WO2023061755A1 - Verdichtersystem für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Verdichtersystem für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2023061755A1
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Definitions

  • the present invention relates to a compressor system for a fuel cell system, which is preferably used for a vehicle and can therefore be referred to as a vehicle fuel cell system.
  • the compressor system comprises at least one compressor stage in order to draw in an air mass flow, to compress it, and to deliver the compressed air mass flow as reactant supply.
  • the compressor system includes a compressor controller that is set up to control the compressor stage.
  • the compressor controller is set up to be connected to a fuel cell controller in a signal-conducting manner and to receive control commands from the fuel cell controller.
  • Compressor systems for fuel cell systems are generally known. Such compressor systems are used to supply a fuel cell of a fuel cell system with an oxygen-containing mixture of substances on the cathode side. This oxygen-containing mixture of substances is regularly supplied in the form of pressurized air that is sucked in from the environment. Hydrogen is supplied to the fuel cell on the anode side. A reaction then takes place in the fuel cell, which requires monitoring and control of the reaction conditions and the amounts of reactants supplied in order to allow them to proceed in a controlled manner. In particular, the amounts of oxygen and hydrogen supplied must be monitored and controlled in order to ensure efficient but also low-wear operation of the fuel cell. According to the prior art, the task of monitoring and control is usually carried out with the fuel cell controller.
  • the fuel cell controller receives measurement signals from a sensor of the fuel cell system that indicate the amount of oxygen, in particular the amount of air, that is supplied to a fuel cell of the fuel cell system. Is determined on the basis of the measurement signals, namely the sensor readings If it determines that the amount of oxygen, in particular air, supplied is unsuitable for the desired reaction in the fuel cell, for example too small, it sends a control command to the compressor controller in order to adjust the compressor output, for example by increasing the speed of an electric motor of the compressor stage .
  • a control circuit is formed in which a command variable is defined in the fuel cell controller and in which a control difference between the command variable and the measured variable received via the sensor is determined with the aid of the fuel cell controller.
  • the compressor stage is then controlled by the compressor controller in such a way that the controlled variable is adapted as precisely as possible to the command variable and the desired oxygen quantity, in particular air quantity, is made available for the fuel cell.
  • the fuel cell systems described generally enable satisfactory operation of a fuel cell, with systems of this type requiring a complex structure for the individual components of the fuel cell system.
  • complex data communication between the individual components is necessary.
  • this complex structure in particular the complex data communication, offers susceptibility to faults that can impair the continuous operation of the fuel cell system, so that it is desirable to simplify this structure.
  • a simplification of the structure is advantageous in order to further reduce the costs for fuel cell systems and to be able to make them accessible to the mass market.
  • the object of the present invention is therefore to address the problems of the prior art.
  • it is the object of the present invention to reduce the complexity of the structure of a fuel cell system.
  • the invention therefore proposes a compressor system according to claim 1.
  • the invention relates to a compressor system for a fuel cell system.
  • the fuel cell system is preferably a vehicle fuel cell system that is set up to provide electrical energy for driving the vehicle.
  • the compressor system includes at least one compressor stage with an electric motor.
  • a compressor system here includes a single compressor stage but also a cascaded arrangement consisting of several compressor stages.
  • the electric motor is preferably a synchronous motor. More preferably, the electric motor is a permanently excited synchronous motor.
  • the compressor stage is set up to suck in an air mass flow with the engine.
  • the compression stage is set up to compress the intake air mass flow and to deliver the compressed air mass flow as reactant supply.
  • the compressor stage serves to deliver the reactant feed to a fuel cell or a fuel cell stack, which is also called a fuel cell stack and consists of several fuel cells.
  • a fuel cell or a fuel cell stack which is also called a fuel cell stack and consists of several fuel cells.
  • the air mass flow is sucked in, compressed and discharged along a fluid path of the compressor system.
  • the compressor system includes a controller.
  • the controller preferably comprises at least one control logic in the form of a microprocessor or computer and power electronics, which are controlled by the control logic.
  • the controller is set up to determine a current for supplying the electric motor.
  • the current is preferably measured by the controller.
  • the controller is set up to determine a speed of the electric motor or a frequency of the current for supplying the electric motor.
  • the rotational speed or the frequency is also determined in particular by measuring the rotational speed or the frequency of the current. Measuring the frequency of the current includes, for example, monitoring the course of the current for supplying the electric motor.
  • the controller is set up to determine a theoretical air mass flow value in the fluid path of the air mass flow as a function of the specific current and the specific speed or the specific current and the specific frequency.
  • the theoretical air mass flow value is determined in particular by calculating the theoretical air mass flow value using an equation in which the current and the speed or the current and the frequency be taken into account.
  • the controller is set up to control the motor of the compressor stage as a function of the theoretical air mass flow value. Control includes, in particular, setting or regulating the motor speed and/or the motor torque.
  • the invention is based on the finding that an air mass flow value, which is usually measured with a sensor in the fluid path to control the compressor stage, for controlling the engine, can also be determined theoretically.
  • the air mass flow value can be calculated by first determining an instantaneous torque (t) of the motor from the current and a supply voltage of the motor. Since the speed (s) is also determined and the motor should be known, so that motor characteristics (//), comprehensive or corresponding to an efficiency of the motor, are known, a pressure (p) at the outlet of the compressor stage can be determined using the following formula : b x are here polynomial coefficients.
  • the air mass flow value (m) can be determined using the following formula: a x are the polynomial coefficients in this formula.
  • a sensor for this measurement can thus be dispensed with.
  • Cabling can also be dispensed with, so that the structure of a fuel cell system is simplified overall.
  • the susceptibility of the Fuel cell system reduced because the sensor itself or a wiring can not be exposed to defects.
  • Such openings have to be sealed in order to ensure the function of the fuel cell system, with such seals aging and thus being damaged. If there is no sensor, the susceptibility to failure is further reduced.
  • the controller includes a compressor controller for controlling the compressor stage.
  • the compressor controller is set up to receive an air mass flow target value from a fuel cell controller. Accordingly, an interface is preferably provided in order to receive the air mass flow target value. Furthermore, the compressor controller is set up to determine a control deviation between the air mass flow setpoint and the theoretical air mass flow value. In addition, the compressor controller is set up to control the electric motor as a function of the control deviation.
  • the control of the motor itself is controlled in the compressor controller, which essentially performs the task of controlling the electric motor.
  • a fuel cell control which is used in connection with the compressor control described, therefore no longer has to take over the control of the air mass flow of the compressor stage compared to the prior art. Rather, regulation takes place directly in the compressor controller. Only the air mass flow target value has to be provided by the fuel cell controller, which controls a fuel cell system as a whole. Complex communication between a fuel cell controller and a compressor controller is thus avoided.
  • the controller includes the compressor controller and a fuel cell controller. The compressor controller is set up to determine the theoretical air mass flow value and to output it to the fuel cell controller.
  • the fuel cell controller is set up to determine a target value, in particular a target speed value.
  • the setpoint value which is in particular a speed setpoint value, is determined at least as a function of the theoretical air mass flow value and preferably as a function of an air mass flow setpoint value that is also determined by the fuel cell controller itself.
  • the desired value specifically the speed desired value in particular, is then transmitted to the compressor controller.
  • the compressor controller is also set up to receive the target value and to regulate the speed of the electric motor as a function of the received target value or to control the motor as a function of the target value.
  • the fuel cell control essentially does not have to be adapted in the usual control loop of a fuel cell system for the implementation of the present compressor system.
  • conventional fuel cell controls receive an air mass flow value from the sensor.
  • the air mass flow value received from the sensor only has to be replaced by the theoretical air mass flow value from the compressor controller. From this, conventional fuel cell controllers calculate a target speed value for the compressor system and transmit this to the compressor controller.
  • the controller is set up to additionally determine a voltage for supplying the electric motor and to additionally determine the theoretical air mass flow value as a function of the voltage.
  • the voltage for supplying the motor of the compressor stage can be assumed to be essentially constant.
  • a torque of the motor for determining the air mass flow value can therefore already be determined using a voltage value that is assumed to be constant and a specific current current value.
  • the theoretical air mass flow value can thus be determined even more precisely.
  • the compressor system includes a sensor arrangement which includes one or more sensors.
  • the sensor arrangement preferably includes a pressure sensor, a GPS sensor, a humidity sensor and/or a temperature sensor.
  • the sensor arrangement is arranged outside of the fluid path.
  • the sensor arrangement is set up to determine measured values of the environment outside of the fluid path, specifically to measure them in particular, and to determine the theoretical air mass flow as a function of the measured value or measured values.
  • Measured values are preferably air pressure, humidity and/or altitude in the vicinity of the compressor system.
  • the height preferably serves to determine the ambient pressure or oxygen content of the air in the vicinity of the compressor system as a measured value.
  • the controller includes at least one interface for connecting to a bus, in particular a CAN bus, preferably of a vehicle.
  • the interface is set up to determine measured values of the environment outside the fluid path, in particular air pressure and/or air humidity, via sensors connected to the bus and to determine the theoretical air mass flow value as a function of the measured value.
  • an existing sensor system of a vehicle is used, which is used in any case, for example for the air conditioning of the passenger compartment. Accordingly, no additional sensors need to be provided for more precise determination of the theoretical air mass flow value through the compressor system.
  • the compressor system also includes a valve that is set up to vary a pressure in at least one fuel cell of the fuel cell system.
  • the valve can preferably be arranged at an inlet of at least one fuel cell of the fuel cell system.
  • the controller is set up to determine a theoretical pressure value as a function of the current and the speed or the current and the frequency, and preferably also the measured values. The theoretical pressure value is also preferably determined by calculation.
  • the controller is set up to activate the valve as a function of the theoretical pressure value.
  • a pressure sensor it is fundamentally known to provide a valve in a fuel cell system and to control or regulate it as a function of a pressure value.
  • the prior art provides for a pressure sensor to be arranged in the fuel cell system in order to measure the pressure value.
  • the pressure sensor can also be dispensed with since the pressure value is calculated as a theoretical pressure value.
  • wiring and an opening for the sensor on the fuel cell system can also be dispensed with here. Communication between the controller and the sensors is also no longer necessary, so that the communication effort is further reduced.
  • the compressor controller of the controller is set up to receive a pressure setpoint from a fuel cell controller and to determine a control deviation between the pressure setpoint and the theoretical pressure value.
  • the compressor control is set up to control the valve as a function of the control deviation.
  • a fuel cell controller can thus be completely freed from the control tasks that are necessary to operate a fuel cell in order to supply an air mass flow. Rather, these control tasks are completely shifted to the compressor control. Communication between a compressor controller and a fuel cell controller can thus be reduced to a minimum, namely to the compressor controller receiving the setpoint value or setpoint values for the air mass flow and the pressure from the fuel cell controller.
  • the compressor controller is set up to determine the theoretical pressure value and transmit it to the fuel cell controller. Furthermore, the fuel cell controller is set up to activate the valve as a function of the theoretical pressure value.
  • the invention relates to a fuel cell system with a compressor system according to one of the preceding embodiments and a fuel cell or a fuel cell stack with a plurality of fuel cells.
  • the invention relates to a vehicle with the compressor system according to one of the aforementioned embodiments or with a fuel cell system according to the aforementioned embodiment.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system with a compressor system according to one of the aforementioned embodiments.
  • an air mass flow is sucked in and compressed along a fluid path with an electric motor of a compressor stage, and the compressed air mass flow is discharged as reactant supply.
  • a current for supplying the electric motor and a speed of the electric motor or a frequency of the current for supplying the electric motor are determined with a control of the compressor system.
  • a theoretical air mass flow value in the fluid path is determined as a function of the current and the speed or as a function of the current and the frequency.
  • the motor is controlled as a function of the theoretical air mass flow value.
  • the controller is a compressor controller.
  • the compressor control an air mass flow target value is received from the fuel cell control and a control deviation between the air mass flow value and the theoretical air mass flow target value is determined. Furthermore, the electric motor is controlled as a function of the control deviation.
  • the controller includes the compressor controller and a fuel cell controller.
  • the theoretical air mass flow value is determined with the compressor control and the theoretical air mass flow value is transmitted to the fuel cell control.
  • the fuel cell controller determines a setpoint value, which is in particular a setpoint speed value, and transmits this to the compressor controller.
  • the electric motor is regulated with the compressor control as a function of the desired value.
  • the invention relates to a computer program product which comprises instructions which, executed on a computer, cause the computer to carry out the steps of the aforementioned method.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a fuel cell system according to a further exemplary embodiment
  • Figure 3 shows a method according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a method according to a further exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 10 with a fuel cell 12.
  • the fuel cell 12 has a cathode 14 and an anode 16.
  • FIG. The anode 16 is supplied with a gas, for example hydrogen, from a pressure vessel 18 and the cathode 14 is supplied with air.
  • the air is supplied via an air inlet 20 along a fluid path 22 .
  • a compressor stage 24 of a compressor system 25 is provided, which draws in the air as an air mass flow 27 via the air inlet 20 , compresses it and outputs the compressed air mass flow 27 to the fuel cell 12 .
  • the compressor stage 24 comprises a compressor 26 and a motor 28 which drives the compressor 26 .
  • the motor 28 is controlled via a compressor controller 30 .
  • the compressor controller 30 includes an inverter 32 for this purpose DC voltage 33 from an energy source 34 into an AC voltage 36 for the motor 28 converts.
  • a fuel cell controller 38 is provided, which communicates with a vehicle controller 40 and coordinates the components of the fuel cell system 10 and, in this context, exchanges data with the compressor controller 30 in particular.
  • the speed 42 of the motor 28 and the current 44 consumed by the motor 28 are determined with a computer unit 46 in the inverter 32 of the compressor controller 30 when the motor 28 is currently being activated by the inverter 32 .
  • a theoretical air mass flow value 48 is determined from this in the computing unit 46 and this value 48 is transmitted to the fuel cell controller 38 .
  • the fuel cell controller 38 together with the compressor controller 30 can also be referred to generally as controller 39 .
  • the fuel cell controller 38 now determines a setpoint speed 50 as a function of the theoretical air mass flow value 48 and an air mass flow setpoint value 49, which is determined from a driving situation 41 specified by the vehicle controller 40, and transmits this to the compressor controller 30.
  • the compressor controller 30 uses this setpoint speed 50 to adjust an actuation of the motor 28 by the inverter 32 in order to regulate it to the setpoint speed 50 .
  • an instantaneous torque of the motor 28 is preferably first calculated from the value of the DC voltage 33 and the determined current 44.
  • the air mass flow value 48 can thus be calculated together with the determined rotational speed and engine characteristic data 51 stored in the computer unit 46 .
  • a sensor arrangement 52 is connected to the compressor controller 30 and includes a pressure sensor 54 , a humidity sensor 56 , a temperature sensor 55 and a GPS sensor 47 .
  • Measured values 57 are received by the computer unit 46 from the sensor arrangement 52 and are taken into account when determining the theoretical air mass flow value 48 .
  • the compressor controller 30 is connected via an interface 53 to a bus 58 of a vehicle, which is a CAN bus 59 in particular.
  • Another sensor arrangement 60 is connected to the bus 58, so that in the event of a failure of the sensor arrangement 52, the measured values 57 can be received by the further sensor arrangement 60.
  • the fuel cell system 10 only includes the sensor arrangement 52 or the interface 53 for receiving the measured values 57.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment, the same reference numbers denoting the same features.
  • FIG. 2 differs from the exemplary embodiment from FIG. 1 in that a valve 62 is provided, with which a pressure in the fuel cell 12 can be regulated.
  • the computing unit 46 is also set up to determine a theoretical pressure value 64 in the fluid path 22 as a function of the rotational speed 42 and the current 44 and to transmit this to the fuel cell controller 38 .
  • the fuel cell controller 38 is then set up to activate the valve 62 as a function of this theoretical pressure value 64 .
  • FIG. 3 shows the steps of the method according to an embodiment.
  • step 80 an air mass flow 27 is sucked in.
  • step 82 the air mass flow 27 is compressed and in step 84 the compressed air mass flow 27 is delivered as reactant supply.
  • step 85 a speed 42 of a motor 28 used to carry out steps 80 to 84 is determined.
  • step 86 the current 44 of the motor 28 is determined.
  • step 88 a theoretical air mass flow value 48 is determined as a function of current 44 and speed 42 .
  • this air mass flow value 48 is sent to a fuel cell controller 38 .
  • step 92 the fuel cell controller 38 determines a setpoint speed 50 for the electric motor 28 as a function of the theoretical air mass flow value 48 and transmits the setpoint speed 50 to the compressor controller 30 in step 94 .
  • step 96 motor 28 is then actuated as a function of theoretical air mass flow value 48, namely as a function of setpoint speed 50 determined therefrom.
  • FIG. 4 again shows steps 80 to 88, which are carried out identically.
  • the compressor controller 30 in a step 98 an air mass flow target value 49 is received, and in step 100 a control deviation is determined as a function of the received target value and of the theoretical air mass flow 27 .
  • the electric motor 28 is controlled as a function of the control deviation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichtersystem (25) für ein Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einer Verdichterstufe (24), die einen elektrischen Motor (28) umfasst. Die Verdichterstufe (24) ist eingerichtet, um mit dem Motor (28) entlang eines Fluidwegs (22) einen Luft-Massenstrom (27) anzusaugen (80), zu verdichten (82) und den verdichteten Luft-Massenstrom (27) als Reaktantenzufuhr abzugeben (84). Außerdem umfasst das Verdichtersystem (25) eine Steuerung (39), die eingerichtet ist, um einen Strom (44) zur Versorgung des elektrischen Motors (28) und eine Drehzahl (42) des elektrischen Motors (28) oder eine Frequenz des Stroms (44) des elektrischen Motors (28) zu bestimmen. Außerdem ist die Steuerung (39) eingerichtet, um einen theoretischen Luft-Massenstromwert (48) im Fluidweg (22), in Abhängigkeit von dem Strom (44) und der Drehzahl (42) oder dem Strom (44) und der Frequenz, zu ermitteln und den Motor (28) in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert (48) anzusteuern. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (10), ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10), ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Verdichtersystem für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichtersystem für ein Brennstoffzellensystem, das vorzugsweise für ein Fahrzeug dient und somit als Fahrzeugbrennstoffzellensystem bezeichnet werden kann. Das Verdichtersystem umfasst wenigstens eine Verdichterstufe, um einen Luft-Massenstrom anzusaugen, zu verdichten, und den verdichteten Luft-Massenstrom als Reaktantenzufuhr abzugeben. Außerdem umfasst das Verdichtersystem eine Verdichtersteuerung, die eingerichtet ist, um die Verdichterstufe anzusteuern. Außerdem ist die Verdichtersteuerung eingerichtet, um signalleitend mit einer Brennstoffzellensteuerung verbunden zu werden und von der Brennstoffzellensteuerung Steuerbefehle zu empfangen.
Verdichtersysteme für Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. Derartige Verdichtersysteme dienen, um einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems kathodenseitig ein sauerstoffhaltiges Stoffgemisch zuzuführen. Dieses sauerstoffhaltige Stoffgemisch wird regelmäßig in Form von druckbeaufschlagter Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird, zugeführt. Anodenseitig wird der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt. In der Brennstoffzelle findet dann eine Reaktion statt, die eine Überwachung und Steuerung der Reaktionsbedingungen und zugeführten Reaktantenmengen erfordert, um diese kontrolliert ablaufen zu lassen. Insbesondere die Stoffmengen des zugeführten Sauerstoffs und des zugeführten Wasserstoffs müssen überwacht und gesteuert werden, um einen effizienten aber auch verschleißarmen Betrieb der Brennstoffzelle sicherzustellen. Die Aufgabe der Überwachung und Steuerung wird gemäß dem Stand der Technik üblicherweise mit der Brennstoffzellensteuerung ausgeführt.
Zur Überwachung und Steuerung findet in den bekannten Systemen eine Kommunikation zwischen der Brennstoffzellensteuerung des Brennstoffzellensystems und der Verdichteranordnung statt. Von einem Sensor des Brennstoffzellensystems empfängt die Brennstoffzellensteuerung Messsignale, die angeben, welche Sauerstoffmenge, insbesondere Luftmenge, einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. Wird anhand der Messsignale, nämlich der Sensormesswerte, festge- stellt, dass die zugeführte Menge an Sauerstoff, insbesondere Luft, für die gewünschte Reaktion in der Brennstoffzelle unpassend, beispielsweise zu gering, ist, sendet sie einen Steuerbefehl an die Verdichtersteuerung, um die Verdichterleistung, beispielsweise durch Erhöhen der Drehzahl eines elektrischen Motors der Verdichterstufe anzupassen. Insofern ist ein Regelkreis gebildet, bei dem eine Führungsgröße in der Brennstoffzellensteuerung festgelegt wird und bei dem mithilfe der Brennstoffzellensteuerung eine Regeldifferenz zwischen der Führungsgröße und der über den Sensor empfangenen Messgröße ermittelt wird. In Abhängigkeit von dieser Differenz wird dann die Verdichterstufe durch die Verdichtersteuerung derart angesteuert, um die Regelgröße möglichst genau an die Führungsgröße anzupassen und so die gewünschte Sauerstoffmenge, insbesondere Luftmenge für die Brennstoffzelle bereitzustellen.
Die beschriebenen Brennstoffzellensysteme ermöglichen im Allgemeinen einen zufriedenstellenden Betrieb einer Brennstoffzelle, wobei derartige Systeme einen komplexen Aufbau der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems erfordern. Insbesondere ist eine komplexe Datenkommunikation zwischen den einzelnen Komponenten nötig. Dieser komplexe Aufbau, insbesondere die komplexe Datenkommunikation, bietet einerseits Störanfälligkeiten, die den durchgängigen Betrieb des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen können, so dass es wünschenswert ist, diesen Aufbau zu vereinfachen. Andererseits ist eine Vereinfachung des Aufbaus vorteilhaft, um die Kosten für Brennstoffzellensysteme weiter zu reduzieren und diese dem Massenmarkt zugänglich machen zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Problemen des Standes der Technik zu begegnen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Komplexität des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems zu reduzieren.
Die Erfindung schlägt daher ein Verdichtersystem nach Anspruch 1 vor.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verdichtersystem für ein Brennstoffzellensystem. Bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem, das eingerichtet ist elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen. Das Verdichtersystem umfasst wenigstens eine Verdichterstufe mit einem elektrischen Motor. Demnach umfasst ein Verdichtersystem hier eine einzelne Verdichterstufe aber auch eine kaskadierte aus mehreren Verdichterstufen bestehende Anordnung. Der elektrische Motor ist vorzugsweise ein Synchronmotor. Weiter bevorzugt ist der elektrische Motor ein permanenterregter Synchronmotor. Die Verdichterstufe ist eingerichtet, um mit dem Motor einen Luft-Massenstrom anzusaugen. Außerdem ist die Verdichterstufe eingerichtet, um den angesaugten Luft-Massenstrom zu verdichten und den verdichteten Luft-Massenstrom als Reaktantenzufuhr abzugeben. Vorzugsweise dient die Verdichterstufe zum Abgeben der Reaktantenzufuhr an eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, der auch Brennstoffzellen-Stack genannt wird, und aus mehreren Brennstoffzellen besteht. Das Ansaugen, Verdichten und Abgeben des Luft-Massenstroms erfolgt entlang eines Fluidwegs des Verdichtersystems.
Ferner umfasst das Verdichtersystem eine Steuerung. Vorzugsweise umfasst die Steuerung hierzu mindestens eine Steuerlogik in Form eines Mikroprozessors oder Rechners und eine Leistungselektronik, die durch die Steuerlogik angesteuert wird. Die Steuerung ist eingerichtet, um einen Strom zur Versorgung des elektrischen Motors zu bestimmen. Der Strom wird vorzugsweise von der Steuerung gemessen. Außerdem ist die Steuerung eingerichtet, um eine Drehzahl des elektrischen Motors o- der eine Frequenz des Stroms zur Versorgung des elektrischen Motors zu bestimmen. Auch das Bestimmen der Drehzahl oder der Frequenz erfolgt insbesondere durch Messen der Drehzahl oder der Frequenz des Stroms. Das Messen der Frequenz des Stroms umfasst beispielsweise die Überwachung des Verlaufs des Stroms zur Versorgung des elektrischen Motors.
Außerdem ist die Steuerung eingerichtet, einen theoretischen Luft-Massenstromwert im Fluidweg des Luft-Massenstroms in Abhängigkeit von dem bestimmten Strom und der bestimmten Drehzahl oder dem bestimmten Strom und der bestimmten Frequenz zu bestimmen. Dieses Bestimmen des theoretischen Luft-Massenstromwerts erfolgt insbesondere durch Berechnen des theoretischen Luft-Massenstromwerts mit einer Gleichung, in der der Strom und die Drehzahl oder der Strom und die Frequenz be- rücksichtigt werden. Zudem ist die Steuerung eingerichtet, um den Motor der Verdichterstufe in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert anzusteu- ern. Ein Ansteuern umfasst insbesondere ein Einstellen oder Regeln der Motordrehzahl und/oder des Motordrehmoments.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein Luft-Massenstromwert, der für eine Ansteuerung des Motors üblicherweise mit einem Sensor im Fluidweg gemessen wird, um die Verdichterstufe anzusteuern, auch theoretisch bestimmen lässt. Beispielsweise kann der Luft-Massenstromwert berechnet werden, indem zunächst aus dem Strom und einer Versorgungsspannung des Motors ein aktuelles Drehmoment (t) des Motors bestimmt wird. Da ebenfalls die Drehzahl (s) bestimmt wird und der Motor bekannt sein sollte, so dass Motorkenndaten (//), umfassend oder entsprechend einem Wirkungsgrad des Motors, bekannt sind, kann mit folgender Formel ein Druck (p) am Ausgang der Verdichterstufe bestimmt werden:
Figure imgf000006_0001
bx sind hierbei Polynomkoeffizienten.
Ist dieser Druck (p) bekannt, kann mit der folgenden Formel der Luft-Massenstromwert (m) bestimmt werden:
Figure imgf000006_0002
ax sind in dieser Formel die Polynom koeffizienten.
So kann auf einen Sensor für diese Messung verzichtet werden. Durch einen Verzicht auf einen Sensor zum Messen des Luft-Massenstroms entfallen vorteilhafterweise zunächst die Kosten für die Bereitstellung und Kalibrierung des Sensors. Auch auf eine Verkabelung kann verzichtet werden, so dass der Aufbau eines Brennstoffzellensystems insgesamt vereinfacht wird. Im Übrigen wird die Störanfälligkeit des Brennstoffzellensystems verringert, da der Sensor an sich oder auch eine Verkabelung keinen Defekten ausgesetzt sein kann. Des Weiteren kann auf eine zusätzliche Öffnung zum Einbringen des Sensors in den Fluidweg oder zum Herausführen einer Verkabelung des Sensors aus dem Fluidweg verzichtet werden. Solche Öffnungen müssen abgedichtet sein, um die Funktion des Brennstoffzellensystems sicherzustellen, wobei derartige Abdichtungen altern und somit Beschädigungen aufweisen können. Bei Verzicht auf einen Sensor wird somit die Störanfälligkeit weiter reduziert.
Insgesamt wird demnach ein Brennstoffzellensystem insgesamt günstiger und zuverlässiger.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Steuerung eine Verdichtersteuerung zur Steuerung der Verdichterstufe. Die Verdichtersteuerung ist eingerichtet, um einen Luft-Massenstrom-Sollwert von einer Brennstoffzellensteuerung zu empfangen. Demnach ist vorzugsweise eine Schnittstelle vorgesehen, um den Luft-Massenstrom- Sollwert zu empfangen. Ferner ist die Verdichtersteuerung eingerichtet, um eine Regelabweichung zwischen dem Luft-Massenstrom-Sollwert und dem theoretischen Luft-Massenstromwert zu bestimmen. Außerdem ist die Verdichtersteuerung eingerichtet, um den elektrischen Motor in Abhängigkeit von der Regelabweichung anzusteuern.
Demnach findet in der Verdichtersteuerung, die im Wesentlichen die Aufgabe ausführt, den elektrischen Motor anzusteuern, eine Regelung der Ansteuerung des Motors selbst statt. Eine Brennstoffzellensteuerung, die im Zusammenhang mit der beschriebenen Verdichtersteuerung eingesetzt wird, muss demnach gegenüber dem Stand der Technik nicht mehr die Regelung des Luft-Massenstroms der Verdichterstufe übernehmen. Vielmehr findet eine Regelung unmittelbar in der Verdichtersteuerung statt. Lediglich der Luft-Massenstrom-Sollwert muss von der Brennstoffzellensteuerung, die ein Brennstoffzellensystem insgesamt steuert, bereitgestellt werden. Eine aufwendige Kommunikation zwischen einer Brennstoffzellensteuerung und einer Verdichtersteuerung wird somit vermieden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Steuerung die Verdichtersteuerung und eine Brennstoffzellensteuerung. Die Verdichtersteuerung ist eingerichtet, den theoretischen Luft-Massenstromwert zu bestimmen und an die Brennstoffzellensteuerung auszugeben. Die Brennstoffzellensteuerung ist eingerichtet, einen Sollwert, insbesondere einen Drehzahl-Sollwert zu bestimmen. Das Bestimmen des Sollwerts, der insbesondere ein Drehzahl-Sollwert ist, erfolgt zumindest in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert und vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Luft-Massenstrom-Sollwert, der von der Brennstoffzellensteuerung ebenfalls selbst bestimmt wird. Der Sollwert, nämlich insbesondere der Drehzahl-Sollwert, wird dann an die Verdichtersteuerung übertragen. Die Verdichtersteuerung ist ferner eingerichtet, den Sollwert zu empfangen und die Drehzahl des elektrischen Motors in Abhängigkeit vom empfangenen Sollwert zu regeln oder den Motor in Abhängigkeit von dem Sollwert zu steuern.
Hierdurch wird die einfache Integration des vorgeschlagenen Verdichtersystems in ein bestehendes Brennstoffzellensystem ermöglicht. Demnach muss in den üblichen Regelkreis eines Brennstoffzellensystems zur Umsetzung des vorliegenden Verdichtersystems die Brennstoffzellensteuerung im Wesentlichen nicht angepasst werden. Übliche Brennstoffzellensteuerungen erhalten nämlich einen Luft-Massenstromwert vom Sensor. Zur Anpassung an das hier vorgeschlagene Verdichtersystem muss demnach lediglich der vom Sensor empfangene Luft-Massenstromwert durch den theoretischen Luft-Massenstromwert von der Verdichtersteuerung ersetzt werden. Hieraus berechnen übliche Brennstoffzellensteuerungen einen Drehzahl-Sollwert für das Verdichtersystem und übertragen dieses an die Verdichtersteuerung.
Demnach wird hier zwar weiterhin die bereits oben geschilderte komplexe Kommunikation zwischen Verdichtersteuerung und Brennstoffzellensteuerung hingenommen, wobei jedoch das vorliegende Verdichtersystem in ein bestehendes Brennstoffzellensystem ohne komplexe Modifikationen integrierbar ist aber gleichzeitig auf den Sensor verzichtet werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, zusätzlich eine Spannung zur Versorgung des elektrischen Motors zu bestimmen und den theoretischen Luft-Massenstromwert zusätzlich in Abhängigkeit von der Spannung zu bestimmen. Grundsätzlich ist die Spannung zur Versorgung des Motors der Verdichterstufe im Wesentlichen als konstant anzunehmen. Ein Drehmoment des Motors zur Bestimmung des Luft-Massenstromwerts lässt sich demnach auch bereits anhand eines als konstant angenommenen Spannungswerts und eines bestimmten aktuellen Stromwerts ermitteln. Dennoch ist das Mitberücksichtigen der aktuellen bestimmten, insbesondere gemessenen, Versorgungsspannung des elektrischen Motors vorteilhaft, da auch Spannungsschwankungen berücksichtigt werden. Die treten beispielsweise durch einen Energiespeicher auf, der die Spannung zum Betrieb des Verdichtersystems beispielsweise während einer besonderen Fahrsituation eines Fahrzeugs bereitstellt oder mitbereitstellt. Der theoretische Luft-Massenstromwert kann so noch genauer bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verdichtersystem eine Sensoranordnung, die einen oder mehrere Sensoren umfasst. Die Sensoranordnung umfasst vorzugsweise einen Drucksensor, einen GPS-Sensor, einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Temperatursensor. Die Sensoranordnung ist außerhalb des Fluidwegs angeordnet. Die Sensoranordnung ist eingerichtet, Messwerte der Umgebung außerhalb des Fluidwegs zu bestimmen, nämlich insbesondere zu messen, und den theoretischen Luft-Massenstrom in Abhängigkeit von dem Messwert oder den Messwerten zu bestimmen. Messwerte sind vorzugsweise Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und/oder Höhe in der Umgebung des Verdichtersystems. Die Höhe dient vorzugsweise um den Umgebungsdruck oder Sauerstoffgehalt der Luft in der Umgebung des Verdichtersystems als Messwert zu bestimmen.
Durch die Sensoranordnung des Verdichtersystems ist es möglich, den theoretischen Luft-Massenstromwert, der zusätzlich abhängig von den Eigenschaften der Luft ist, die angesaugt wird, noch genauer zu bestimmen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuerung mindestens eine Schnittstelle zum Verbinden mit einem Bus, insbesondere einem CAN-Bus, vorzugsweise eines Fahrzeugs. Die Schnittstelle ist eingerichtet, um Messwerte der Umgebung außerhalb des Fluidwegs, insbesondere einen Luftdruck und/oder eine Luftfeuchtigkeit über mit dem Bus verbundenen Sensoren zu bestimmen und den theoretischen Luft-Massenstromwert in Abhängigkeit von dem Messwert zu bestimmen. Gemäß dieser Ausführungsform wird auf ein bestehendes Sensorsystem eines Fahrzeugs zurückgegriffen, das ohnehin beispielsweise für die Klimatisierung der Fahrgastzelle verwendet wird. Demnach müssen keine zusätzlichen Sensoren zur genaueren Bestimmung des theoretischen Luft-Massenstromwerts durch das Verdichtersystem bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verdichtersystem ferner ein Ventil, das eingerichtet ist, einen Druck in mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zu variieren. Das Ventil ist vorzugsweise an einem Eingang mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems anordenbar. Ferner ist die Steuerung eingerichtet, um in Abhängigkeit von dem Strom und der Drehzahl o- der dem Strom und der Frequenz, sowie vorzugsweise auch den Messwerten, einen theoretischen Druckwert zu bestimmen. Auch das Bestimmen des theoretischen Druckwerts erfolgt vorzugsweise durch ein Berechnen. Ferner ist die Steuerung eingerichtet, um das Ventil in Abhängigkeit von dem theoretischen Druckwert anzusteu- ern.
Ein Ventil in einem Brennstoffzellensystem vorzusehen ist grundsätzlich bekannt, und dieses in Abhängigkeit von einem Druckwert zu steuern oder zu regeln. Hierbei ist jedoch im Stand der Technik vorgesehen, einen Drucksensor im Brennstoffzellensystem anzuordnen, um den Druckwert zu messen. Gemäß dieser Ausführungsform kann nun ebenfalls auf den Drucksensor verzichtet werden, da der Druckwert als theoretischer Druckwert berechnet wird. Entsprechend ist auch hier auf eine Verkabelung und eine Öffnung für den Sensor am Brennstoffzellensystem verzichtbar. Auch eine Kommunikation zwischen der Steuerung und den Sensoren ist nicht mehr nötig, so dass der Aufwand für die Kommunikation weiter reduziert wird. Weiterhin wird die Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems, da auf den Drucksensor verzichtet wird, reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verdichtersteuerung der Steuerung eingerichtet, um von einer Brennstoffzellensteuerung einen Drucksollwert zu empfangen und eine Regelabweichung zwischen dem Drucksollwert und dem theoretischen Druckwert zu bestimmen. Außerdem ist die Verdichtersteuerung eingerichtet, um das Ventil in Abhängigkeit von der Regelabweichung anzusteuern.
Eine Brennstoffzellensteuerung kann somit vollständig von den Regelungsaufgaben befreit werden, die zum Betreiben einer Brennstoffzelle nötig sind, um einen Luft- Massenstrom zuzuführen. Vielmehr findet eine vollständige Verlagerung dieser Regelungsaufgaben in die Verdichtersteuerung statt. Eine Kommunikation zwischen einer Verdichtersteuerung und einer Brennstoffzellensteuerung kann somit auf ein Minimum, nämlich auf den Empfang des Sollwerts oder der Sollwerte für den Luft-Mas- senstrom und den Druck von der Brennstoffzellensteuerung durch die Verdichtersteuerung, reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verdichtersteuerung eingerichtet, um den theoretischen Druckwert zu bestimmen und an die Brennstoffzellensteuerung zu übertragen. Ferner ist die Brennstoffzellensteuerung eingerichtet, um in Abhängigkeit von dem theoretischen Druckwert das Ventil anzusteuern.
Somit kann der übliche Aufbau eines Brennstoffzellensystems beibehalten werden und die Verdichtersteuerung auf einfache Weise in ein derartiges Brennstoffzellensystem integriert werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Verdichtersystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen und einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen. Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit dem Verdichtersystem gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen oder mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorgenannten Ausführungsform.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Verdichtersystem nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Gemäß dem Verfahren wird mit einem elektrischen Motor einer Verdichterstufe entlang eines Fluidwegs ein Luft-Massenstrom angesaugt, verdichtet und der verdichtete Luft-Massenstrom als Reaktantenzufuhr abgegeben. Mit einer Steuerung des Verdichtersystems wird ein Strom zur Versorgung des elektrischen Motors sowie eine Drehzahl des elektrischen Motors oder eine Frequenz des Stroms zur Versorgung des elektrischen Motors bestimmt. Zudem wird ein theoretischer Luft-Massen- stromwert in dem Fluidweg in Abhängigkeit von dem Strom und der Drehzahl oder in Abhängigkeit von dem Strom und der Frequenz bestimmt. Außerdem wird der Motor in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert angesteuert.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Steuerung eine Verdichtersteuerung. Mit der Verdichtersteuerung wird von der Brennstoffzellensteuerung ein Luft- Massenstrom-Sollwert empfangen und eine Regelabweichung zwischen dem Luft- Massenstromwert und dem theoretischen Luft-Massenstrom-Sollwert bestimmt. Ferner wird der elektrische Motor in Abhängigkeit von der Regelabweichung angesteuert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuerung die Verdichtersteuerung und eine Brennstoffzellensteuerung. Mit der Verdichtersteuerung wird der theoretische Luft-Massenstromwert bestimmt und der theoretische Luft-Massenstromwert an die Brennstoffzellensteuerung übertragen. Die Brennstoffzellensteuerung bestimmt in Abhängigkeit des theoretischen Luft-Massenstromwerts einen Sollwert, der insbesondere ein Drehzahl-Sollwert ist, und überträgt diesen an die Verdichtersteuerung. Ferner wird mit der Verdichtersteuerung der elektrische Motor in Abhängigkeit von dem Sollwert geregelt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das Instruktionen umfasst, die auf einem Computer ausgeführt, den Computer veranlassen, die Schritte des vorgenannten Verfahrens auszuführen.
Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen des weiter oben beschriebenen Verdichtersystems und des weiter oben beschriebenen Brennstoffzellensystems sind zugleich Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Ferner ergeben sich weitere Ausführungsformen anhand der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel und
Figur 4 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 mit einer Brennstoffzelle 12. Die Brennstoffzelle 12 weist eine Kathode 14 und eine Anode 16 auf. Der Anode 16 wird ein Gas, zum Beispiel Wasserstoff aus einem Druckbehälter 18 zugeführt und der Kathode 14 wird Luft zugeführt. Die Luft wird über einen Lufteinlass 20 entlang eines Fluidwegs 22 zugeführt. Hierzu ist eine Verdichterstufe 24 eines Verdichtersystems 25 vorgesehen, die die Luft als Luft-Massenstrom 27 über den Lufteinlass 20 ansaugt, diesen verdichtet und den verdichteten Luft-Massenstrom 27 an die Brennstoffzelle 12 ausgibt.
Die Verdichterstufe 24 umfasst hierzu einen Kompressor 26 und einen Motor 28, der den Kompressor 26 antreibt. Der Motor 28 wird über eine Verdichtersteuerung 30 gesteuert. Die Verdichtersteuerung 30 umfasst hierzu einen Wechselrichter 32, der eine Gleichspannung 33 aus einer Energiequelle 34 in eine Wechselspannung 36 für den Motor 28 wandelt. Außerdem ist eine Brennstoffzellensteuerung 38 vorgesehen, die mit einer Fahrzeugsteuerung 40 kommuniziert und die Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 koordiniert und hierbei insbesondere mit der Verdichtersteuerung 30 Daten austauscht.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden im Wechselrichter 32 der Verdichtersteuerung 30 bei einer aktuellen Ansteuerung des Motors 28, die durch den Wechselrichter 32 erfolgt, die Drehzahl 42 des Motors 28 sowie der vom Motor 28 aufgenommene Strom 44 mit einer Rechnereinheit 46 bestimmt. In der Recheneinheit 46 wird hieraus ein theoretischer Luft-Massenstromwert 48 bestimmt und dieser Wert 48 an die Brennstoffzellensteuerung 38 übertragen. Die Brennstoffzellensteuerung 38 kann zusammen mit der Verdichtersteuerung 30 auch allgemein als Steuerung 39 bezeichnet werden. Die Brennstoffzellensteuerung 38 ermittelt nun in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert 48 und von einem Luft-Massenstrom- Sollwert 49, der von einer durch die Fahrzeugsteuerung 40 vorgegebenen Fahrsituation 41 ermittelt wird, eine Solldrehzahl 50 und überträgt diese an die Verdichtersteuerung 30. Die Verdichtersteuerung 30 passt dann mit dieser Solldrehzahl 50 eine Ansteuerung des Motors 28 durch den Wechselrichter 32 an, um diesen auf die Solldrehzahl 50 zu regeln. Zur Berechnung des Luft-Massenstromwerts 48 wird vorzugsweise zunächst aus dem Wert der Gleichspannung 33 und dem bestimmten Strom 44 ein aktuelles Drehmoment des Motors 28 berechnet. Zusammen mit der bestimmten Drehzahl und in der Rechnereinheit 46 hinterlegter Motorkenndaten 51 kann so der Luft-Massenstromwert 48 berechnet werden.
Ferner ist mit der Verdichtersteuerung 30 eine Sensoranordnung 52 verbunden, die einen Drucksensor 54, einen Feuchtigkeitssensor 56, einen Temperatursensor 55 und einen GPS-Sensor 47 umfasst. Von der Sensoranordnung 52 werden Messwerte 57 durch die Rechnereinheit 46 empfangen und bei der Bestimmung des theoretischen Luft-Massenstromwerts 48 berücksichtigt. Ferner ist die Verdichtersteuerung 30 über eine Schnittstelle 53 mit einem Bus 58 eines Fahrzeugs, der insbesondere ein CAN-Bus 59 ist, verbunden. Mit dem Bus 58 ist eine weitere Sensoranordnung 60 verbunden, so dass im Fall eines Ausfalls der Sensoranordnung 52 die Messwerte 57 von der weiteren Sensoranordnung 60 empfangen werden können. Alternativ, gemäß einem nicht hier dargestellten Ausführungsbeispiel, umfasst das Brennstoffzellensystem 10 nur die Sensoranordnung 52 oder die Schnittstelle 53 zum Empfangen der Messwerte 57.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale bedeuten. Figur 2 unterscheidet sich durch das Ausführungsbeispiel der Figur 1 , dadurch, dass ein Ventil 62 vorgesehen ist, mit dem ein Druck in der Brennstoffzelle 12 regelbar ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Recheneinheit 46 ferner eingerichtet, in Abhängigkeit von der Drehzahl 42 und dem Strom 44 einen theoretischen Druckwert 64 im Fluidweg 22 zu bestimmen und diesen an die Brennstoffzellensteuerung 38 zu übertragen. Die Brennstoffzellensteuerung 38 ist dann eingerichtet, das Ventil 62 in Abhängigkeit von diesem theoretischen Druckwerts 64 anzusteuern.
Figur 3 zeigt die Schritte des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. In Schritt 80 wird ein Luft-Massenstrom 27 angesaugt. Im Schritt 82 wird der Luft-Mas- senstrom 27 verdichtet und im Schritt 84 wird der verdichtete Luft-Massenstrom 27 als Reaktantenzufuhr abgegeben. Parallel wird im Schritt 85 eine Drehzahl 42 eines Motors 28, der verwendet wird, um die Schritte 80 bis 84 auszuführen, bestimmt. Im Schritt 86 wird der Strom 44 des Motors 28 hierbei bestimmt. Im Schritt 88 wird ein theoretischer Luft-Massenstromwert 48 in Abhängigkeit des Stroms 44 und der Drehzahl 42 ermittelt. Im Schritt 90 wird dieser Luft-Massenstromwert 48 an eine Brennstoffzellensteuerung 38 gesendet. Im Schritt 92 bestimmt die Brennstoffzellensteuerung 38 in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert 48 eine Solldrehzahl 50 für den elektrischen Motor 28 und gibt im Schritt 94 die Solldrehzahl 50 an die Verdichtersteuerung 30 ab. Im Schritt 96 erfolgt dann ein Ansteuern des Motors 28 in Abhängigkeit vom theoretischen Luft-Massenstromwert 48, nämlich in Abhängigkeit von der daraus ermittelten Solldrehzahl 50.
In Figur 4 sind erneut die Schritte 80 bis 88 dargestellt, die identisch ausgeführt werden. Nach Schritt 88 wird jedoch von der Verdichtersteuerung 30 in einem Schritt 98 ein Luft-Massenstrom-Sollwert 49 empfangen, und im Schritt 100 eine Regelabweichung in Abhängigkeit des empfangenen Sollwerts sowie von dem theoretischen Luft-Massenstrom 27 bestimmt. Daraufhin wird im Schritt 102 der elektrische Motor 28 in Abhängigkeit von der Regelabweichung angesteuert.
Bezugszeichen
Brennstoffzellensystem
Brennstoffzelle
Kathode
Anode
Druckbehälter
Lufteinlass
Fluidweg
Verdichterstufe
Verdichtersystem
Kompressor
Luft-Massenstrom
Motor
Verdichtersteuerung
Wechselrichter
Gleichspannung
Energiequelle
Wechselspannung
Brennstoffzellensteuerung
Steuerung
Fahrzeugsteuerung
Fahrsituation
Drehzahl
Strom
Recheneinheit
GPS-Sensor
Luft-Massenstromwert
Luft-Massenstrom-Sollwert
Solldrehzahl
Motorkenndaten
Sensoranordnung
Schnittstelle Drucksensor
Temperatursensor
Feuchtigkeitssensor
Messwerte
Bus
CAN-Bus weitere Sensoranordnung
Ventil theoretischer Druckwert
Ansaugen
Verdichten
Abgeben
Bestimmen der Drehzahl
Bestimmen eines Stroms
Ermitteln eines theoretischen Massenstromwerts
Senden des theoretischen Massenstromwerts
Bestimmen einer Solldrehzahl
Senden der Solldrehzahl an Verdichtersteuerung
Ansteuern Motor
Empfangen Luft-Massenstrom-Sollwert
Bestimmen Regelabweichung
Ansteuern in Abhängigkeit von Regelabweichung

Claims

Patentansprüche
1 . Verdichtersystem (25) für ein Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einer Verdichterstufe (24), die einen elektrischen Motor (28) aufweist und eingerichtet ist, um mit dem Motor (28) entlang eines Fluidwegs (22) einen Luft-Massenstrom (27) anzusaugen (80), zu verdichten (82) und den verdichteten Luft-Massenstrom (27) als Reaktantenzufuhr abzugeben (84), und einer Steuerung (39), die eingerichtet ist zum:
- Bestimmen eines elektrischen Stroms (44) zur Versorgung des elektrischen Motors (28),
- Bestimmen einer Drehzahl (42) des elektrischen Motors (28) oder einer Frequenz des Stroms (44) des elektrischen Motors (28),
- Ermitteln, insbesondere Berechnen, eines theoretischen Luft-Massenstromwerts (48) im Fluidweg (22), in Abhängigkeit von dem Strom (44) und der Drehzahl (42) oder dem Strom (44) und der Frequenz, und
- Ansteuern des Motors (28) in Abhängigkeit vom dem theoretischen Luft-Massenstrom - wert (48).
2. Verdichtersystem (25) nach Anspruch 1 , wobei die Steuerung (39) eine Verdichtersteuerung (30) umfasst, die eingerichtet ist, um von einer Brennstoffzellensteuerung (38) einen Luft-Massenstrom-Sollwert (49) zu empfangen, eine Regelabweichung zwischen dem Luft-Massenstrom-Sollwert (49) und dem theoretischen Luft-Massenstrom- wert (48) zu bestimmen sowie den elektrischen Motor (28) in Abhängigkeit von der Regelabweichung anzusteuern.
3. Verdichtersystem (25) nach Anspruch 1 , wobei die Steuerung (39) die Verdichtersteuerung (30) und eine Brennstoffzellensteuerung (38) umfasst, und die Verdichtersteuerung (30) eingerichtet ist, den theoretischen Luft-Massenstromwert (48) zu bestimmen und an die Brennstoffzellensteuerung (38) zu übertragen, wobei die Brennstoffzellensteuerung (38) eingerichtet ist, einen Sollwert (50), insbesondere einen Drehzahl- Sollwert (50), in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert (48) zu bestimmen und an die Verdichtersteuerung (30) zu übertragen, wobei die Verdichtersteuerung (30) ferner eingerichtet ist, den Sollwert (50) zu empfangen und die Drehzahl (42) des elektrischen Motors (28) in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert (50) zu regeln.
4. Verdichtersystem (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (39) eingerichtet ist, zusätzlich eine Spannung (33) zur Versorgung des Motors (28) zu bestimmen und den theoretischen Luft-Massenstromwert (48) zusätzlich in Abhängigkeit von der Spannung (33) zu bestimmen.
5. Verdichtersystem (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdichtersystem (25) eine Sensoranordnung (52), insbesondere umfassend einen Drucksensor (54) und/oder einen GPS-Sensor (47) und/oder einen Feuchtigkeitssensor (56) und/oder einen Temperatursensor (55), umfasst, die außerhalb des Fluidwegs (22) der Verdichterstufe (24) angeordnet ist, und eingerichtet ist, Messwerte (57) der Umgebung außerhalb des Fluidwegs (22), insbesondere einen Luftdruck und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Höhe, zu bestimmen, und den theoretischen Luft-Massenstrom- wert (48) in Abhängigkeit von dem oder den Messwerten (57) zu bestimmen.
6. Verdichtersystem (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (39) mindestens eine Schnittstelle (53) zum Verbinden mit einem Bus (58), insbesondere einem CAN-Bus (59), umfasst, um Messwerte (57) der Umgebung außerhalb des Fluidwegs (22), insbesondere einen Luftdruck und/oder eine Luftfeuchtigkeit, über die Schnittstelle (53) von mit dem Bus (58) verbundenen Sensoren einer weiteren Sensoranordnung (60) zu bestimmen, und den theoretischen Luft-Massenstromwert (48) in Abhängigkeit von dem oder den Messwerten (57) zu bestimmen.
7. Verdichtersystem (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdichtersystem (25) ferner ein Ventil (62) umfasst, das eingerichtet ist, einen Druck in mindestens einer Brennstoffzelle (12) des Brennstoffzellensystems (10) zu variieren, wobei die Steuerung (39) ferner eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von dem bestimmten Strom (44) und der Drehzahl (42) oder dem bestimmten Strom (44) und der Frequenz einen theoretischen Druckwert (64), insbesondere durch Berechnen, zu ermitteln und das Ventil (62) in Abhängigkeit von dem theoretischen Druckwert (64) anzusteuern.
8. Verdichtersystem (25) nach Anspruch 7, wobei die Steuerung (39) die Verdichtersteuerung (30) umfasst und die Verdichtersteuerung (30) eingerichtet ist, um von der Brennstoffzellensteuerung (38) einen Druck-Sollwert zu empfangen, eine Regelabweichung zwischen dem Druck-Sollwert und dem theoretischen Druckwert (64) zu bestimmen, sowie das Ventil (62) in Abhängigkeit von der Regelabweichung anzusteuern.
9. Verdichtersystem (25) nach Anspruch 7, wobei die Steuerung (39) die Verdichtersteuerung (30) und die Brennstoffzellensteuerung (38) umfasst und die Verdichtersteuerung (30) eingerichtet ist, um den theoretischen Druckwert (64) zu bestimmen und an die Brennstoffzellensteuerung (38) zu übertragen, und die Brennstoffzellensteuerung (38) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem theoretischen Druckwert (64) das Ventil (62) anzusteuern.
10. Brennstoffzellensystem (10), umfassend ein Verdichtersystem (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Brennstoffzelle (12) oder einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen (12).
11. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10 oder einem Verdichtersystem (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) mit einem Verdichtersystem (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend die mit einer Verdichterstufe (24) ausgeführten Schritte:
- Ansaugen (80) eines Luft-Massenstroms (27),
- Verdichten (82) des angesaugten Luft-Massenstroms (27) und
- Ausgeben (84) des verdichteten Luft-Massenstroms (27) als Reaktantenzufuhr, wobei eine Steuerung (39) des Verdichtersystems (25) die weiteren folgenden Schritte ausführt:
- Bestimmen (86) eines Stroms (44) zur Versorgung des elektrischen Motors (28),
- Bestimmen (85) einer Drehzahl (42) des elektrischen Motors (28) oder einer Frequenz des Stroms (44) zur Versorgung des elektrischen Motors (28),
- Ermitteln (88) eines theoretischen Luft-Massenstromwerts (48) in Abhängigkeit von dem Strom (44) und der Drehzahl (42) oder dem Strom (44) und der Frequenz und
19 - Ansteuern (96) des Motors (28) in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massen- stromwert (48).
13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend die Schritte:
- Empfangen (98) eines Luft-Massenstrom-Sollwerts (49) von einer Brennstoffzellensteuerung (38) durch die Verdichtersteuerung (30),
- Bestimmen (100) einer Regelabweichung zwischen dem Luft-Massenstrom-Sollwert (49) und dem theoretischen Luft-Massenstromwert (48),
- Ansteuern (102) des elektrischen Motors (28) in Abhängigkeit von der Regelabweichung.
14. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend die Schritte:
- Bestimmen (88) des theoretischen Luft-Massenstromwerts (48) mit der Verdichtersteuerung (30),
- Übertragen (90) des theoretischen Luft-Massenstromwerts (48) an die Brennstoffzellensteuerung (38),
- Bestimmen (92) eines Sollwerts (50), insbesondere eines Drehzahl-Sollwerts (50) in Abhängigkeit von dem theoretischen Luft-Massenstromwert (48) durch die Brennstoffzellensteuerung (38),
- Übertragen (94) des Sollwerts (50) an die Verdichtersteuerung (30) durch die Brennstoffzellensteuerung (38),
- Empfangen des Sollwerts (50) durch die Verdichtersteuerung (30) und
- Regeln der Drehzahl (42) des elektrischen Motors (28) in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert (50) durch die Verdichtersteuerung (30).
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Instruktionen, die, wenn sie auf einem Rechner ausgeführt werden, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 14 ausführen.
20
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