WO2010025752A1 - Verfahren zum betreiben eines systems aus wenigstens einem elektrischen verbraucher und einer brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines systems aus wenigstens einem elektrischen verbraucher und einer brennstoffzellenanordnung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a system of at least one electrical load and a fuel cell assembly, from which an electrical power is provided to the consumer, and characterized by an output current and an output voltage representing the provided power, and an associated operating point ,
  • a method and apparatus for dynamic power control for a vehicle with fuel cell is known.
  • the method described there and further developed by DE 100 63 654 A1 discloses how a power demand can be determined from an accelerator pedal position or if a corrected power requirement is determined if the fuel cell can not currently supply the required power.
  • the fuel cell is then, in accordance with this optionally corrected power demand, with an appropriate amount of media, e.g. As air and methanol or air and hydrogen supplied.
  • the electrical consumer, z As a drive motor of the vehicle is then controlled so that it decreases precisely this momentarily generated by the fuel cell power.
  • From DE 10 2004 038 330 Al is another method for operating a system of at least one electrical load, in particular a highly dynamically operating e- lektromotorischen consumer, and a fuel cell or a fuel cell stack, the or an electric power for the at least one consumer provides known.
  • the amount of media supplied to the fuel cell or fuel cell stack is controlled according to the power demand of the electrical load by, for example, "holding" the voltage of the fuel cell or fuel cell stack, working on the voltage-current characteristics of the fuel cell or fuel cell stack - or operating point is set, which allows the desired performance preferably with the best possible efficiency of the fuel cell or the fuel cell stack to provide.
  • the invention is therefore based on the object to provide a simple and reliable method for operating a system of at least one electrical load and a fuel cell assembly.
  • the electrical power for the consumer is provided and which is characterized by an output current and an output voltage representative of the power supplied, and an associated Ar ⁇ beitsyak , is determined based on an active variation of / by the electrical load specified voltage or current, a dynamic performance index, based on the operating point of the fuel cell assembly is determined and adjusted.
  • the invention is based on the consideration that should be dispensed with the continuous determination of the fuel cell array characterizing voltage-current characteristic and thus without knowledge of the voltage-current characteristic as an operating point in particular the operating point with power adjustment, ie the operating point in which the radiation emitted by the fuel cell system performance equal to that prescribed by the electrical load power (also called operating point of maximum power output) can be ⁇ telt ermit.
  • a voltage predetermined by the electrical load is actively varied directly or by variation of the current for the fuel cell arrangement, in particular by a predetermined voltage value or current value. value increased or decreased periodically.
  • the active variation of the voltage is preferably carried out with a high frequency and small deflection of the change, so that a periodic, z. B.
  • non-sinusoidal or sinusoidal signal is generated, which is available for the control of highly dynamic, vehicle-typical load scenarios available and allows rapid adjustment in the operating point of the power adjustment.
  • a load imposed by the electrical load in particular a current
  • the amplitude of the periodic increase or decrease of the voltage value or the current value can be specified. In this case, the predeterminable value of the amplitude is decisively determined by the resolution of the control method or the desired degree of accuracy of the determination of the operating point.
  • the process of the invention provides a reliable, cost-effective and optimized coupling of a fuel cell assembly with an electrical load.
  • 1 is a schematic representation of a control and / or regulation method for a system with a fuel cell assembly and a coupled thereto electrical consumers
  • 2 shows an exemplary embodiment of a voltage-current
  • FIGS. 4 is another embodiment of a voltage-current-power characteristic diagram of a fuel cell assembly having an operating point with power matching operating point and associated voltage, current, power and performance characteristics diagrams, and FIGS.
  • FIG. 5 is another embodiment of a voltage-current-power characteristic diagram of a fuel cell assembly having an operating point below the power-conditioning operating point and associated voltage, current, power, and performance index diagrams.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a control and / or regulation method for a system 1 comprising a fuel cell arrangement 2 and at least one electrical consumer 3 coupled to it.
  • a fuel cell arrangement 2 is understood to mean, in particular, a single fuel cell or a fuel cell stack formed from a plurality of fuel cells.
  • a drive motor M is used as an electrical consumer in particular a drive motor M.
  • the drive motor M is usually coupled to the fuel cell assembly 2 via an inverter 4, by which the supplied from the fuel cell assembly 2 current I BZ , a direct current, for use in the drive motor M in three-phase current I D is reversed.
  • the drive motor M and the fuel cell assembly 2 are connected to each other via at least one control unit 5, which serves to adjust the requirements of the consumer 3 to the fuel ⁇ cell assembly 2 and which may be integrated in the inverter 4 (shown in phantom) or as a separate component can be trained.
  • the fuel cell assembly 2 and / or the drive motor M may be connected in a manner not shown with other components via an electrical system and / or control / regulation network.
  • the fuel cell assembly 2 can be connected via a DC / DC converter to a battery or a double-layer capacitor, whereby they can be charged, for example, or can deliver energy to the drive motor M if necessary.
  • the DC / DC converter can be connected to the inverter 4.
  • the DC / DC converter and other components may be integrated in the inverter 4.
  • the power P BZ extracted for the drive motor M is dependent on the operating point AP of the fuel cell arrangement 2 when it is loaded by the drive motor M as an electrical load 3.
  • the working ⁇ point AP, the fuel line assembly 2 is characterized by exactly the arising output voltage U B for the fuel cell assembly 2, which is obtained according to the load by the output current I B z for the drive motor M.
  • the power taken is:
  • a requested by the drive motor M power P BZSOII is controlled by the fact that by means of the control unit 5 by active variation of the set at the fuel cell array 2 voltage U according to:
  • a dynamic performance index K MPP is determined, based on the operating point AP of the fuel cell assembly 2 is determined and set. Based on the determined performance factor K p and MP of the adjusted operating point AP is then by means of a controller 6 to the fuel cell lena order 2 output voltage U B zsoii specified differently set.
  • a power P which is also composed of a DC component and an AC component according to:
  • the performance factor K MPP is the voltage-controlled Rege ⁇ lung determined as follows: ⁇
  • the following parameters or settings must be taken into account.
  • periodic, sinusoidal variation of the voltage U the frequency f of the AC component dU a (t) of the voltage U is greater than the desired bandwidth of the power control to specify.
  • the resolution or the degree of accuracy of the determination of the operating point AP (MPP) with power adjustment by changing the amplitude of the alternating component dU a (t) of the voltage U can be preset and set.
  • the shape of the predetermined alternating component dV a (t) can in principle be selected as desired.
  • a square wave signal instead of a periodic, sinusoidal signal, a square wave signal can be used.
  • the use of a square wave signal increases the degree of accuracy in the detection and adjustment of the operating point AP (MPP) with power adjustment with the disadvantage of harmonic distortion for the system 1 compared to a sinusoidal signal.
  • the efficiency ⁇ i st of the fuel cell arrangement 2 can also be taken into account for the regulation by the value of the performance characteristic K MPP being regulated to values> 0.
  • the voltage-controlled control with high dynamics and unfavorable efficiency ⁇ is or with damped dynamics and high efficiency ⁇ is set.
  • FIG. 2 shows a voltage-current-power characteristic diagram of the fuel cell arrangement 2 with active variation of the voltage U to be set at the fuel cell arrangement 2 according to:
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a voltage-current-power characteristic diagram Dl of a fuel cell arrangement 2 with operating points AP1 to AP3 lying above the operating point AP (MPP) with power adaptation and associated voltage, current, power and performance characteristic diagrams D2 to D5.
  • the adjusted voltage U is in this embodiment, periodically, in particular sinusför ⁇ mig varied, wherein the following parameters, and the course or a value in the diagrams shown Dl to D5:
  • UN currently active polarization characteristic of the fuel cell arrangement 2 relative to one cell per cm 2
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment for a voltage-current-power characteristic diagram D6 of a fuel cell arrangement 2 with an operating point AP4 which is adjusted in the operating point AP (MPP) and associated voltage, current, power and performance characteristic diagrams D7 to DLO and
  • Figure 5 shows a voltage-current power characteristic diagram with a Dil below the Ar ⁇ beitsembls AP (MPP) located with power adjustment operating point AP5 and associated voltage, current, bathund performance factor diagrams D12 to D15.
  • MPP operating point AP

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher (3) und einer Brennstoffzellenanordnung (2), von der eine elektrische Leistung (PBz) für den Verbraucher (3) bereitgestellt wird und die durch einen die bereitgestellte Leistung (PBz) repräsentierenden Ausgangsstrom (IBz) und eine die bereitgestellte Leistung (PBz) repräsentierende Ausgangsspannung (PBZ) sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt (AP) charakterisiert ist, wobei anhand einer aktiven Variation einer oder eines durch den elektrischen Verbraucher (3) vorgegebenen Spannung (U) oder Strom (I) eine dynamische Leistungskennzahl (KMPP) ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt (AP) der Brennstoffzellenanordnung (2) ermittelt und eingestellt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer BrennstoffZeilenanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer BrennstoffZeilenanordnung, von der eine elektrische Leistung für den Verbraucher bereitgestellt wird, und die durch einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung, die die bereitgestellte Leistung repräsentieren, sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt charakterisiert ist.
Aus der DE 43 22 765 Cl ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle bekannt. Das dort beschriebene und durch die DE 100 63 654 Al weitergebildete Verfahren offenbart, wie aus einer Fahrpedalstellung eine Leistungsanforderung oder falls die Brennstoffzelle die geforderte Leistung momentan nicht liefern kann, eine korrigierte Leistungsanforderung ermittelt wird. Die Brennstoffzelle wird dann gemäß dieser gegebenenfalls korrigierten Leistungsanforderung mit einer geeigneten Menge an Medien, z. B. Luft und Methanol oder Luft und Wasserstoff, versorgt. Der elektrische Verbraucher, z. B. ein Antriebsmotor des Fahrzeugs, wird dann so gesteuert, dass er genau diese momentan von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung abnimmt. Dadurch entsteht ein sehr hoher Steuerungs- und Regelungsaufwand, bei welchem die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung und die vom Antriebsmotor abzunehmende Leistung immer, das heißt in jedem Moment, exakt gleich gehalten werden müssen. Gelingt dies nicht, so kommt es bei einer zu hohen vom Antriebsmotor abgenommenen/geforderten Leistung (mit PM > PBZ, PM = vom Motor geforderte Leistung, PBz von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung) zu einem so genannten "Zusammenbrechen" der Brennstoffzelle. Auch der umgekehrte Fall einer zu hohen Leistung der Brennstoffzelle (PM < PBZ) führt zumindest zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad und zu erheblichen Korrekturerfordernissen. Für einen sicheren Betrieb ist der hohe Aufwand des zeitlich und größenmäßig exakten Einregeins gleicher Leistungen (PM = PBZ) also unerlässlich. Dies ist jedoch mit einer entsprechend hohen Systemkomplexität, einer aufwändigen Sensorik und damit hohen Kosten, bei gleichzeitig eher schlechter Systemzuverlässigkeit, verbunden.
Aus der DE 10 2004 038 330 Al ist ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem hochdynamisch arbeitenden e- lektromotorischen Verbraucher, und einer Brennstoffzelle oder einem BrennstoffZellenstapel, die bzw. der eine elektrische Leistung für den wenigstens einen Verbraucher bereitstellt, bekannt. Die der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellen- stapel zugeführte Menge an Medien wird entsprechend des Leistungsbedarfs des elektrischen Verbrauchers gesteuert, indem beispielsweise die Spannung der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels "festgehalten" wird, wobei auf der Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels ein Arbeits- oder Betriebspunkt eingestellt wird, welcher es erlaubt die gewünschte Leistung bevorzugt bei möglichst gutem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Durch die Berücksichtigung und Einstellung der Parameter der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels anhand der diese repräsentierenden, momentan wirksamen Spannungs-Strom- Kennlinie und daraus resultierend der Anforderung einer fortlaufenden Ermittlung der aktuell wirksamen Spannungs-Strom- Kennlinie ist auch dieses Verfahren aufwändig und zeitintensiv. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer BrennstoffZeilenanordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einer BrennstoffZeilenanordnung, von der eine elektrische Leistung für den Verbraucher bereitgestellt wird, und die durch einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung, die die bereitgestellte Leistung repräsentieren, sowie einen zugehörigen Ar¬ beitspunkt charakterisiert ist, wird anhand einer aktiven Variation einer/eines durch den elektrischen Verbraucher vorgegebenen Spannung oder Stroms eine dynamische Leistungskennzahl ermittelt, anhand der der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung ermittelt und eingestellt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass auf die fortlaufende Ermittlung der die BrennstoffZellenanordnung charakterisierenden Spannungs-Strom-Kennlinie verzichtet werden sollte und somit ohne Kenntnis der Spannungs-Strom- Kennlinie als Arbeitspunkt insbesondere der Arbeitspunkt mit Leistungsanpassung, d.h. der Arbeitspunkt, in welchem die von der Brennstoffzellenanordnung abgegebene Leistung gleich der vom elektrischen Verbraucher geforderten Leistung ist (auch Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsausbeute genannt) , ermit¬ telt werden kann. Hierzu wird eine durch den elektrischen Verbraucher vorgegebene Spannung direkt oder druch Variation des Stromes für die Brennstoffzellenanordnung aktiv variiert, insbesondere um einen vorgegebenen Spannungswert bzw. Strom- wert periodisch erhöht bzw. erniedrigt. Dabei erfolgt die aktive Variation der Spannung vorzugsweise mit einer hohen Frequenz und kleiner Auslenkung der Änderung, so dass ein periodisches, z. B. nicht sinusförmiges oder sinusförmiges Signal erzeugt wird, welches für die Regelung hochdynamischer, fahrzeugtypischer Lastszenarien zur Verfügung steht und eine schnelle Ausregelung in den Arbeitspunkt der Leistungsanpassung ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann anstelle der aktiven Variation der Spannung eine vom elektrischen Verbraucher vorgegebene Belastung, insbesondere ein Strom aktiv variiert werden. Darüber hinaus kann die Amplitude der periodischen Erhöhung bzw. Erniedrigung des Spannungswertes bzw. des Stromwertes vorgegeben werden. Dabei wird der vorgebbare Wert der Amplitude maßgeblich bestimmt durch die Auflösung des Regelungsverfahrens bzw. den gewünschten Genauigkeitsgrad der Ermittlung des Arbeitspunktes.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine betriebssichere, kostengünstige und optimierte Kopplung einer BrennstoffZeilenanordnung mit einem elektrischen Verbraucher gegeben ist. Insbesondere ist eine vereinfachte Lastregelung zur Leistungsabgabe mit einer hohen Dynamik ermöglicht, wobei die Lastregelung in den Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe (= so genannter Maximum Power Point - kurz MPP genannt) ohne Kenntnis der Spannungs-Strom-Kennlinie (auch Polarisationskennlinie genannt) schnellst möglich erfolgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Steuerungs- und/oder Regelungsverfahrens für ein System mit einer Brennstoffzellenanordnung und einen an diese gekoppelten elektrischen Verbraucher, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-
Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellen- anordnung mit aktiver Variation der Spannung,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom-
Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellen- anordnung mit einem oberhalb des Arbeitspunktes mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungs- Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit einem im Arbeitspunkt mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl- Diagramme, und
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungs- Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit einem unterhalb des Arbeitspunktes mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerungs- und/oder Regelungsverfahrens für ein System 1 aus einer BrennstoffZeilenanordnung 2 und wenigstens einem an diese gekoppelten elektrischen Verbraucher 3. Bevorzugt findet eine derartige Kopplung bei einem Fahrzeug mit integrierter BrennstoffZeilenanordnung 2 Anwendung. Unter einer Brennstoffzel- lenanordnung 2 wird insbesondere eine einzelne Brennstoffzelle oder ein aus mehreren Brennstoffzellen gebildeter Brennstoffzellenstapel verstanden. Als elektrischer Verbraucher wird insbesondere ein Antriebsmotor M eingesetzt. Der Antriebsmotor M ist an die BrennstoffZeilenanordnung 2 üblicherweise über einen Umrichter 4 gekoppelt, durch welchen der aus der BrennstoffZeilenanordnung 2 gelieferte Strom IBZ, ein Gleichstrom, zur Verwendung im Antriebsmotor M in Drehstrom ID umgerichtet wird. Darüber hinaus sind der Antriebsmotor M und die BrennstoffZeilenanordnung 2 über mindestens ein Steuergerät 5 miteinander verbunden, welches der Einstellung der Anforderungen des Verbrauchers 3 an der Brennstoff¬ zellenanordnung 2 dient und das im Umrichter 4 integriert sein kann (gestrichelt dargestellt) oder als eine separate Komponente ausgebildet sein kann.
Ferner kann die BrennstoffZeilenanordnung 2 und/oder der Antriebsmotor M in nicht näher dargestellter Art und Weise mit weiteren Komponenten über ein elektrisches Bordnetz und/oder Steuerungs-/Regelungsnetz verbunden sein. Beispielsweise kann die BrennstoffZeilenanordnung 2 über einen DC/DC-Wandler mit einer Batterie oder einem Doppelschichtkondensator verbunden sein, wodurch diese beispielsweise geladen werden können bzw. bei Bedarf Energie an den Antriebsmotor M abgeben können. Dabei kann der DC/DC-Wandler an dem Umrichter 4 angeschlossen sein. Auch können der DC/DC-Wandler und andere Komponenten im Umrichter 4 integriert sein.
Im Betrieb des Systems 1 ist die für den Antriebsmotor M entnommene Leistung PBZ vom Arbeitspunkt AP der Brennstoffzel- lenanordnung 2 abhängig, wenn diese durch den Antriebsmotor M als elektrischer Verbraucher 3 belastet wird. Der Arbeits¬ punkt AP der BrennstoffZeilenanordnung 2 ist gekennzeichnet durch genau die sich einstellende Ausgangsspannung UBz der BrennstoffZellenanordnung 2, welche sich bei entsprechender Belastung durch den Ausgangsstrom IBz für den Antriebsmotor M ergibt. Die dabei entnommene Leistung ist:
BZ = I BZ U BZ [1] mit PBZ = entnehmbare/entnoπunene Leistung aus der Brennstoffzellenanordnung 2, IBZ = Ausgangsstrom der Brennstoff zellen- anordnung 2, UBz = Ausgangsspannung der Brennstoff zellenan- ordnung 2.
Dabei wird eine vom Antriebsmotor M angeforderte Leistung PBZSOII dadurch geregelt, dass mittels des Steuergerätes 5 durch aktive Variation der an der BrennstoffZeilenanordnung 2 einzustellenden Spannung U gemäß:
U = Ua + düa(t) [1]
mit Ua = vom elektrischen Verbraucher vorgegebene Spannung, dUa(t) = Wechselanteil der Spannung mit z. B. dUa(t) = düao(t) • sin(2-π-ft) ,
und einer daraus resultierenden Belastung, welche ebenfalls mit einem zusätzlichen Wechselanteil des Stromes dla(t) ver¬ sehen ist, gemäß:
I = Ia + dla(t) [2]
mit I3 = Strom, dla(t) = Wechselanteil des Stroms,
eine dynamische Leistungskennzahl KMPP ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt AP der BrennstoffZeilenanordnung 2 bestimmt und eingestellt wird. Anhand der ermittelten Leistungskennzahl KMPp und des einzustellenden Arbeitspunktes AP wird dann mittels eines Reglers 6 die an der Brennstoffzel- lenanordnung 2 einzustellende Ausgangsspannung UBzsoii vorgege¬ ben.
Nachfolgend wird die Ermittlung der Leistungskennzahl KMPP näher erläutert.
Durch die aktive Variation der einzustellenden Spannung U der Brennstof f Zeilenanordnung 2 gemäß [1] und der daraus resul- tierenden Variation des Stroms I gemäß [2] ergibt sich eine Leistung P, welche sich ebenfalls aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammensetzt gemäß:
P = Pa + dPa(t) [3]
mit P3 = Leistung der BrennstoffZellenanordnung 2, dPa(t) = Wechselanteil der Leistung.
Dabei ergeben sich jedoch aufgrund der real wirksamen Kennlinie unterschiedliche Flächeninhalte (=Energie) der Gesamtleistung für den Anteil der positiven Halbwelle des Wechselanteils dPa(t) im Gegensatz zum Anteil der negativen Halbwelle des Wechselanteils dPa(t) gemäß:
\PadPa ≠ \Pa dPa . [ 4 ]
0 π
Liegt dabei der Arbeitspunkt AP genau auf dem Arbeitspunkt AP(MPP) mit Leistungsanpassung (UBz = 0,5 " Uo, Uo = Leerlauf¬ spannung), so gilt:
)dPa≡]dPa [5]
0 π bei hinreichend kleiner Auslenkung des Wechselanteils dPa(t) .
Die Leistungskennzahl KMPP wird zur spannungsgesteuerten Rege¬ lung wie folgt bestimmt: π
Figure imgf000010_0001
wobei gilt: ^MPP > 0 : UMMP < UBZ < U^ [ 7 ]
K Mpp = ° : U BZ = U MMP (Leistungsanpassung) [ 8 ]
KMFP < 0 : 0V < UBZ < UMMP [ 9 ]
und wobei der Bereich des maximalen Wirkungsgrades der BrennstoffZeilenanordnung 2 bei KMPP > 0 liegt.
Anhand der ermittelten Leistungskennzahl KMPP kann ohne Kenntnis der momentan wirksamen Spannungs-Strom-Kennlinie (= Polarisationskennlinie) der BrennstoffZeilenanordnung 2 mit der Bedingung KMPP = 0 mittels des Reglers 6 die Regelung in den Arbeitspunkt AP(MPP) mit Leistungsanpassung und somit maximaler Leistungsausbeute mittels einer Soll-Leistungskennzahl KMPPSoll geführt werden.
Dabei sind unter anderem folgende Parameter bzw. Einstellungen zu berücksichtigen. Bei einer beispielsweise periodischen, sinusförmigen Variation der Spannung U ist die Frequenz f des Wechselanteils dUa(t) der Spannung U größer als die gewünschte Bandbreite der Leistungsregelung vorzugeben.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann darüber hinaus die Auflösung bzw. der Genauigkeitsgrad der Ermittlung des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung durch Änderung der Amplitude des Wechselanteils dUa(t) der Spannung U vorgegeben und eingestellt werden.
Die Form des vorgegebenen Wechselanteils dUa(t) kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann anstelle eines periodischen, sinusförmigen Signals ein Rechtecksignal verwendet werden. Die Verwendung eines Rechtecksignals erhöht gegenüber einem sinusförmigen Signal den Genauigkeitsgrad bei der Ermittlung und Einstellung des Arbeitspunktes AP(MPP) mit Leistungsanpassung mit dem Nachteil von Oberwellenstörungen für das System 1. In einer weiteren Ausführungsform kann für die Regelung auch der Wirkungsgrad ηist der BrennstoffZeilenanordnung 2 berücksichtigt werden, indem der Wert der Leistungskennzahl KMPP auf Werte > 0 geregelt wird. Somit kann je nach Vorgabe die spannungsgesteuerte Regelung mit hoher Dynamik und ungünstigem Wirkungsgrad ηist bzw. mit gedämpfter Dynamik und hohem Wirkungsgrad ηist eingestellt werden.
Figur 2 zeigt ein Spannungs-Strom-Leistungs-Kennliniendia- gramm der Brennstoffzellenanordnung 2 mit aktiver Variation der an der Brennstoffzellenanordnung 2 einzustellenden Spannung U gemäß :
U = Ua + düa(t) [10]
und daraus resultierender Variation des Stroms I gemäß:
I = I3 + dla(t) [11]
und Verschiebung des Arbeitspunktes AP.
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Spannungs-Strom- Leistungs-Kennliniendiagramm Dl einer Brennstoffzellenanordnung 2 mit oberhalb des Arbeitspunktes AP (MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkten APl bis AP3 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl-Diagramme D2 bis D5. Dabei wird die einzustellende Spannung U in diesem Ausführungsbeispiel periodisch, insbesondere sinusför¬ mig variiert, wobei folgende Kenngrößen und deren Verlauf bzw. Wert in den Diagrammen Dl bis D5 dargestellt sind:
UN = momentan wirksame Polarisationskennlinie der Brennstoffzellenanordnung 2 bezogen auf eine Zelle pro cm2 , PN = daraus resultierende Leistungskurve (= f(I_>z))* uN_t_n = Ua - dUa (= negative Halbwelle) , uN_t_p = Ua + dUa (= positive Halbwelle) , iN_t_n = resutlierender Strom (negative Halbwelle) , iN_t_p = resultierender Strom (positive Halbwelle) , PN_t_n = Leistung der BrennstoffZeilenanordnung 2 = uN_t_n ' iN_t_n (negative Halbwelle) , PN_t_p = Leistung der Brennstoffzellenanordnung 2 = uN_t_p " iN_t_p (positive Halbwelle) , KMPP = Leistungskennzahl = 1 - Int (PN_t_) / (Int (PN_t_) , Int =
Integral der Halbwelle.
Die Kenngrößen gelten auch für die nachfolgend beispielhaft dargestellten Diagramme D6 bis 15.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Span- nungs-Strom-Leistungs-Kennliniendiagramm D6 einer Brennstoffzellenanordnung 2 mit einem im Arbeitspunkt AP(MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt AP4 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Leistungskennzahl- Diagramme D7 bis DlO und Figur 5 zeigt ein Spannungs-Strom- Leistungs-Kennliniendiagramm Dil mit einem unterhalb des Ar¬ beitspunktes AP (MPP) mit Leistungsanpassung liegenden Arbeitspunkt AP5 und zugehörige Spannungs-, Strom-, Leistungsund Leistungskennzahl-Diagramme D12 bis D15.
Bezugs zeichenliste
System BrennstoffZeilenanordnung elektrischer Verbraucher Umrichter Steuergerät Regler

Claims

12Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher (3) und einer Brennstoffzellenanordnung (2), von der eine elektrische Leistung (PBz) für den Verbraucher (3) bereitgestellt wird und die durch einen die bereitgestellte Leistung (PBz) repräsentierenden Ausgangsstrom (IBZ) und eine die bereitgestellte Leistung (PBz) repräsentierende Ausgangsspannung (PBz) sowie einen zugehörigen Arbeitspunkt (AP) charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer aktiven Variation einer oder eines durch den elektrischen Verbraucher (3) vorgegebenen Spannung (U) oder Strom (I) eine dynamische Leistungskennzahl (KMPp) ermittelt wird, anhand der der Arbeitspunkt (AP) der BrennstoffZeilenanordnung (2) ermittelt und eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) periodisch variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Wechselanteils (dUa(t)) der Spannung (U) variiert wird.
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DE10233821A1 (de) * 2002-07-25 2004-02-05 Daimlerchrysler Ag Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung einer wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor aufweisenden, mobilen Vorrichtung mit einem hybriden Energiesystem, das ein Brennstoffzellensystem und ein dynamisches Energiesystem enthält
US20060029844A1 (en) * 2003-08-01 2006-02-09 Kimiyoshi Kobayashi Fuel cell optimum operation point tracking system in power supply device using fuel cell and power supply device provided with this fuel cell optimum operation point tracking system
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