WO2026017654A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines massenstroms eines verdichtungssystems einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines massenstroms eines verdichtungssystems einer brennstoffzelle

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WO2026017654A1
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Niclas Raeder
Florian WEINL
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Definitions

  • the present disclosure relates to a computer-implemented method for determining the mass flow rate of a gas flowing through a compression system of a fuel cell of a motor vehicle.
  • the present disclosure relates to a corresponding computer program and a computer-readable medium.
  • the present disclosure relates to a data processing device configured to execute the method.
  • the present disclosure relates to a compression system with the data processing device.
  • FCS fuel cell stack
  • a fuel cell stack typically requires one or more compression systems, for example, to supply a compressed oxidant to the cathode side of the fuel cell system.
  • compression systems can be used, such as radial compressors.
  • a compression system can be viewed as a thermodynamic system whose operation and control require the monitoring of several physical quantities. Traditionally, this necessitates the use of measurement technology with a multitude of sensors. However, in mobile applications of fuel cells, such as in passenger cars and commercial vehicles, a fuel cell system should be as cost-effective, compact, and reliable as possible.
  • the purpose of the present disclosure is to specify a device and/or a method, each of which is suitable to enrich the prior art.
  • the problem is solved by the features of the independent claims.
  • the dependent and subordinate claims each contain optional further developments of the disclosure.
  • the task is then solved using a computer-implemented method to determine the mass flow rate of a gas (optionally air) flowing through the compression system of a fuel cell in a motor vehicle.
  • the method includes providing the output power of an electric motor for the compression system.
  • the method includes determining the compression power with which the compression system compresses the gas, based on the output power, using a first computational model.
  • the method includes determining the mass flow rate based on the compression power using a second computational model.
  • mathematical calculations can be used to approximate other physical parameters of the system, such as the prevailing mass flow rate, from the output power of the electric motor of the compression system.
  • This can be achieved using two computational models: first, the compression power is calculated from the output power of the electric motor (first model), and then the prevailing mass flow rate is calculated from the compression power (second model).
  • first model the compression power is calculated from the output power of the electric motor
  • second model the prevailing mass flow rate is calculated from the compression power
  • arbitrarily complex model approaches can be chosen.
  • the first and second computational models can be implemented in software and/or hardware.
  • a model-based determination of physical parameters of a compression system is proposed, based on thermodynamic relationships and optionally on measured values of other physical parameters. More precisely, a model-based determination of the compressor's or compression system's mass flow rate can be performed based on the required electric motor output power.
  • other physical parameters of the compression system can also be determined using a model. Depending on the mathematical model, this allows for the determination of further state variables, such as relative humidity, nitrogen concentration in the air, and/or the inlet temperature of the air or gas.
  • the process can be applied to the compression of an oxidizing agent at a cathode side of the fuel cell and/or, in the case of a compression system with an expander unit, also used for the expander unit.
  • This method offers the advantage of reducing the number of sensors in the compaction system, thus saving costs and installation space. Additionally, or alternatively, redundant operation can be implemented between the measurement of physical quantities and the model-based determination of these quantities to increase reliability.
  • the process is a computer-implemented process, i.e., one, several or all steps of the process can be carried out, at least partially, by a computer or a data processing device, optionally a control device provided for the compression system or the fuel cell system.
  • the compression system may include a compressor, which may be configured to compress the gas flowing through the system.
  • the compression system may also include an expander unit, which may be configured to expand the gas flowing through the system.
  • the method can be applied to the compressor and/or the expander unit.
  • compression power is the power that results in the compression or expansion of the gas.
  • a fuel cell can be understood as a technical system designed to convert the chemical reaction energy of a fuel (optionally continuously supplied) and an oxidant (optionally air or oxygen) into electrical energy.
  • the fuel cell can be a hydrogen-oxygen fuel cell.
  • the dimensions of the fuel cell can be chosen to make it suitable for use in or on a motor vehicle.
  • the electrical energy generated by the fuel cell can be used to propel the vehicle.
  • the mass flow rate can be understood as the mass flow rate of the compressed or expanded gas.
  • An electric machine can be understood as an electric motor designed to drive the compression system by means of a power output, referred to herein as (electric machine) output power.
  • the (electric machine) output power refers to the output power of the driving electric machine.
  • the procedure can include determining the output power.
  • the torque of the electric machine can be determined from the AC current of an inverter.
  • the power delivered by the electric machine, or the output power can be determined.
  • Other methods for determining the output torque, output speed, or output power of the electric machine are also possible.
  • the first calculation model can determine the compaction power by setting the output power equal to the compaction power.
  • the first calculation model can also consider a power loss determined based on predetermined physical boundary conditions, in addition to the output power.
  • compression power can be understood as the power available for compressing (or expanding) the gas in the compressor (or expander unit). Depending on the complexity of the model, this can differ from output power by subtracting any mechanical power losses, such as friction losses that may occur in the compression system, and by considering a compression efficiency.
  • a less complex approach for the first calculation model can involve completely neglecting losses, so that the output power equals the compression power.
  • a more complex approach for the first calculation model can involve incorporating physical boundary conditions, such as power loss maps for friction and compression losses.
  • the second calculation model can additionally determine the mass flow rate based on an input temperature of the gas at an input of the compression system and an output temperature of the gas at an output of the compression system.
  • the second calculation model can additionally determine the mass flow rate based on an inlet temperature of the gas at an inlet of the compression system and a pressure ratio.
  • the pressure ratio can specify a relationship between an inlet pressure of the gas at the inlet of the compression system and an outlet pressure of the gas at an outlet of the compression system.
  • One approach for the second, less complex calculation model involves determining the mass flow rate in the compressor under the assumption of an adiabatic process.
  • an adiabatic process it is assumed that no heat transfer occurs into or out of the system. While heat losses can occur in real systems, such as an (air) compressor, these can be considered small compared to the total energy flow. Therefore, some thermodynamic processes can be approximated by an adiabatic process.
  • the mass flow rate can be deduced from the compression power using the physical boundary conditions of the temperatures at the compressor inlet and outlet. This allows the compression system to be reduced by one mass flow sensor, or the mass flow rate can be redundantly determined through measurement and model-based approximation.
  • the mass flow rate can be determined as a function of the pressure ratio between the compressor inlet and outlet, assuming isentropic compression.
  • the approach for the second calculation model can be made arbitrarily complex, for example by abandoning the assumption of an adiabatic process and conducting a detailed thermal analysis. Provided the mass flow rate at the compression system is known, the The above-mentioned low-complexity approach can also be applied to other physical quantities, such as the temperature at the compressor inlet and/or compressor outlet and/or the pressure ratio.
  • the procedure may include determining, and optionally measuring, the inlet pressure and/or the outlet pressure of the gas.
  • the procedure may include determining, and optionally measuring, the input temperature and/or the output temperature of the gas.
  • the procedure can include automated monitoring of a mass flow sensor of the compaction system based on the determined mass flow rate.
  • a data processing device which includes means for carrying out the procedure described above.
  • the device is designed to perform the procedure described above.
  • the device may be connected to, or be connectable to, appropriate sensors and/or actuators, or may include them.
  • the device is connected or connectable to a sensor designed to measure the speed sensor of the electric machine.
  • the device is connected or connectable to a sensor designed to measure the inlet pressure and/or the outlet pressure of the gas.
  • the device is connected or connectable to a sensor designed to measure the input temperature and/or the output temperature of the gas.
  • the device could, for example, be an electronic control unit (ECU).
  • the electronic control unit could be an intelligent, processor-controlled unit, which might be connected, for example, via a central gateway (CGW). It can communicate with other modules of the vehicle and, if necessary, form the vehicle's electrical system via fieldbuses such as CAN bus, LIN bus, MOST bus, FlexRay, and/or Automotive Ethernet, e.g., together with telematics control units and/or environmental sensors. It is conceivable that the device receives information from the vehicle's electrical system regarding the speed of the electric motor, the inlet and/or outlet pressure of the gas, and/or the inlet and/or outlet temperature of the gas.
  • CGW central gateway
  • the device controls the operation of the compression system and/or the fuel cell based on the specified mass flow rate.
  • a compression system which includes the data processing device described above.
  • the compression system together with the fuel cell, can be part of a motor vehicle.
  • the motor vehicle may be a passenger car, in particular an automobile, or a commercial vehicle, such as a truck and/or a bus.
  • a computer program comprising commands that, when executed by a computer, cause it to carry out the procedure described above is provided.
  • the program code of the computer program can be in any type of code, optionally in a code suitable for controlling compaction systems.
  • the computer-readable medium contains instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the procedure described above.
  • the computer-readable medium can be any digital data storage device, such as a USB stick, a hard drive, a CD-ROM, an SD card or an SSD card (or SSD drive/SSD hard drive).
  • the computer program does not necessarily have to be stored on such a computer-readable storage medium in order to be made available to the computer, but can also be obtained via the Internet or other external sources.
  • the computer-readable medium can therefore also be a data signal that includes instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the procedure described above.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system of a motor vehicle
  • Fig. 2 schematically shows a flow diagram of a method for determining the mass flow rate of a gas flowing through a compression system of a fuel cell of a motor vehicle
  • the fuel cell system 10 of a motor vehicle 100 shown schematically in Figure 1, comprises a compression system 1 and a fuel cell 2 connected thereto.
  • the fuel cell 2 comprises a cathode 21 and an anode 22.
  • An oxidizing agent or gas (symbolized by the solid arrow in Figure 1), e.g., air, flows through the compression system 1 and then through the cathode 21 of the fuel cell 2.
  • a fuel (symbolized by the dashed arrow in Figure 1) flows through the anode 22 of the fuel cell 2.
  • the compression system 1 comprises a compressor 11 for compressing the gas, an electric machine 12 for driving the compressor 11, a control device 13 for controlling the electric machine 12 and the compressor 11, and a sensor system 14.
  • the sensor system 14 includes a speed sensor 141 for measuring the rotational speed HEM of the electric machine 12.
  • the sensor system 14 includes a temperature sensor 141 for measuring the inlet temperature of the gas at the inlet 11 1 of the compressor 11.
  • the sensor system 14 includes a temperature sensor 142 for measuring the inlet temperature Tein of the gas at the inlet 111 of the compressor 11.
  • the sensor system 14 includes a pressure sensor 143 for measuring the inlet pressure p e in of the gas at the inlet 111 of the compressor 11.
  • the sensor system 14 includes a further temperature sensor 145 for measuring the outlet temperature Taus of the gas at the outlet 1 12 of the compressor 11.
  • the sensor system 14 includes a further pressure sensor 144 for measuring an outlet pressure The gas flow at the outlet 112 of the compressor 11 is measured. Not all of the sensors 141-145 need to be provided, as will be shown in the following description. It is also conceivable that a mass flow sensor 146 is provided to measure the mass flow mverd in the compressor 11.
  • the compression system 1 is designed to carry out the method for determining the mass flow rate of the gas flowing through the compression system 1, which is described in detail below, also with reference to Figure 2.
  • an output power PEM.Ab from the electric machine 12 is supplied directly or indirectly to the control device 13. It is conceivable that the speed sensor 141 measures the rotational speed HEM of the electric machine 12 and outputs this to the control device 13 to determine the output power PEM.Ab.
  • control device 13 determines a compression power Pverd with which the compressor 11 compresses the gas, based on the output power PEM.Ab by means of a first calculation model 200.
  • the first calculation model 200 can be used to determine the compaction power Pverd and the drive power PEM. The following values can be used to equalize the compaction power Pverd:
  • the first calculation model 200 can determine the compaction power Pverd in addition to the discharge power PEM.Ab, based on predetermined physical boundary conditions Phys. RB, taking into account the power loss PLOSS:
  • the (predetermined) physical boundary conditions Phys. RB or corresponding measured values can be measured by the sensor system 14 and output to the control device 13.
  • the control device 13 determines the mass flow rate mverd of the gas based on the determined compression power Pverd using a second calculation model 300.
  • the second calculation model 300 can additionally determine the mass flow rate mverd based on an input temperature Tein of the gas at an input of the compressor 11 and an output temperature Taus of the gas at an output of the compressor 11:
  • the second calculation model 300 can additionally determine the mass flow rate mverd based on the inlet temperature Tein of the gas at the inlet of the compressor 11 and a pressure ratio p r , where the pressure ratio specifies a ratio between an inlet pressure pein of the gas at the inlet of the compressor 11 and an outlet pressure p aus of the gas at an outlet of the compressor 11:
  • the control device 13 can acquire the information required for the second calculation model 300 from the sensor system 14. That is, in the third step S3, the inlet pressure p ⁇ sub>e ⁇ /sub> can be measured with the pressure sensor 143, the outlet pressure p ⁇ sub> aus ⁇ /sub> can be measured with the additional pressure sensor 144, the inlet temperature T ⁇ sub>in ⁇ /sub> can be measured with the temperature sensor 142, and the outlet temperature Taus can be measured with the additional temperature sensor 145.
  • the mass flow sensor 146 of the compression system 1 can be automatically monitored using the control device 13 based on the determined mass flow mverd.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms (mverd) eines durch ein Verdichtungssystem (1 ) einer Brennstoffzelle (2) eines Kraftfahrzeugs (100) strömenden Gases. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen (81 ) einer Abtriebsleistung (REM, Ab) einer Elektromaschine (12) des Verdichtungssystems (1 ); ein Bestimmen (82) einer Verdichtungsleistung (Pverd), mit der das Verdichtungssystem (1 ) das Gas verdichtet, basierend auf der Abtriebsleistung (REM, Ab) mittels eines ersten Berechnungsmodells (200); und ein Bestimmen (S3) des Massenstroms (mverd) basierend auf der Verdichtungsleistung (Pverd) mittels eines zweiten Berechnungsmodells (300).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN EINES MASSENSTROMS EINES VERDICHTUNGSSYSTEMS EINER BRENNSTOFFZELLE
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms eines durch ein Verdichtungssystem einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs strömenden Gases. Die vorliegende Offenbarung betrifft ein entsprechendes Computerprogramm und ein computer-lesbares Medium. Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, die ausgestaltet ist, um das Verfahren auszuführen. Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verdichtungssystem mit der Vorrichtung zur Datenverarbeitung.
Für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (eng. Fuel Cell Stack, FCS) werden in der Regel ein oder ggf. mehrere Verdichtungssysteme benötigt, beispielsweise um eine Kathodenseite des Brennstoffzellensystems mit einem verdichteten Oxidationsmittel zu versorgen. Dabei können unterschiedlich technisch ausgeprägte Verdichtungssysteme zum Einsatz kommen, wie z. B. Radialverdichter.
Ein Verdichtungssystem kann als ein thermodynamisches System angesehen werden, für dessen Betrieb und Regelung mehrere physikalische Größen überwacht werden. Herkömmlicherweise erfordert dies den Einsatz von Messtechnik mit einer Vielzahl von Sensoren. Beispielweise bei mobiler Anwendung von Brennstoffzellen, wie im Bereich von Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen, sollte ein Brennstoffzellensystem jedoch möglichst kostengünstig, kompakt und zuverlässig ausgeführt sein.
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren anzugeben, die jeweils geeignet sind, den Stand der Technik zu bereichern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die nebengeordneten Ansprüche und die Unteransprüche haben jeweils optionale Weiterbildungen der Offenbarung zum Inhalt. Danach wird die Aufgabe durch ein computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms eines durch ein Verdichtungssystem einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs strömenden Gases (optional Luft) gelöst. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Abtriebsleistung einer Elektromaschine des Verdichtungssystems. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Verdichtungsleistung, mit der das Verdichtungssystem das Gas verdichtet, basierend auf der Abtriebsleistung mittels eines ersten Berechnungsmodells. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen des Massenstroms basierend auf der Verdichtungsleistung mittels eines zweiten Berechnungsmodells.
Mit anderen Worten, mithilfe mathematischer Berechnungen kann von der Abtriebsleistung der Elektromaschine des Verdichtungssystems näherungsweise auf andere physikalische Parameter des Systems, wie beispielsweise den herrschende Massenstrom geschlossen werden. Dazu kann mithilfe zweier Berechnungsmodelle zunächst von der Abtriebsleistung der Elektromaschine auf die Verdichtungsleistung (erstes Berechnungsmodell) und anschließend von der Verdichtungsleistung auf den vorherrschenden Massenstrom (zweites Berechnungsmodell) geschlossen werden. Dabei können je nach Systemkenntnis und benötigter Genauigkeit der Näherung beliebig komplexe Modellansätze gewählt werden. Das erste und das zweite Berechnungsmodell können in Soft- und/oder Hardware implementiert sein.
Das heißt, es wird eine modellbasierte Ermittlung von physikalischen Größen eines Verdichtungssystems auf Grundlage thermodynamischer Zusammenhänge und optional basierend auf Messwerten weiterer physikalischer Größen vorgeschlagen. Genauer gesagt kann eine modellbasierte Ermittlung des Massenstroms des Verdichters bzw. des Verdichtungssystems anhand einer benötigten Elektromaschinenabtriebsleistung erfolgen. Optional können auch weitere physikalische Messgrößen des Verdichtungssystems modellbasiert ermittelt werden. Dadurch können je nach mathematischer Abbildung weitere Zustandsgrößen, wie beispielsweise eine relative Luftfeuchte, eine Stickstoffkonzentration in der Luft und/oder eine Eintrittstemperatur der Luft bzw. des Gases ermittelt werden.
Das Verfahren kann auf eine Verdichtung eines Oxidationsmittels an einer Kathoden- seite der Brennstoffzelle angewandt werden und/oder, im Falle eines Verdichtungssystems mit Expandereinheit, auch für die Expandereinheit genutzt werden. Das Verfahren kann den Vorteil bieten, dass einzelne Sensoren im Verdichtungssystem und somit Kosten und Bauraum eingespart werden können. Zusätzlich, oder alternativ, kann ein redundanter Betrieb zwischen der Messung physikalischer Größen und der modellbasierten Ermittlung dieser Größen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit realisiert werden.
Bei dem Verfahren handelt es sich um ein computer-implementiertes Verfahren, d. h. einer, mehrere oder alle Schritte des Verfahrens können zumindest teilweise von einem Computer bzw. einer Vorrichtung zur Datenverarbeitung, optional einer für das Verdichtungssystem oder das Brennstoffzellensystem vorgesehenen Steuervorrichtung, ausgeführt werden.
Das Verdichtungssystem kann einen Verdichter aufweisen, der ausgestaltet sein kann, um das durch das Verdichtungssystem strömende Gas zu verdichten. Das Verdichtungssystem kann, wie oben beschrieben, zusätzlich eine Expandereinheit aufweisen, die ausgestaltet sein kann, um das durch das Verdichtungssystem strömende Gas zu expandieren. Das Verfahren kann auf den Verdichter und/oder die Expandereinheit angewendet werden. Die zum Verdichten bzw. Expandieren genutzte Leistung wird hierin als Verdichtungsleistung bezeichnet. Mit anderen Worten, bei der Verdichtungsleistung handelt es sich um die Leistung, die zur Verdichtung bzw. zum Expandieren des Gases führt.
Unter einer Brennstoffzelle kann ein technisches System verstanden werden, das ausgestaltet ist, um chemische Reaktionsenergie eines, optional kontinuierlich, zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels (optional Luft bzw. Sauerstoff) in elektrische Energie umzuwandeln. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle handeln. Die Abmessungen der Brennstoffzelle können so gewählt werden, dass diese zum Einsatz in oder an einem Kraftfahrzeug geeignet sind.
Die mittels der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie kann zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
Unter dem Massenstrom kann der Massenstrom des verdichteten bzw. expandierten Gases verstanden werden. Unter einer Elektromaschine kann ein Elektromotor verstanden werden, der ausgestaltet ist, um das Verdichtungssystem mittels einer dazu abgegebenen Leistung, hierin als (Elektromaschinen) Abtriebsleistung bezeichnet, anzutreiben. Mit anderen Worten, die (Elektromaschinen-) Abtriebsleistung bezeichnet die Abtriebsleistung der antreibenden Elektromaschine.
Das Verfahren kann ein Bestimmen der Abtriebsleistung umfassen. Dazu kann über den AC-Strom eines Inverters der Elektromaschine ein Drehmoment der Elektromaschine bestimmt werden. In Kombination mit der Kenntnis der Maschinendrehzahl (bspw. gemessen mittels eines Drehzahlsensors), kann die von der Elektromaschine abgegebene Leistung bzw. die (Elektromaschinen-) Abtriebsleistung bestimmt werden. Auch andere Möglichkeiten zur Bestimmung des Abtriebsmoments, der Abtriebsdrehzahl oder der Abtriebsleistung der Elektromaschine sind möglich.
Das erste Berechnungsmodell kann zum Bestimmen der Verdichtungsleistung die Abtriebsleistung gleich der Verdichtungsleistung setzen. Alternativ kann das erste Berechnungsmodell zum Bestimmen der Verdichtungsleistung neben der Abtriebsleistung eine basierend auf vorbestimmten physikalischen Randbedingungen bestimme Verlustleistung berücksichtigen.
Wie bereits oben beschrieben kann unter der Verdichtungsleistung die Leistung verstanden werden, welche zur Verdichtung (bzw. zum Expandieren) des Gases in dem Verdichter (bzw. der Expandereinheit) zur Verfügung steht. Dabei kann sich diese, je nach Komplexität des Modellansatzes, von der Abtriebsleistung durch die Subtraktion etwaiger mechanischer Verlustleistungen, wie beispielsweise Reibungsverluste, die im Verdichtungssystem auftreten können, sowie durch die Berücksichtigung eines Kompressions-Wirkungsgrads, unterscheiden. Ein Ansatz für das erste Berechnungsmodell mit geringer Komplexität kann dabei die vollständige Vernachlässigung von Verlusten darstellen, sodass die Abtriebsleistung gleich der Verdichtungsleistung ist. Ein weiterer Ansatz für das erste Berechnungsmodell mit höherer Komplexität kann die Einbeziehung physikalischer Randbedingungen, wie beispielsweise Verlustleistungskennfelder für Reibung und Kompressionsverluste, darstellen. Das zweite Berechnungsmodell kann den Massenstrom zusätzlich basierend auf einer Eingangstemperatur des Gases an einem Eingang des Verdichtungssystems und einer Ausgangstemperatur des Gases an einem Ausgang des Verdichtungssystems bestimmen.
Alternativ kann das zweite Berechnungsmodell den Massenstrom zusätzlich basierend auf einer Eingangstemperatur des Gases an einem Eingang des Verdichtungssystems und einem Druckverhältnis bestimmen. Das Druckverhältnis kann ein Verhältnis zwischen einem Eingangsdruck des Gases an dem Eingang des Verdichtungssystems und einem Ausgangsdruck des Gases an einem Ausgang des Verdichtungssystems angeben.
Das heißt, auch zur Ermittlung des Massenstroms des Gases können Modellansätze verschieden hoher Komplexität gewählt werden.
Ein Ansatz für das zweite Berechnungsmodell mit geringer Komplexität stellt die Ermittlung des Massenstroms im Verdichter unter der Annahme eines adiabaten Prozesses dar. Bei einem adiabaten Prozess wird angenommen, dass keine Wärmeübertragung in das oder aus dem System erfolgt. In realen Systemen, wie beispielsweise einem (Luft-) Verdichter, können zwar Wärmeverluste auftreten, diese können jedoch im Vergleich zum Gesamtenergiefluss als gering angenommen werden. Aufgrund dessen können einige thermodynamische Prozesse näherungsweise durch einen adiabaten Prozess abgebildet werden. Es kann somit von der Verdichtungsleistung mithilfe der physikalischen Randbedingung der Temperaturen am Verdichtereingang und Verdichterausgang auf den Massenstrom geschlossen werden. Somit kann das Verdichtungssystem um einen Massenstromsensor reduziert werden, oder aber der Massenstrom redundant über Messung und modellbasierte Näherung abgeglichen werden. In einem weiteren Ansatz kann, beispielsweise wenn die Temperatur am Verdichterausgang nicht bekannt ist, unter der Annahme einer isentropen Verdichtung der Massenstrom in Abhängigkeit des Druckverhältnisses zwischen Verdichtereingang und Verdichterausgang ermittelt werden. Es sei angemerkt, dass der Ansatz für das zweite Berechnungsmodell beliebig komplex ausgeführt werden kann, indem beispielsweise die Annahme eines adiabaten Prozesses fallen gelassen und eine detaillierte Wärmeuntersuchung durchgeführt wird. Vorausgesetzt der Massenstrom am Verdichtungssystem ist bekannt, kann mit dem oben aufgeführten Ansatz geringer Komplexität auch auf andere physikalische Größen, wie z. B. der Temperatur am Verdichtereingang und/oder Verdichterausgang und/oder das Druckverhältnis, geschlossen werden
Das Verfahren kann ein Bestimmen, optional ein Messen, des Eingangsdrucks und/oder des Ausgangsdrucks des Gases umfassen.
Das Verfahren kann ein Bestimmen, optional ein Messen, der Eingangstemperatur und/oder der Ausgangstemperatur des Gases umfassen.
Das Verfahren kann ein automatisiertes Überwachen eines Massenstromsensors des Verdichtungssystems basierend auf dem bestimmten Massenstrom umfassen.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung bereitgestellt, die Mittel zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens umfasst.
Mit anderen Worten, die Vorrichtung ist ausgestaltet, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dazu kann die Vorrichtung zu entsprechender Sensorik und/oder Aktorik verbunden bzw. verbindbar sein oder diese umfassen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung zu einem Sensor verbunden bzw. verbindbar ist, der ausgestaltet ist, um die Drehzahlsensor der Elektromaschine zu messen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung zu einem Sensor verbunden bzw. verbindbar ist, der ausgestaltet ist, um den Eingangsdruck und/oder den Ausgangsdruck des Gases zu messen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung zu einem Sensor verbunden bzw. verbindbar ist, der ausgestaltet ist, um die Eingangstemperatur und/oder die Ausgangstemperatur des Gases zu messen.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine elektronische Steuereinheit (engl. ECU = electronic control unit) handeln. Die elektronische Steuereinheit kann eine intelligente prozessorgesteuerte Einheit sein, die z. B. über ein Central Gateway (CGW) mit anderen Modulen des Kraftfahrzeugs kommunizieren kann und die ggf. über Feldbusse, wie den CAN-Bus, LIN-Bus, MOST-Bus, FlexRay und/oder über das Automo- tive-Ethernet, z. B. zusammen mit Telematiksteuergeräten und/oder einer Umfeldsensorik, das Fahrzeugbordnetz bilden kann. Denkbar ist, dass die Vorrichtung Informationen betreffend die Drehzahl der Elektromaschine, den Eingangsdruck und/oder den Ausgangsdruck des Gases, und/oder die Eingangstemperatur und/oder die Ausgangstemperatur des Gases aus dem Bordnetz erhält.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung den Betrieb des Verdichtungssystem und/oder der Brennstoffzelle basierend auf dem bestimmten Massenstrom steuert.
Insofern hierin von einem Steuern die Rede ist, so kann darunter sowohl ein Steuern ohne Rückführgröße als auch ein Steuern mit Rückführgröße, also ein Regeln, verstanden werden.
Das oben mit Bezug zum Verfahren Beschriebene gilt analog auch für die Vorrichtung und umgekehrt.
Ferner wird ein Verdichtungssystem bereitgestellt, das die oben beschriebene Vorrichtung zur Datenverarbeitung umfasst.
Das Verdichtungssystem kann, zusammen mit der Brennstoffzelle, Teil eines Kraftfahrzeugs sein.
Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, insbesondere ein Automobil, oder ein Nutzfahrzeug, wie z. B. einen Lastkraftwagen und/oder einen Bus, handeln.
Das oben mit Bezug zum Verfahren und zur Vorrichtung Beschriebene gilt analog auch für das Verdichtungssystem und umgekehrt.
Ferner wird ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren aus- bzw. durchzuführen, bereitgestellt. Ein Programmcode des Computerprogramms kann in einem beliebigen Code vorliegen, optional in einem Code, der für Steuerungen von Verdichtungssystemen geeignet ist.
Das oben mit Bezug zum Verfahren, zur Vorrichtung und zum Verdichtungssystem Beschriebene gilt analog auch für das Computerprogramm und umgekehrt.
Ferner wird ein computerlesbares Medium, optional ein computerlesbares Speichermedium, bereitgestellt. Das computerlesbare Medium umfasst Befehle, die bei der Ausführung der Befehle durch einen Computer diesen dazu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren aus- bzw. durchzuführen.
Das heißt, es kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, das ein oben definiertes Computerprogramm umfasst.
Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich um ein beliebiges digitales Datenspeichergerät handeln, wie zum Beispiel einen USB-Stick, eine Festplatte, eine CD-ROM, eine SD-Karte oder eine SSD-Karte (bzw. SSD-Laufwerk/SSD-Festplatte).
Das Computerprogramm muss nicht zwingend auf einem solchen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein, um dem Computer zur Verfügung gestellt zu werden, sondern kann auch über das Internet oder anderweitig extern bezogen werden.
Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich folglich auch um ein Datensignal handeln, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung der Befehle durch einen Computer diesen dazu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren aus- bzw. durchzuführen.
Das oben mit Bezug zum Verfahren, zur Vorrichtung, zum Verdichtungssystem und zum Computerprogramm Beschriebene gilt analog auch für das computerlesbare Medium und umgekehrt.
Nachfolgend wird eine optionale Ausführungsform mit Bezug zu Figuren 1 bis 3 beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs,
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Massenstroms eines durch ein Verdichtungssystem einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs strömenden Gases, und
Fig. 3 zeigt schematisch und in Alleinstellungen einen Verdichter, eine Elektromaschine und ein Sensorsystem eines Verdichtungssystems des in Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystems.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 10 eines nur schematisch angedeuteten Kraftfahrzeugs 100 umfasst ein Verdichtungssystem 1 und eine dazu verbundene Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 umfasst eine Kathode 21 und eine Anode 22. Ein Oxidationsmittel bzw. Gas (symbolisiert durch den Pfeil in Figur 1 mit durchgezogener Linie), z. B. Luft, strömt durch das Verdichtungssystem 1 und anschließend durch die Kathode 21 der Brennstoffzelle 2. Ein Brennstoff (symbolisiert durch den Pfeil in Figur 1 mit gestrichelter Linie) strömt durch die Anode 22 der Brennstoffzelle 2.
Das Verdichtungssystem 1 weist einen Verdichter 11 zum Verdichten des Gases, eine Elektromaschine 12 zum Antreiben des Verdichters 11 , eine Steuervorrichtung 13 zum Steuern der Elektromaschine 12 und des Verdichters 11 sowie ein Sensorsystem 14 auf.
Wie sich aus Figur 3 ergibt, weist das Sensorsystem 14 einen Drehzahlsensor 141 zum Messen einer Drehzahl HEM der Elektromaschine 12 auf. Das Sensorsystem 14 weist einen Temperatursensor 141 zum Messen einer Eingangstemperatur des Gases am Eingang 11 1 des Verdichters 11 auf. Das Sensorsystem 14 weist einen Temperatursensor 142 zum Messen einer Eingangstemperatur Tein des Gases am Eingang 111 des Verdichters 11 auf. Das Sensorsystem 14 weist einen Drucksensor 143 zum Messen eines Eingangsdruckes pein des Gases am Eingang 111 des Verdichters 11 auf. Das Sensorsystem 14 weist einen weiteren Temperatursensor 145 zum Messen einer Ausgangstemperatur Taus des Gases am Ausgang 1 12 des Verdichters 11 auf. Das Sensorsystem 14 weist einen weiteren Drucksensor 144 zum Messen eines Ausgangsdruckes Paus des Gases am Ausgang 112 des Verdichters 11 auf. Nicht alle der Sensoren 141 - 145 müssen vorgesehen sein, wie sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt. Denkbar ist auch, dass ein Massenstromsensor 146 zum Messen des Massenstroms mverd im Verdichter 11 vorgesehen ist.
Das Verdichtungssystem 1 ist ausgestaltet, um das nachfolgend im Detail auch mit Bezug zu Figur 2 beschriebene Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms des durch das Verdichtungssystem 1 strömenden Gases auszuführen.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird der Steuervorrichtung 13 eine Abtriebsleistung PEM.Ab der Elektromaschine 12 direkt oder indirekt bereitgestellt. Denkbar ist, dass der Drehzahlsensor 141 die Drehzahl HEM der Elektromaschine 12 misst und diese zur Bestimmung der Abtriebsleistung PEM.Ab an die Steuervorrichtung 13 ausgibt.
In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens bestimmt die Steuervorrichtung 13 eine Verdichtungsleistung Pverd, mit der der Verdichter 11 das Gas verdichtet, basierend auf der Abtriebsleistung PEM.Ab mittels eines ersten Berechnungsmodells 200.
Das erste Berechnungsmodell 200 kann zum Bestimmen der Verdichtungsleistung Pverd die Abtriebsleistung PEM.Ab gleich der Verdichtungsleistung Pverd setzen:
PEM.Ab = Pverd (1 )
Das erste Berechnungsmodell 200 kann zum Bestimmen der Verdichtungsleistung Pverd neben der Abtriebsleistung PEM.Ab eine basierend auf vorbestimmten physikalischen Randbedingungen Phys. RB bestimme Verlustleistung PLOSS berücksichtigen:
Pverd ^EM,Ab ^Loss (2)
Die (vorbestimmten) physikalischen Randbedingungen Phys. RB bzw. dazu korrespondierende Messwerte können von dem Sensorsystem 14 gemessen und an die Steuervorrichtung 13 ausgegeben werden. In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens bestimmt die Steuervorrichtung 13 den Massenstrom mverd des Gases basierend auf der bestimmten Verdichtungsleistung Pverd mittels eines zweiten Berechnungsmodells 300.
Das zweite Berechnungsmodell 300 kann den Massenstrom mverd zusätzlich basierend auf einer Eingangstemperatur Tein des Gases an einem Eingang des Verdichters 11 und einer Ausgangstemperatur Taus des Gases an einem Ausgang des Verdichters 11 bestimmen:
Alternativ kann das zweite Berechnungsmodell 300 den Massenstrom mverd zusätzlich basierend auf der Eingangstemperatur Tein des Gases an dem Eingang des Verdichters 11 und einem Druckverhältnis pr bestimmen, wobei das Druckverhältnis ein Verhältnis zwischen einem Eingangsdruck pein des Gases an dem Eingang des Verdichters 11 und einem Ausgangsdruck paus des Gases an einem Ausgang des Verdichters 11 angibt:
Wobei Cp die Wärmekapazität des Gases angibt und K der Isentropenexponent des Gases ist.
Die für das zweite Berechnungsmodell 300 benötigten Informationen kann die Steuervorrichtung 13 von dem Sensorsystem 14 erfassen. Das heißt, in dem dritten Schritt S3 kann ein Messen des Eingangsdrucks pein mit dem Drucksensor 143, ein Messen des Ausgangsdrucks paus mit dem weiteren Drucksensor 144, ein Messen der Eingangstemperatur Tein mit dem Temperatursensor 142 und ein Messen der Ausgangstemperatur Taus mit dem weiteren Temperatursensor 145 erfolgen.
In einem vierten Schritt S4 des Verfahrens kann mittels der Steuervorrichtung 13 ein automatisiertes Überwachen des Massenstromsensors 146 des Verdichtungssystems 1 basierend auf dem bestimmten Massenstrom mverd erfolgen. Bezugszeichen
1 Verdichtungssystem
11 Verdichter
111 Eingang
112 Ausgang
12 Elektromaschine
13 Steuervorrichtung
14 Sensorsystem
141 Drehzahlsensor
142, 145 Temperatursensor
143, 144 Drucksensor
146 Massenstromsensor
2 Brennstoffzelle
21 Kathode
22 Anode
10 Brennstoffzellensystem
100 Kraftfahrzeug
200 erstes Berechnungsmodell
300 zweites Berechnungsmodell
PEM.Ab Abtriebsleistung der antreibenden Elektromaschine
Pverd Verdichtungsleistung des Verdichtungssystems
P LOSS Verlustleistung mverd Massenstrom des verdichteten Gases
P LOSS Verlustleistung in Verdichtungssystem (z. B. durch Reibung, Kompressionsverluste etc.)
Tein Eingangstemperatur des Gases
Taus Ausgangstemperatur des Gases
Pein Eingangsdruck des Gases Paus Ausgangsdruck des Gases pr Druckverhältnis nEM Drehzahl der Elektromaschine
51 Bereitstellen der Abtriebsleistung
52 Bestimmen der Verdichtungsleistung
53 Bestimmen des Massenstroms
54 Überwachen des Massenstromsensors

Claims

Patentansprüche
1. Computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms (mverd) eines durch ein Verdichtungssystem (1 ) einer Brennstoffzelle (2) eines Kraftfahrzeugs (100) strömenden Gases, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst:
- Bereitstellen (S1 ) einer Abtriebsleistung (PEM.Ab) einer Elektromaschine (12) des Verdichtungssystems (1 ),
- Bestimmen (S2) einer Verdichtungsleistung (Pverd), mit der das Verdichtungssystem (1 ) das Gas verdichtet, basierend auf der Abtriebsleistung (PEM.Ab) mittels eines ersten Berechnungsmodells (200), und
- Bestimmen (S3) des Massenstroms (mverd) basierend auf der Verdichtungsleistung (Pverd) mittels eines zweiten Berechnungsmodells (300).
2. Computer-implementiertes Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Berechnungsmodell (200) zum Bestimmen (S2) der Verdichtungsleistung (Pverd):
- die Abtriebsleistung (PEM.Ab) gleich der Verdichtungsleistung (Pverd) setzt, oder
- neben der Abtriebsleistung (PEM.Ab) eine basierend auf vorbestimmten physikalischen Randbedingungen (Phys. RB) bestimme Verlustleistung (PLOSS) berücksichtigt.
3. Computer-implementiertes Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Berechnungsmodell (300) den Massenstrom (mverd) zusätzlich basierend auf einer Eingangstemperatur (Tein) des Gases an einem Eingang (111 ) des Verdichtungssystems (1 ) und einer Ausgangstemperatur (Taus) des Gases an einem Ausgang (112) des Verdichtungssystems (1 ) bestimmt.
4. Computer-implementiertes Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Berechnungsmodell (300) den Massenstrom (mverd) zusätzlich basierend auf einer Eingangstemperatur (Tein) des Gases an einem Eingang (111 ) des Verdichtungssystems (1 ) und einem Druckverhältnis (pr) bestimmt, wobei das Druckverhältnis (pr) ein Verhältnis zwischen einem Eingangsdruck (pein) des Gases an dem Eingang (111 ) des Verdichtungssystems (1 ) und einem Ausgangsdruck (paus) des Gases an einem Ausgang (112) des Verdichtungssystems (1 ) angibt.
5. Computer-implementiertes Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Bestimmen (S3), optional ein Messen, des Eingangsdrucks (Pein) und/oder des Ausgangsdrucks (paus) des Gases umfasst.
6. Computer-implementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Bestimmen (S3), optional Messen, der Eingangstemperatur (Tein) und/oder, soweit auf Anspruch 3 rückbezogen, der Ausgangstemperatur (Taus) des Gases umfasst.
7. Computer-implementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein automatisiertes Überwachen (S4) eines Massenstromsensors (146) des Verdichtungssystems (1 ) basierend auf dem bestimmten Massenstrom (mverd) umfasst.
8. Vorrichtung zur Datenverarbeitung (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Datenverarbeitung (13) Mittel zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
9. Verdichtungssystem (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungssystem (1 ) die Vorrichtung zur Datenverarbeitung (13) nach Anspruch 8 umfasst.
10. Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm bzw. das computerlesbare Medium Befehle umfassen, die bei der Ausführung des Computerprogramms bzw. der Befehle durch einen Computer (13) diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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