WO2016162101A1 - Verfahren zur leistungsregelung eines brennstoffzellensystems in einem fahrzeug - Google Patents

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Sven Schmalzriedt
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for power control of a fuel cell system in a vehicle according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • a vehicle with a fuel cell system which is often referred to as
  • Fuel cell vehicle is called usually consists of a
  • Fuel cell system as an energy source, an electrical energy storage, usually in the form of a battery, and an electric traction drive, which comprises at least one electric motor.
  • the electric motor absorbs electrical power in the traction drive and is typically operated as a generator when the vehicle is decelerated and feeds back electric power in this so-called recuperation operation, which energy can then be stored in the electrical energy store.
  • a torque required by the driver for example the position of an accelerator pedal, and consequently a specific electrical power are typically determined.
  • the requested electrical power from the fuel cell system in sufficient accuracy and with a reproducible behavior, if possible within a given dynamic, overall fast enough provided.
  • the line control must ensure that the fuel cell is allowed
  • Fuel cell system is pulled. Since typically the media, in particular in the case of a sudden increase in the required power, have not yet been adapted to the new operating point or due to the typically required
  • the media supply can be tracked by measuring the current of the load, this leads to an extreme load on the fuel cell on the one hand and to extremely poor dynamics of such operated fuel cell vehicle on the other hand.
  • the object of the present invention is now to provide a method for power control of a fuel cell system in a vehicle, which advantageously further develops the known from the prior art method, and which in particular a very good and reproducible control behavior with high
  • the inventive method for power control of a fuel cell system in a vehicle unlike the method according to the prior art, a power demand on the fuel cell, which in addition to the requested fuel cell system power by the vehicle even the required in the expected operating point power of auxiliary drives of the fuel cell system considered.
  • auxiliary drives like
  • a very favorable development of the method according to the invention provides that the expected performance of auxiliary drives of the fuel cell system via a Characteristic map is determined as a function of at least one of the parameters power, pressure and / or temperature.
  • a map preferably a map, in that the expected power of the auxiliary drives can be determined as a function of all three variables is a particularly simple and efficient way to predict the expected performance of the auxiliary drives in the target point of the power control. It can then computationally very easy to that requested by the vehicle
  • Fuel cell system power can be added so as to meet the actual expected performance requirement of the fuel cell system in the target area of
  • the characteristic map in the static operation of Be nachadaptiert fuel cell system so as to get as long as possible over a longer period of operation of the fuel cell system across a good prediction of the expected performance of the auxiliary drives and thus maintain a high quality of the scheme.
  • the pressure and the mass flow or volume flow of the respective medium are specified according to an advantageous development of the idea. This makes it possible to provide the most accurate possible provision of the media in the desired manner with correspondingly high dynamics in the
  • the amount of substance supplied by the medium and the electric current are directly related to each other, so that a simple and efficient control of the medium supply can be realized by means of the desired current value which is very easy to determine from the power values.
  • the relationship between the current and the voltage and thus ultimately between the current and the power in a fuel cell is typically given by the so-called characteristic curve or polarization curve of the fuel cell. This is subject to the respective boundary conditions, which can change dynamically, corresponding fluctuations. Ultimately, however, it can be used to determine as accurately as possible the current setpoint from the power requirement to the fuel cell.
  • the polarization curve is linearly approximated for this under at least one predetermined boundary condition.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention moreover, provides that the air mass flow to the cathode is measured and the
  • Current setpoint is limited based on the measured air mass flow. Such a measurement of the air mass flow makes it possible to assess the present state very well. Limiting the current setpoint, for example, allows it to respond to problems in the area of the air supply, in particular problems such that the air compressor can not provide sufficient air mass flow because the operating point of the compressor is higher than usual, for example due to a higher pressure drop clogged air filter or the like, is above the surge line. In this case, the current setpoint and thus according to the above-described advantageous development, the over-driven media supply is limited according to a maximum value corresponding to the actual air mass.
  • Another very advantageous embodiment of the method according to the invention also provides that, for example via a further controller, it is ensured that the current setpoint transmitted to the media supply is adapted to the current value drawn from the fuel cell when the vehicle does not or completely fails to supply the current decreases. This can be, for example, if the vehicle is in the
  • a further particularly advantageous embodiment of the method according to the invention can additionally provide for all previously described method variants that the current setpoint value transmitted to the media supply and / or a setpoint value for the
  • the fuel cell is correspondingly restricted, typically in such a way that the current intensity may fluctuate between zero and the current intensity occurring at the point of maximum power.
  • the fuel cell power versus current curve is typically a downwardly opened parabola at the maximum of which is the maximum power. Now it could come to a regulation that without the corresponding limitation of the power control or the operating range of
  • the power control would not be stable in this case, so ensures by the corresponding limitation of the working range of the fuel cell in the manner mentioned for a reliable and stable control.
  • Figure 1 is a principle indicated vehicle with a fuel cell system.
  • Fig. 4 is a current-voltage and current-power diagram of the fuel cell to illustrate the limitation of the work area of the power control.
  • a vehicle 1 with a fuel cell system 2 is indicated in a very highly schematic manner.
  • the fuel cell system 2 has a
  • Fuel cell 3 which supplies the electrical power generated by it 4 via a 5 designated power electronics to a traction motor 6 and a battery 7. About the traction motor 6, the vehicle 1 is driven.
  • the fuel cell 3 itself which may be constructed in particular as a so-called fuel cell stack in PEM technology, has a common and simplified example illustrated here
  • Cathode space 8 which is supplied via an air compressor 9 with air as an oxygen supplier.
  • An anode space designated by 10 of the fuel cell 3 is supplied with hydrogen from a compressed gas storage 11 via a pressure regulating and metering unit 12.
  • This structure of the fuel cell system 2 is shown very simplified. However, he is familiar to the skilled person to the extent that this need not be discussed further. Of course, it will also be understood by those skilled in the art that other details, such as an anode recirculation circuit, humidifier, exhaust turbine, intercooler and the like, may be included in the fuel cell system 2 as needed.
  • Fuel cell system 2 are in the illustration of Figure 1 only purely by way of example a designated 13 vehicle control unit and designated 14
  • Fuel cell control unit shown.
  • FIG. 15 A detail of this structure of the control or regulation of the vehicle 1 and / or the fuel cell system 2 can be seen in FIG.
  • the vehicle-side control which is located on the left of the dashed line 15
  • the fuel cell system side control which is located on the right of the line 1 5, exemplified.
  • the abbreviation VEH is used for the vehicle and the abbreviation FCS for the fuel cell system 2.
  • the dashed lines show the flow of information
  • control units 1 3, 14 is on the vehicle side VEH again turn the here also designated 6 traction motor, as well as a 16 designated inverter as part of the power electronics 5.
  • the high-voltage battery 7 is shown in the illustration.
  • the start for the power control is typically a driver of the vehicle 1, which is characterized by the designated 1 7 box. He can generate, for example, by the position of an accelerator pedal caused by him a corresponding acceleration request, which then to the
  • Vehicle control unit 1 3 delivered and implemented by this accordingly.
  • Fuel cell system 2 are provided. For this is a corresponding
  • the control unit 14 of the fuel cell system 2 then has to process this accordingly in order to be able to transfer the required power P F cs to the vehicle system or ultimately to the drive motor 6.
  • the vehicle-side system VEH and the fuel cell system FCS thus communicate via a power interface. Because performance is "swapped" between systems, such a performance interface is very simple and efficient.
  • the requested fuel cell system power PVEH. SO II is provided with sufficient accuracy and with a reproducible behavior within a defined dynamic range.
  • the power control should ensure that the fuel cell 3 is operated only in the permitted power range. Therefore, the work area of the power control is limited in the manner explained in more detail later on the increasing power load of the fuel cell power become.
  • Fuel cell system 2 in particular with regard to current and voltage, are not exceeded.
  • the area below arranged shows the actual fuel cell power controller. Below this is the area over which a desired value for the media supply of the fuel cell 3 is generated. In the lowermost region of the illustration in FIG. 4, a desired value for the current is determined for a DC / DC converter 18 of the fuel cell system 2 which can be recognized in FIG.
  • the following description refers to each of Figures 2 and 3, which interlock with respect to their functionalities.
  • the power control of the fuel cell system 2 requests the media supply of the fuel cell 3.
  • the media supply of the fuel cell 3 typically a hydrogen mass flow as well as an anode pressure and an air mass flow dm / dt Lu ft and a cathode pressure corresponding to the demanded from the vehicle 1 fuel cell system power PVEH.
  • SO II requested.
  • This requirement of the media is actually done via a current setpoint IFC.
  • SO II since in the cold combustion in the fuel cell 3, the amount of substance of the media supply corresponds to an electric current.
  • the current setpoint 1 FCiSO n for passing on to the media supply, which in particular the anode supply and the cathode supply but also a supply of the fuel cell 3 and / or other components of the
  • Fuel cell system 2 with cooling medium and the like may be calculated directly and without delay for the expected load point in the target area of the control and passed to the desired high dynamics of
  • the modules used for the media supply in particular the air compressor 9 and the pressure control and metering unit 12 then set the media supply to the fuel cell 3 based on the current setpoint IFC, soii.
  • the current setpoint 1 FC, S oii to the media supply thereby is starting from the requested by the vehicle 1 Fuel Cell System Performance PVEH. SO II calculated.
  • SO II Fuel Cell System Performance PVEH.
  • SO II a predicted performance PAUX expected in the target range.
  • the expected auxiliary drive power PAUX, SO II is in a load, pressure and
  • the conversion of fuel cell power into fuel cell current can basically take place via a current-voltage characteristic of the fuel cell 3, the so-called polarization curve, which is sometimes also referred to as a pole curve. Since an exact knowledge of the polarization curve at the respective time in general is not present, the conversion should be carried out here preferably by means of an adapted linear polarization curve. Analogously to the method which is explained in DE 10 2013 021 538.2, the polarization curve, which is shown in the upper diagram of FIG. 4 and designated by 25, should be approximated under at least one predetermined condition by means of a linear function. This is comprehensively described in the cited document. If one assumes the linear adaptation there, then the following relationship arises for the voltage U F c of the fuel cell 3:
  • a value for the current release I V EH , SO II is determined and the current I FC from the fuel cell 3 can then be released via a DC / DC converter 18 of the fuel cell system 2, as part of the power electronics 5.
  • supplying the cathode 8 with air mass and pressure is the limiting factor in fuel cell dynamics. Therefore, a simulation model 21 is based on a replica of the cathode dynamics.
  • the power regulation additionally ensures that when the supply of the
  • Fuel cell 3 is no longer given in an unexpected manner, the electrical load of the fuel cell 3 is withdrawn. For this reduction is the
  • the current setpoint l FC , S oii is limited to the air mass corresponding current value 'Fc.dm/dtjuft. This can be done, for example, when the air compressor 9 can not provide air mass because the operating point of the compressor is above its surge limit due to a higher pressure drop than usual, which may be caused by a clogged air filter, for example.
  • the fuel cell system 2 the requested fuel cell system power PVEH.
  • SO II provides the desired accuracy, the demanded by the fuel cell 3 fuel cell power P F c, soii is regulated by a power regulator 20.
  • a compensation of the fuel cell system power P F cs is not possible because, for example, at the beginning of a power jump up the auxiliary drives 1 9 and here especially the air compressor 9 acceleration performance and therefore at first the fuel cell system power P F cs even drops before the power again increases. This behavior leads to a phase shift of 1 80 °. The controlled system is thus not controllable. Therefore, the control unit 14 of the
  • Fuel cell system 2 as a fuel cell controller in the current setpoint l F c, soii for the media supply and in the power release IVEH. SO II. This is useful because the
  • Fuel cell current l FC should fit.
  • Control deviation is regulated, the accuracy of the
  • Auxiliary drive power can be adapted stationary over the map, a very good control accuracy is achieved.
  • the dynamics of the target value of the fuel cell power P F c, S oii of the power controller 20 is adapted to the dynamics of the media supply via the simulation of the cathode dynamics in the model 21.
  • the controller does not increase its I-component, with a setpoint change which is faster than the system dynamics.
  • the I component changes only when the dynamically adjusted setpoint PFC. SO II, dyn is not exactly regulated. Without such a dynamic adaptation of the setpoint P F c, S oii , dy n, the I component of the controller would build up during a setpoint step change , which would then have to be reduced in the transition to the stationary load point in the target region of the controller.
  • Another controller 23 ensures that the current setpoint I FC, soii 3 ⁇ ) the media supply is adapted to the drawn out of the fuel cell 3 FC current l FC when the current setpoint l FC, S oii from the vehicle system does not
  • the current setpoint l FC , S oii for the media supply and the setpoint for the current release IVEH. SO II are limited in the power control to a permitted work area OR.
  • the power controller is intended to limit the working range to the increasing power load of the fuel cell power P FC . In the illustration of Figure 4 is in the upper
  • Diagram shows the fuel cell voltage U FC and the fuel cell power P FC each applied via the fuel cell current l FC .
  • the upper curve designated 25 represents the already repeatedly addressed polarization curve or characteristic of
  • Fuel cell 3 The lower curve labeled 26, which is similar to a parabola that is open at the bottom, shows fuel cell performance and is referred to as a power curve.
  • the maximum power P FC , max of the fuel cell 3 can now be determined very easily. This point can be transferred to the upper polarization curve 5. Obtained in the embodiment shown here in this point U 0/2 , ie half of the open circuit voltage U 0 . If one were to establish a power control which works over the entire range of the polarization curve 5, then for a corresponding power value P FC on the power curve 26, there could be two solutions, ie two different ones of this power
  • the power control limits the current to the maximum component current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems (2) in einem Fahrzeug (1), wobei ausgehend von einer durch das Fahrzeug (1) angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH,soll) die Brennstoffzellensystemleistung (PFCS) bereitgestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahrendadurch gekennzeichnet, dass die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung (PVEH,soll) in eine Leistungsanforderung (PFC,soll) an die Brennstoffzelle (3) umgewandelt wird, indem zur angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH,soll) eine zu erwartende Leistung (PAUX,Soll) von Hilfsantrieben (10) des Brennstoffzellensystems (2) bei der angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH,soll) addiert wird, und dass eine der Leistungsanforderung (PFC,soli) an die Brennstoffzelle (3) entsprechende Medienversorgung der Brennstoffzelle (3) angefordert wird, wobei die elektrische Belastung der Brennstoffzelle (3) mit Strom (IFC) in Abhängigkeit eines Modells (21) der Kathodendynamik in der Art erfolgt, dass eine Führungsgröße des Regelns an die Mediendynamik angepasst wird, und dass die Leistungsfreigabe so erfolgt, dass die Brennstoffzelle (3) erst belastet wird, wenn die ausreichende Medienversorgung gewährleistet ist.

Description

VERFAHREN ZUR LEISTUNGSREGELUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS IN EINEM FAHRZEUG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, welches häufig auch als
Brennstoffzellenfahrzeug bezeichnet wird, besteht üblicherweise aus einem
Brennstoffzellensystem als Energiequelle, einem elektrischen Energiespeicher, zumeist in Form einer Batterie, sowie einem elektrischen Fahrantrieb, welcher mindestens einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor nimmt im Fahrantrieb elektrische Leistung auf und wird typischerweise beim Abbremsen des Fahrzeugs als Generator betrieben und speist in diesem sogenannten Rekuperationsbetrieb elektrische Leistung zurück, welche dann in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden kann.
Um ein solches Brennstoffzellenfahrzeug in der gewünschten Art und Weise fahren zu können, wird nun typischerweise durch eine Vorgabe des Fahrers, beispielsweise die Stellung eines Gaspedals, ein für die damit einhergehende gewünschte Beschleunigung notwendiges Drehmoment und dementsprechend eine bestimmte elektrische Leistung ermittelt. Für das Energiemanagement des Fahrantriebs ist es dabei erforderlich, dass die angeforderte elektrische Leistung von dem Brennstoffzellensystem in ausreichender Genauigkeit und mit einem reproduzierbaren Verhalten, möglichst innerhalb einer vorgegebenen Dynamik, insgesamt ausreichend schnell, bereitgestellt wird. Für das Energiemanagement des Fahrantriebs sind dabei große Über- oder Unterschwinger der Leistung des Brennstoffzellensystems nicht akzeptabel. Außerdem muss über die Leitungsregelung sichergestellt werden, dass die Brennstoffzelle im erlaubten
Leitungsbereich betrieben wird und eine ausreichende Versorgung mit Medien für eben diesen Leistungsbereich gewährleistet ist. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Regelungsverfahren bekannt. So kann es beispielsweise gemäß dem allgemeinen Stand der Technik vorgesehen sein, dass die vom Fahrantrieb benötigte Leistung sofort von der Brennstoffzelle bzw. dem
Brennstoffzellensystem gezogen wird. Da typischerweise die Medien, insbesondere bei einer sprunghaften Steigerung der geforderten Leistung, noch nicht auf den neuen Arbeitspunkt angepasst wurden bzw. aufgrund des typischerweise erforderlichen
Strömungsweges die Brennstoffzelle noch nicht erreicht haben, stellt dies einen Nachteil dar. Die Medienversorgung lässt sich zwar anhand einer Messung des Stroms der Belastung nachführen, dies führt jedoch zu einer extremen Belastung der Brennstoffzelle einerseits und zu einer außerordentlich schlechten Dynamik eines derart betriebenen Brennstoffzellenfahrzeugs andererseits.
Eine Alternative ist in der DE 1 1 2008 000 986 T5 beschrieben. In dieser Schrift wird der Aufbau nicht anhand des Stroms sondern anhand der Spannung geregelt. Auch hier tritt das Problem mit der Medienversorgung auf, und die Dynamik ist entsprechend eingeschränkt. Eine weitere Möglichkeit, bei welcher die Optimierung des
Gesamtwirkungsgrades im Fokus steht, ist beispielsweise in der EP 2 001 070 B1 beschrieben. Allerdings ist bei diesem Aufbau durch die Optimierung des Wirkungsgrades die insbesondere für Fahrzeugantriebe entscheidende Dynamik ebenfalls nicht sehr gut, was in diesem Fall einen gravierenden Nachteil darstellt.
Ein weiterer Aufbau ist aus der US 2011/0217608 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Variante ist das Ziel letztlich eine Limitierung des Maximalstroms, was zumindest für den Betrieb der Brennstoffzelle vergleichsweise schonend ist und diese nicht mehr als notwendig belastet. Allerdings ist auch hier eine Berücksichtigung der Medienversorgung nicht oder nur indirekt vorgesehen, sodass auch dieser Aufbau unter den eingangs genannten Nachteilen, insbesondere unter einer vergleichsweise schlechten Dynamik, welche für Fahrzeuganwendungen jedoch hochrelevant ist, leidet.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vorteilhaft weiterbildet, und welches insbesondere ein sehr gutes und reproduzierbares Regelverhalten mit hoher
Leistungsdynamik ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen
Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug betrachtet, anders als die Verfahren gemäß dem Stand der Technik, eine Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle, welche neben der angeforderten Brennstoffzellensystemleistung durch das Fahrzeug auch noch die in dem zu erwartenden Arbeitspunkt benötigte Leistung von Hilfsantrieben des Brennstoffzellensystems berücksichtigt. Durch diese Berücksichtigung der von den Hilfsantrieben - wie
insbesondere dem Luftkompressor - benötigten Leistung lässt sich die
Leistungsanforderung sehr präzise und hochdynamisch realisieren. Dabei erfolgt die elektrische Belastung der Brennstoffzelle mit Strom in Abhängigkeit eines Modells der Kathodendynamik in der Art, dass die Führungsgröße des Regeins an die Mediendynamik angepasst wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass so dynamisch wie möglich immer nur die Leistung von der Brennstoffzelle gefordert wird, welche aufgrund der modellbasiert vorhergesagten Dynamik der Medienversorgung von der Brennstoffzelle auch geliefert werden kann. Hierdurch lassen sich Ungenauigkeiten in der Regelung, wie beispielsweise Unter- oder Überschwinger, weitgehend vermeiden, da die Brennstoffzelle zum Zeitpunkt der Leistungsfreigabe dann auch in der Lage ist, die geforderte Leistung zu liefern, sodass eine hohe Regelgüte und ein sehr gut reproduzierbares Verhalten erzielt wird. Dies alles funktioniert dabei mit einer sehr hohen Brennstoffzellendynamik, nämlich mit der höchsten Brennstoffzellendynamik welche möglich ist, ohne die Brennstoffzelle zu überlasten und damit letztlich sowohl die Brennstoffzelle zu schädigen, als auch die Regelqualität herabzusetzen.
Der Aufbau ermöglicht mit einer Leistungsschnittstelle zwischen dem Fahrzeug und dem Brennstoffzellensystem bei guter Regelgüte eine gute und hohe Genauigkeit der
Leistungsbereitstellung. Gleichzeitig ist die maximal denkbare Dynamik, welche nur durch die verfügbare Dynamik der Medienversorgung in der Praxis begrenzt wird, darstellbar.
Eine sehr günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die zu erwartende Leistung von Hilfsantrieben des Brennstoffzellensystems über ein Kennfeld in Abhängigkeit von zumindest einer der Größen Leistung, Druck und/oder Temperatur ermittelt wird. Ein solches Kennfeld, bevorzugt ein Kennfeld, indem die zu erwartende Leistung der Hilfsantriebe in Abhängigkeit aller drei genannten Größen ermittelt werden kann, ist eine besonders einfache und effiziente Art, die im Zielpunkt der Leistungsreglung zu erwartende Leistung der Hilfsantriebe vorherzusagen. Sie kann dann rechnerisch sehr einfach zu der durch das Fahrzeug angeforderten
Brennstoffzellensystemleistung hinzuaddiert werden, um so die tatsächlich zu erwartende Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem im Zielbereich der
Leistungsregelung zu erhalten.
Da bestimmte Parameter in diesem oben genannten Kennfeld sich typischerweise über die Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs, beispielsweise durch Alterungseffekte, durch Abnutzung, durch auftretende Undichtheiten oder dergleichen, veränderlich sind, kann gemäß einer besonderes vorteilhaften Weiterbildung der Idee das Kennfeld im statischen Betrieb des Brennstoffzellensystems nachadaptiert werden, um so auch über eine längere Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems hinweg eine möglichst gute Vorhersage der zu erwartenden Leistung der Hilfsantriebe zu bekommen und somit eine hohe Qualität der Regelung aufrecht zu erhalten.
Bei der Anforderung der Medienversorgung wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee der Druck sowie der Massenstrom oder Volumenstrom des jeweiligen Mediums vorgegeben. Hierdurch lässt sich eine möglichst präzise Bereitstellung der Medien in der gewünschten Art und Weise mit entsprechend hoher Dynamik bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren realisieren.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass die Anforderung der Medienversorgung basierend auf einem
Stromsollwert der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle erfolgt. Ein solcher Stromsollwert eignet sich besonders gut, um die Medienversorgung zu steuern bzw.
vorzusteuern. Insbesondere hängen bei der„kalten" Verbrennung in der Brennstoffzelle die Stoffmenge der Medienversorgung und der elektrische Strom unmittelbar zusammen. Über den aus den Leistungswerten sehr leicht zu ermittelnden Stromsollwert kann also eine einfache und effiziente Steuerung der Medienversorgung realisiert werden. Nun ist typischerweise der Zusammenhang zwischen dem Strom und der Spannung und damit letztlich auch zwischen dem Strom und der Leistung in einer Brennstoffzelle durch die sogenannte Kennlinie bzw. Polarisationskurve der Brennstoffzelle vorgegeben. Diese unterliegt bei den jeweiligen Randbedingungen, welche sich dynamisch ändern können, entsprechenden Schwankungen. Letztlich kann sie jedoch herangezogen werden, um möglichst exakt den Stromsollwert aus der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle zu ermitteln.
Um den rechnerischen Aufwand beim Ermitteln des Stromsollwerts aus der
Polarisationskurve der Brennstoffzelle zu reduzieren und das Verfahren entsprechend einfach und schnell zu machen, kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee vorgesehen sein, dass die Polarisationskurve dazu unter wenigstens einer vorgegebenen Randbedingung linear approximiert wird. Eine solche lineare
Approximation der Polarisationskurve einer Brennstoffzelle unter wenigstens einer Randbedingung ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung
DE 10 2013 021 538.2 beschrieben und kann hier analog eingesetzt werden, um sehr schnell und mit ausreichend hoher Genauigkeit den Stromsollwert aus der
Polarisationskurve bzw. über die Polarisationskurve aus der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle zu ermitteln. Das hierfür notwendige Verfahren ist in der genannten nicht vorveröffentlichten Schrift ausführlich beschrieben und soll deshalb hier nicht nochmals im Detail aufgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es darüber hinaus vor, dass der Luftmassenstrom zur Kathode gemessen und der
Stromsollwert auf Basis des gemessenen Luftmassenstroms limitiert wird. Durch eine solche Messung des Luftmassenstroms lässt sich der aktuell vorliegende Zustand sehr gut beurteilen. Eine Limitierung des Stromsollwerts erlaubt es beispielsweise, auf Probleme im Bereich der Luftversorgung zu reagieren, insbesondere auf Probleme in der Art, dass durch den Luftkompressor kein ausreichender Luftmassenstrom bereitgestellt werden kann, da der Arbeitspunkt des Kompressors durch einen höheren Druckabfall als üblich, beispielsweise durch einen verstopften Luftfilter oder dergleichen, über der Pumpgrenze liegt. In diesem Fall wird der Stromsollwert und damit gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung die darüber angesteuerte Medienversorgung entsprechend auf einen der tatsächlichen Luftmasse entsprechenden Maximalwert limitiert. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es außerdem vor, dass, beispielsweise über einen weiteren Regler, sichergestellt wird, dass der an die Medienversorgung übermittele Stromsollwert an den aus der Brennstoffzelle gezogenen Stromwert angepasst wird, wenn das Fahrzeug den Strom nicht oder nicht vollständig abnimmt. Dies kann beispielsweise sein, wenn das Fahrzeug im
Rekuperationsbetrieb ist oder aufgrund einer Verkehrssituation dynamisch von einem Beschleunigungsbetrieb in den Schubbetrieb wechselt und daher die Leistung des Brennstoffzellensystems nicht mehr abgenommen werden kann. In diesem Fall wird also über die Leistungsregelung gemäß der beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung der Stromsollwert angepasst.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es für alle bisher beschriebenen Verfahrensvarianten zusätzlich vorsehen, dass der an die Medienversorgung übermittelte Stromsollwert und/oder ein Sollwert für die
Strombelastung der Brennstoffzelle in der Art limitiert werden, dass der zugelassene Betriebsbereich der Brennstoffzelle, ausgehend vom Punkt der maximalen Leistung auf der Polarisationskurve, in Richtung höherer oder in Richtung niedrigerer Stromstärken, bevorzugt in Richtung niedrigerer Stromstärken, liegt. Der Betriebsbereich der
Brennstoffzelle wird also entsprechend eingeschränkt, und zwar typischerweise so, dass die Stromstärke zwischen Null und der jeweils im Punkt der maximalen Leistung auftretenden Stromstärke schwanken darf. Die Kurve der Brennstoffzellenleistung über dem Strom ist typischerweise eine nach unten geöffnete Parabel, in deren Maximum die maximale Leistung liegt. Nun könnte es bei einer Regelung dazu kommen, dass ohne die entsprechende Limitierung der Leistungsregelung bzw. des Betriebsbereichs der
Brennstoffzelle entweder auf die Abschnitte links oder rechts des Maximums, zwei verschiedene Lösungen für die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung existieren. Die Leistungsregelung wäre in diesem Fall nicht stabil, sodass durch die entsprechende Limitierung des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle in der genannten Art für eine zuverlässige und stabile Regelung sorgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem;
Fig. 2 einen beispielhaften Regelkreis mit der Hochvolttopographie bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 3 die interne Leistungsregelung des Brennstoffzellensystems in einer schematischen
Übersicht; und
Fig. 4 ein Strom-Spannungs- und Strom-Leistungs-Diagramm der Brennstoffzelle zur Veranschaulichung der Limitierung des Arbeitsbereichs der Leistungsregelung.
In der Darstellung der Figur 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine
Brennstoffzelle 3 auf, welche die von ihr erzeugte elektrische Leistung 4 über eine mit 5 bezeichnete Leistungselektronik zu einem Fahrmotor 6 und einer Batterie 7 liefert. Über den Fahrmotor 6 wird das Fahrzeug 1 angetrieben. Die Brennstoffzelle 3 selbst, welche insbesondere als sogenannter Brennstoffzellestapel in PEM-Technologie aufgebaut sein kann, weist einen hier beispielhaft und vereinfacht dargestellten gemeinsamen
Kathodenraum 8 auf, welcher über einen Luftkompressor 9 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird. Ein mit 10 bezeichneter Anodenraum der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 12 versorgt. Dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 ist sehr stark vereinfacht dargestellt. Er ist dem Fachmann jedoch insoweit geläufig, dass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. Dem Fachmann ist selbstverständlich auch klar, dass weitere Detaillierungen, wie beispielsweise ein Kreislauf für die Anodenrezirkulation, Befeuchter, Abluftturbine, Ladeluftkühler und dergleichen in dem Brennstoffzellensystem 2, je nach Bedarf, vorhanden sein können.
Von einem Steuerungs- und Regelungssystem für das Fahrzeug 1 und das
Brennstoffzellensystem 2 sind in der Darstellung der Figur 1 nur rein beispielhaft ein mit 13 bezeichnetes Fahrzeugsteuergerät sowie ein mit 14 bezeichnetes
Brennstoffzellensteuergerät dargestellt.
Eine Detaillierung dieses Aufbaus der Steuerung bzw. Regelung des Fahrzeugs 1 und/oder des Brennstoffzellensystems 2 sind in Figur 2 zu erkennen. Über die mit 15 bezeichnete strichpunktierte Linie ist dabei die fahrzeugseitige Regelung, welche sich links der gestrichelten Linie 15 befindet, und die brennstoffzellensystemseitige Regelung, welche sich rechts der Linie 1 5 befindet, beispielhaft dargestellt. Für das Fahrzeug ist dabei die Abkürzung VEH und für das Brennstoffzellensystem 2 die Abkürzung FCS verwendet. Die gestrichelten Linien zeigen dabei den Informationsfluss, die
durchgezogenen Linien den Leistungsfluss innerhalb des Aufbaus. Neben den bereits angesprochenen Steuergeräten 1 3, 14 ist auf der Fahrzeugseite VEH zusätzlich wiederum der hier ebenfalls mit 6 bezeichnete Fahrmotor, sowie ein mit 16 bezeichneter Inverter als Teil der Leistungselektronik 5 zu erkennen. Außerdem ist in der Darstellung die Hochvoltbatterie 7 dargestellt. Den Start für die Leistungsregelung gibt typischerweise ein Fahrer des Fahrzeugs 1 , welcher durch die mit 1 7 bezeichnete Box gekennzeichnet ist. Er kann beispielsweise durch die von ihm bewirkte Stellung eines Gaspedals eine entsprechende Beschleunigungsanforderung generieren, welche dann an das
Fahrzeugsteuergerät 1 3 geliefert und von diesem entsprechend umgesetzt wird. Der vom Fahrer ausgelöste Wunsch nach Beschleunigung oder auch beim Entlasten des
Gaspedals nach verringerter Beschleunigung, bzw. bei Betätigung eines Bremspedals nach einer Verzögerung wird in ein vorzeichenbehaftetes Drehmoment TMOT,SOII umgesetzt und entsprechend an den Fahrmotor 6 geliefert. Ist beispielsweise eine Beschleunigung des Fahrzeugs durch den Fahrer 1 7 gewünscht, dann muss die zur Bereitstellung des gewünschten Drehmoments T OT,SON benötigte elektrische Leistung von dem
Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellt werden. Hierfür wird eine entsprechende
Brennstoffzellensystemleistung PVEH,SOII von dem Fahrzeug 1 beim Brennstoffzellensystem 2 angefordert. Das Steuergerät 14 des Brennstoffzellensystems 2 muss dies dann entsprechend verarbeiten, um die geforderte Leistung PFcs an das Fahrzeugsystem bzw. letztlich an den Fahrmotor 6 übergeben zu können. Das fahrzeugseitige System VEH und das Brennstoffzellensystem FCS kommunizieren so über eine Leistungsschnittstelle. Da zwischen den Systemen Leistung bzw. Leistungswerte„ausgetauscht" werden, ist eine solche Leistungsschnittstelle sehr einfach und effizient.
Für das Energiemanagement des Fahrzeugs 1 ist es erforderliche, das die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII in ausreichender Genauigkeit und mit einem reproduzierbaren Verhalten innerhalb einer definierten Dynamik bereitgestellt wird. Für das Fahrzeug 1 sind z.B. große Über- oder Unterschwinger der gelieferten Leistung PFCs des Brennstoffzellensystems 2 nicht akzeptabel. Außerdem soll die Leistungsregelung sicherstellen, dass die Brennstoffzelle 3 nur im erlaubten Leistungsbereich betrieben wird. Daher soll der Arbeitsbereich der Leistungsregelung in später noch näher erläuterter Art und Weise auf den ansteigenden Leistungsast der Brennstoffzellenleistung limitiert werden. Außerdem soll auch der erlaubte Arbeitsbereich der Komponenten des
Brennstoffzellensystems 2, insbesondere hinsichtlich Strom und Spannung, nicht überschritten werden.
In der Darstellung der Figur 3 ist die Regelung innerhalb des Brennstoffzellensystems 2, letztlich also im Steuergerät 14 des Brennstoffzellensystems 2 in ihren wesentlichen Aspekten schematisch dargestellt. Die Regelung ist dabei in vier untereinander angeordnete Abschnitte unterteilt. Der obere Teilbereich beschäftigt sich mit der
Vorhersage von Strom und Leistung der Brennstoffzelle, der darunter angeordnete Bereich zeigt den eigentlichen Brennstoffzellenleistungsregler. Darunter findet sich der Bereich, über welchen ein Sollwert für die Medienversorgung der Brennstoffzelle 3 generiert wird. Im untersten Bereich der Darstellung in Figur 4 wird ein Sollwert für den Strom an einen in Figur 2 erkennbaren DC/DC-Wandler 18 des Brennstoffzellensystems 2 ermittelt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich dabei jeweils auf die Figuren 2 und 3, welche hinsichtlich ihrer Funktionalitäten ineinander greifen.
Nachdem eine Leistung vom Fahrzeug 1 angefordert wurde, fordert die Leistungsregelung des Brennstoffzellensystems 2 die Medienversorgung der Brennstoffzelle 3 an. Hierfür wird typischerweise ein Wasserstoffmassenstrom sowie eine Anodendruck und ein Luftmassenstrom dm/dtLuft sowie eine Kathodendruck entsprechend der vom Fahrzeug 1 angeforderten Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII angefordert. Diese Anforderung der Medien geschieht faktisch über einen Stromsollwert IFC.SOII, da bei der kalten Verbrennung in der Brennstoffzelle 3 die Stoffmenge der Medienversorgung einem elektrischen Strom entspricht. Der Stromsollwert lFCiSOn zur Weitergabe an die Medienversorgung, welche insbesondere die Anodenversorgung und die Kathodenversorgung aber auch eine Versorgung der Brennstoffzelle 3 und/oder anderer Komponenten des
Brennstoffzellensystems 2 mit Kühlmedium und Ähnliches umfassen kann, wird direkt und ohne Verzögerung für den zu erwartenden Lastpunkt im Zielbereich der Regelung berechnet und weitergegeben, um die gewünschte hohe Dynamik des
Brennstoffzellensystems 2 zu erhalten.
Die für die Medienversorgung eingesetzten Module, insbesondere der Luftkompressor 9 und die Druckregel- und Dosiereinheit 12 stellen dann basierend auf dem Stromsollwert IFC, soii die Medienversorgung an der Brennstoffzelle 3 ein. Der Stromsollwert lFC, Soii an die Medienversorgung dabei wird ausgehend von der vom Fahrzeug 1 angeforderten Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII berechnet. Für die Berechnung des
Stromsollwertes IFC. SOII zur Weitergabe an die Medienversorgung muss die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII in eine Leistungsanforderung PFC.SOII an die Brennstoffzelle 3 umgerechnet werden, in dem zu der angeforderten
Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII eine vorhergesagte bzw. im Ziellastbereich zu erwartende Leistung PAUX.SOII von Hilfsantrieben 19, insbesondere des Luftkompressors 9 als leistungsstärkstem Hilfsantrieb, des Brennstoffzellensystems 2 addiert wird. Die zu erwartende Hilfsantriebsleistung PAUX,SOII ist in einem last-, druck- und
temperaturabhängigen Kennfeld hinterlegt, welches im stationären Betrieb nachadaptiert werden kann, um sich über die Zeit einstellende Abweichungen auszugleichen und/oder ein zu Beginn des Betriebs fest vorgegebenes Kennfeld möglichst genau an das reale System, samt seiner Toleranzen, anzupassen.
Nachfolgend wird dann die so erhaltene Leistungsanforderung PFC.SOII an die
Brennstoffzelle 3 in den von der Brennstoffzelle 3 bereitzustellenden Stromsollwert IFC.SO« in der mit 24 bezeichneten Routine umgerechnet, der dann an die Medienversorgung gesendet wird. Die Umrechnung von Brennstoffzellenleistung in Brennstoffzellenstrom kann grundsätzlich über eine Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle 3, der sogenannten Polarisationskurve, welche gelegentlich auch als Polkurve bezeichnet wird, erfolgen. Da eine exakte Kenntnis der Polarisationskurve zum jeweiligen Zeitpunkt im Allgemeinen nicht vorliegt, soll die Umrechnung hier vorzugsweise mittels einer adaptierten linearen Polarisationskurve durchgeführt werden. Analog zu dem Verfahren, welches in der DE 10 2013 021 538.2 erläutert ist, soll die Polarisationskurve, welche in dem oberen Diagramm der Figur 4 dargestellt und mit 25 bezeichnet ist, unter zumindest einer vorgegebenen Bedingung mittels einer linearen Funktion approximiert werden. In der genannten Schrift ist dies umfassend beschrieben. Legt man die dortige lineare Adaption zugrunde, dann ergibt sich für die Spannung UFc der Brennstoffzelle 3 der folgende Zusammenhang:
Figure imgf000012_0001
Dabei steht U0 für die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 3 und R für den elektrischen Widerstand der Brennstoffzelle 3. Der Strom der Brennstoffzelle 3 ist analog zur bisherigen Nomenklatur mit lFc bezeichnet. Analog hierzu lässt sich nun auch die Brennstoffzellenleistung PFc berechnen, wofür sich der folgende Zusammenhang ergibt:
Figure imgf000013_0001
Dabei ist klar, dass für die tatsächlichen in den beiden genannten Formeln aufgeführten Werte und für die entsprechenden Sollwerte der gleiche Zusammenhang gelten muss. Setzt man also anstelle des Brennstoffzellenstroms lFC den Stromsollwert I FC, soii sin, so muss auch für die Leistung PFC der entsprechende Sollwert PFc,soii verwendet werden. Löst man den Zusammenhang nach dem Stromsollwert lFC,Soii auf, ergibt sich die nachfolgende Berechnungsgrundlage für den Stromsollwert lFC,soii auf Basis der
Leistungsanforderung PFc,Soii an die Brennstoffzelle 3:
Figure imgf000013_0002
Um eine sehr gut reproduzierbare Leistungsbereitstellung zu erreichen erfolgt die
Belastung der Brennstoffzelle 3 mit Strom modellbasiert. Hierfür wird ein Wert für die Stromfreigabe IVEH,SOII ermittelt und der Strom lFC aus der Brennstoffzelle 3 kann dann über einen DC/DC-Wandler 18 des Brennstoffzellensystems 2, als Teil der Leistungselektronik 5, freigegeben werden. In der Praxis ist die Versorgung der Kathode 8 mit Luftmasse und Druck das Limitierende bei der Brennstoffzellendynamik. Daher basiert ein der Simulation zugrundeliegendes Modell 21 auf einer Nachbildung der Kathodendynamik.
Die Leistungsregelung stellt zusätzlich sicher, dass, wenn die Versorgung der
Brennstoffzelle 3 in unerwarteter Weise nicht mehr gegeben ist, die elektrische Belastung der Brennstoffzelle 3 zurückgenommen wird. Für diese Abregelung wird der
Luftmassenstrom dm/dtLuft zum Kathodenraum 8 gemessen und daraus ein mit diesem Luftmassenstrom dm/dtLuft zu erzielender Stromwert lFc,dm/dtjUft ermittelt (Box 22 in Figur 3) Dann wird der Stromsollwert lFC,Soii wird auf den der Luftmasse entsprechenden Stromwert 'Fc.dm/dtjuft limitiert. Dies kann zum Beispiel geschehen, wenn der Luftkompressor 9 keine Luftmasse bereitstellen kann, da der Arbeitspunkt des Kompressors durch einen höheren Druckabfall als üblich, welcher z.B. durch einen verstopften Luftfilter verursacht sein kann, über seiner Pumpgrenze liegt. Damit das Brennstoffzellensystem 2 die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung PVEH.SOII mit der gewünschten Genauigkeit bereitstellt, wird die von der Brennstoffzelle 3 angeforderte Brennstoffzellenleistung PFc,soii über einen Leistungsregler 20 ausgeregelt. Eine Ausregelung der Brennstoffzellensystemleistung PFcs ist hingegen nicht möglich, da beispielsweise zu Beginn eines Leistungssprungs nach oben die Hilfsantriebe 1 9 und hier vor allem der Luftkompressor 9 Beschleunigungsleistung benötigen und daher im ersten Moment die Brennstoffzellensystemleistung PFcs sogar sinkt, bevor die Leistung wieder ansteigt. Durch dieses Verhalten kommt es zu einer Phasenverschiebung von 1 80°. Die Regelstrecke ist somit nicht regelbar. Deshalb greift das Steuergerät 14 des
Brennstoffzellensystems 2 als Brennstoffzellenregler in den Stromsollwert lFc,soii für die Medienversorgung und in die Stromfreigabe IVEH.SOII ein. Dies ist sinnvoll, da die
Breitstellung der Medien zu dem aus der Brennstoffzelle 3 gezogenen
Brennstoffzellenstrom lFC passen sollte.
Da die Brennstoffzellenleistung PFC über einen Pl-Regler, also ohne bleibende
Regelabweichung, ausgeregelt wird, hängt die Genauigkeit der
Brennstoffzellensystemleistung PFCs nur von der Genauigkeit der abgeschätzten zu erwartenden Leistung PAux,soii der Hilfsantriebe 1 9 ab. Da die abgeschätzte
Hilfsantriebsleistung über das Kennfeld stationär adaptiert werden kann, wird eine sehr gute Regelgenauigkeit erreicht.
Um zu verhindern, dass die Brennstoffzellensystemleistung PFCs über- oder
unterschwingt, wird die Dynamik des Sollwerts der Brennstoffzellenleistung PFc,Soii des Leistungsreglers 20 auf die Dynamik der Medienversorgung über die Simulation der Kathodendynamik im Modell 21 angepasst. So kann erreicht werden, dass der Regler seinen I-Anteil, bei einer Sollwertänderung, welche schneller ist als die Systemdynamik ist, nicht erhöht. Der I-Anteil ändert sich nur, wenn der dynamisch angepasste Sollwert PFC.SOII, dyn nicht genau ausgeregelt wird. Ohne eine solche dynamische Anpassung des Sollwertes PFc,Soii, dyn würde sich bei einem Sollwertsprung der I-Anteil des Reglers aufbauen, welcher dann beim Übergang in den stationären Lastpunkt im Zielbereich der Regelung abgebaut werden müsste. Dies würde einen Einschwingvorgang verursachen. Durch die beschriebene Vorgehensweise lassen sich als Unter- und Überschwinger der Brennstoffzellensystemleistung PFCs also verhindern. Ein weiterer Regler 23 stellt sicher, dass der Stromsollwert I FC, soii 3Γ) die Medienversorgung dem aus der Brennstoffzelle 3 gezogenem Brennstoffzellenstrom lFC angepasst wird, wenn der Stromsollwert lFC,Soii von dem Fahrzeugsystem nicht
abgenommen wird. Dies kann zum Beispiel sein, wenn das Fahrzeug 1 im
Rekuperationsbetrieb ist und daher keine Leistung vom Brennstoffzellensystem 2 abgenommen werden kann.
Der Stromsollwert lFC,Soii für die Medienversorgung und der Sollwert für die Stromfreigabe IVEH.SOII werden in der Leistungsregelung auf einen erlaubten Arbeitsbereich OR limitiert. Der Leistungsregler soll den Arbeitsbereich auf den ansteigenden Leistungsast der Brennstoffzellenleistung PFC limitieren. In der Darstellung der Figur 4 ist im oberen
Diagramm die Brennstoffzellenspannung UFC und die Brennstoffzellenleistung PFC jeweils über den Brennstoffzellenstrom lFC aufgetragen. Die obere mit 25 bezeichnete Kurve stellt die bereits mehrfach angesprochene Polarisationskurve bzw. Kennlinie der
Brennstoffzelle 3 dar. Die untere mit 26 bezeichnete Kurve, welche einer nach unten geöffneten Parabel gleicht, zeigt die Brennstoffzellenleistung und wird als Leistungskurve bezeichnet. Auf dieser Leistungskurve 26 lässt sich nun sehr einfach die maximale Leistung PFC,max der Brennstoffzelle 3 feststellen. Dieser Punkt lässt sich in die obere Polarisationskurve 5 übertragen. Man erhält in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in diesem Punkt U0/2, also die Hälfte der Leerlaufspannung U0. Würde man nun eine Leistungsregelung etablieren, welche über den gesamten Bereich der Polarisationskurve 5 funktioniert, dann könnte es für einen entsprechenden Leistungswert PFC auf der Leistungskurve 26 zwei Lösungen, also zwei verschiedene dieser Leistung
entsprechenden Brennstoffzellenströme lFC geben. Eine Leistungsregelung wäre daher nicht stabil. Nun soll jedoch, wie bereits erwähnt, der Arbeitsbereich OR entsprechend limitiert werden. Grundsätzlich wäre es nun denkbar, diesen sowohl links als auch rechts des Punkts der maximalen Leistung PFC,max auf der Polarisationskurve 25 zu limitieren. In der Praxis wird er, wie in der Darstellung der Figur 4 oben eingezeichnet, auf den Bereich des Brennstoffzellenstroms lFC zwischen Null und dem bei der maximalen Leistung PFc,max auftretenden Brennstoffzellenstrom lFC(PFc,max) limitiert. Damit werden unnötig hohe
Stromstärken vermieden. Zusätzlich limitiert die Leistungsregelung den Strom auf den maximalen Komponentenstrom.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems (2) in einem
Fahrzeug (1 ), wobei ausgehend von einer durch das Fahrzeug (1 ) angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH.SOII) die Brennstoffzellensystemleistung (PFcs) bereitgestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die angeforderte Brennstoffzellensystemleistung (PVEH.SOII) in eine
Leistungsanforderung (PFC.SOII) an die Brennstoffzelle (3) umgewandelt wird, indem zu der angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH.SOII) eine zu erwartende Leistung (PAux,soii) von Hilfsantrieben (19) des Brennstoffzellensystems (2) bei der angeforderten Brennstoffzellensystemleistung (PVEH.SOII) addiert wird, und dass eine der Leistungsanforderung (PFC.SOII) an die Brennstoffzelle (3) entsprechende Medienversorgung der Brennstoffzelle (3) angefordert wird, wobei die elektrische Belastung der Brennstoffzelle (3) mit Storm (lFc) in Anhängigkeit eines Modells (21 ) der Kathodendynamik in der Art erfolgt, dass eine Führungsgröße des Regeins an die Mediendynamik angepasst wird, und dass die Leistungsfreigabe so erfolgt, dass die Brennstoffzelle (3) erst belastet wird, wenn die ausreichende Medienversorgung gewährleistet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zu erwartende Leistung (PAUX.SOII) der Hilfsantriebe (10) des
Brennstoffzellensystems (2) über ein Kennfeld in Abhängigkeit von zumindest einer der Größen Leistung, Druck und/oder Temperatur ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kennfeld im statischen Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) nachadaptiert werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Anforderung der Medienversorgung Druck und Massenstrom oder
Volumenstrom des jeweiligen Mediums vorgegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anforderung der Medienversorgung basierend auf einem Stromsollwert (IFC.SOII) der Leistungsanforderung (PFC.SOII) an die Brennstoffzelle (3) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromsollwert (IFC.SOM) über eine Polarisationskurve der Brennstoffzelle (3) aus der Leistungsanforderung (PFC.SOII) an die Brennstoffzelle (3) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Polarisationskurve dazu unter wenigstens einer vorgegebenen Bedingung linear approximiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Luftmassenstrom (dm/dtLuft) zur Kathode (8) gemessen und der Stromsollwert (IFC.SOII) auf Basis des gemessenen Luftmassenstroms limitiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der an die Medienversorgung übermittelte Stromsollwert (IFC.SOII) an den aus der Brennstoffzelle (3) gezogenen Stromwert (lFc) angepasst wird, wenn das Fahrzeug (1 ) den Strom nicht oder nicht vollständig abnimmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der an die Medienversorgung übermittelte Stromsollwert (IFC.SOII) und/oder ein Sollwert für die Strombelastung der Brennstoffzelle (3) in der Art limitiert werden, dass der zugelassene Betriebsbereich (OR) im Diagramm der Polarisationskurve der Brennstoffzelle (3) ausgehend vom Punkt der maximalen Leistung (PFc.max) in Richtung höherer oder niedrigerer Stromstärken (lFc), bevorzugt in Richtung niedrigerer Stromstärken (lFc)> liegt.
PCT/EP2016/000360 2015-04-09 2016-03-02 Verfahren zur leistungsregelung eines brennstoffzellensystems in einem fahrzeug WO2016162101A1 (de)

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US15/565,042 US10756370B2 (en) 2015-04-09 2016-03-02 Method for power control of a fuel cell system in a vehicle

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DE102015004677.2 2015-04-09
DE102015004677.2A DE102015004677B4 (de) 2015-04-09 2015-04-09 Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems

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