ( I *) is substantially zero. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단위 시간당 상기 설정 전류(I*) 및 상기 설정 회전속도(n*)의 시간에 따른 변화가 결정되는, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to any one of claims 1 to 3, wherein the change in the set current ( I *) and the set rotation speed ( n *) with respect to time is determined per unit time. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 설정 전류(I*)는 설정 3상 교류(I a *, I b *, I c *)인, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to any one of claims 1 to 4, wherein the set current ( I *) is a set three-phase alternating current ( I a *, I b *, I c *). 제 5 항에 있어서, 상기 설정 3상 교류(I a *, I b *, I c *)에 의해 위상 전압들(U a , U b , U c )이 설정되고, 실제 3상 교류(I a *, I b *, I c *)가 검출되는, 컴프레서 서지 검출 방법.The method of claim 5, wherein the set three-phase alternating-current (I a *, I b * , I c *) of the phase voltage by a (U a, U b, U c) and is set, the actual three-phase alternating-current (I a *, I b *, I c *) are detected. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부(36)는, 상기 컴프레서(18)의 샤프트(24)의 부하 토크(M L )에 상기 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성되는, 컴프레서 서지 검출 방법.7. The control system according to any one of claims 1 to 6, wherein the controller (36) is arranged to match the drive torque ( M M ) to the load torque ( M L ) of the shaft (24) Wherein the compressor surge detection method comprises: 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 설정 회전속도(n*)는 외부 제어 파라미터를 기반으로 사전 설정되는, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to any one of claims 1 to 7, wherein the set rotation speed ( n *) is preset based on an external control parameter. 제 8 항에 있어서, 상기 외부 제어 파라미터는 상기 컴프레서(18)를 통과하는 설정 유체 질량 유량인, 컴프레서 서지 검출 방법.The compressor surge detection method according to claim 8, wherein said external control parameter is a set fluid mass flow rate passing through said compressor (18). 연료 전지(12)와, 컴프레서(18)와, 컴프레서(18)를 전기 구동하기 위한 구동 장치(26)와, 제어 장치(36)를 포함하는 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
상기 제어 장치(36)는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따르는 컴프레서 서지 검출 방법을 실시하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
In a fuel cell system 10 including a fuel cell 12, a compressor 18, a drive device 26 for electrically driving the compressor 18, and a control device 36,
The control device (36) is configured to implement the compressor surge detection method according to any one of claims 1 to 9.
제 10 항에 있어서, 상기 연료 전지(12)는 자동차의 구동 장치(26)를 구동하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.11. The fuel cell system according to claim 10, wherein the fuel cell (12) is configured to drive a drive device (26) of an automobile. 제 11 항에 있어서, 제어 장치는 설정 공기 질량 유량을 기반으로 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 사전 설정하는, 연료 전지 시스템.12. The fuel cell system according to claim 11, wherein the control device pre-sets the set rotational speed ( n *) of the compressor (18) based on the set air mass flow rate. 제 12 항에 있어서, 상기 설정 공기 질량 유량은 자동차의 구동 장치의 출력 요건을 기반으로 결정되는, 연료 전지 시스템.13. The fuel cell system according to claim 12, wherein the set air mass flow rate is determined based on an output requirement of a drive device of a vehicle. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컴프레서(18)는 상기 연료 전지(12)의 배기가스 질량 유량으로 구동될 수 있는 배기가스 터빈(20)과 연결되는, 연료 전지 시스템.14. The fuel cell system according to any one of claims 10 to 13, wherein the compressor (18) is connected to an exhaust gas turbine (20) which can be driven with an exhaust gas mass flow rate of the fuel cell (12).
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