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DE102023108221A1 - Method and device for operating an oxidant conveyor of a fuel cell system - Google Patents

Method and device for operating an oxidant conveyor of a fuel cell system Download PDF

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Publication number
DE102023108221A1
DE102023108221A1 DE102023108221.3A DE102023108221A DE102023108221A1 DE 102023108221 A1 DE102023108221 A1 DE 102023108221A1 DE 102023108221 A DE102023108221 A DE 102023108221A DE 102023108221 A1 DE102023108221 A1 DE 102023108221A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
current
motor
oxidant
fuel cell
mass flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023108221.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Zheng Zhou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103, 400) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100), wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst. Die Vorrichtung (103, 400) ist eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) einen Sollwert (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist, sowie anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) einen Sollwert (404) für den Strom zum Betrieb des Motors (310) zu ermitteln. Die Vorrichtung (103, 400) ist ferner eingerichtet, einen Grenzindikator (423) zu ermitteln, der angibt, ob die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird, und den Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423) zu betreiben.The technology disclosed here relates according to the invention to a device (103, 400) for operating an oxidant conveyor (205) of a fuel cell system (100), wherein the oxidant conveyor (205) comprises an electric motor (310) for driving the oxidant conveyor (205) for conveying oxidant (212). The device (103, 400) is designed to determine a target value (401) for the mass flow of oxidant (212) to be brought about by the oxidant conveyor (205) as a function of a power specification for the fuel cell system (100), and to determine a target value (404) for the current for operating the motor (310) using a mass flow controller (411) and on the basis of the target value (401) for the mass flow of oxidant (212). The device (103, 400) is further configured to determine a limit indicator (423) which indicates whether the minimum speed (421) of the motor (310) is reached or undershot or the maximum speed (421) of the motor (310) is reached or exceeded, and to operate the motor (310) of the oxidant conveyor (205) using a current controller (412), on the basis of the setpoint value (404) for the current and taking into account the limit indicator (423).

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Reduzierung von Schwingungen der elektrischen Leitung eines Brennstoffzellensystems.The technology disclosed here relates to a method and a corresponding device for reducing vibrations in the electrical line of a fuel cell system.

Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, der eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden.An electrically powered vehicle can have a fuel cell stack with one or more fuel cells, which is designed to generate electrical energy for operating the electric drive motor of the vehicle based on a fuel, in particular based on hydrogen. The fuel for the fuel cell stack is typically fed from a pressure vessel to the fuel cell stack. The amount of fuel that is fed to the fuel cell stack can be changed by a valve.

Ferner wird dem Brennstoffzellenstapel typischerweise ein Oxidationsmittel, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt. Das Oxidationsmittel kann dem Brennstoffzellenstapel über einen Kompressor (allgemein über einen Oxidationsmittelförderer) zugeführt werden, wobei die Menge an zugeführtem Oxidationsmittel durch die Förderkapazität, insbesondere durch die Drehzahl, des Kompressors verändert werden kann, z.B. um die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung zu verändern.Furthermore, an oxidizing agent, in particular ambient air, is typically supplied to the fuel cell stack. The oxidizing agent can be supplied to the fuel cell stack via a compressor (generally via an oxidizing agent conveyor), wherein the amount of oxidizing agent supplied can be changed by the conveyor capacity, in particular by the speed, of the compressor, e.g. in order to change the electrical power generated by the fuel cell stack.

Die effektive Leistung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel kann anhand der Regelung des von dem Oxidationsmittelförderer geförderten Massenstroms an Oxidationsmittel eingestellt werden. In diesem Zusammenhang kann eine Regelung der Drehzahl des Oxidationsmittelförderers und basierend darauf eine Regelung des Stroms für den Betrieb der elektrischen Maschine bzw. des Motors des Oxidationsmittelförderers durchgeführt werden. Dabei kann es, insbesondere bei relativ abrupten Änderungen der angeforderten Soll-Leistung bzw. der Leistungsvorgabe des Brennstoffzellensystems, zu ungewünschten Schwingungen der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten Ist-Leistung kommen.The effective power of a fuel cell system with a fuel cell stack can be adjusted by controlling the mass flow of oxidant conveyed by the oxidant conveyor. In this context, the speed of the oxidant conveyor can be controlled and, based on this, the current for operating the electric machine or the motor of the oxidant conveyor can be controlled. This can lead to undesirable oscillations in the actual power provided by the fuel cell system, particularly in the case of relatively abrupt changes in the requested target power or the power specification of the fuel cell system.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, in effizienter Weise einen stabilen und präzisen Betrieb eines Brennstoffzellensystems ohne Schwingungen der von dem System bereitgestellten elektrischen Leistung zu bewirken.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. It is a preferred object of the technology disclosed here to efficiently effect a stable and precise operation of a fuel cell system without oscillations in the electrical power provided by the system.

Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.The problem(s) is/are solved by the subject matter of the independent patent claims. The dependent claims represent preferred embodiments.

Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Der Oxidationsmittelförderer umfasst einen elektrischen Motor zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers, sodass durch den Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel gefördert wird. Der Oxidationsmittelförderer kann ein Kompressor sein. Der Motor kann ein oder mehrere (insbesondere drei) Phasen aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der Motor eine Drehstrommaschine und/oder eine Synchronmaschine umfassen, insbesondere sein. In einem weiteren Beispiel kann der Motor eine Gleichstrommaschine umfassen, insbesondere sein. According to one aspect, a device for operating an oxidant conveyor of a fuel cell system is described. The oxidant conveyor comprises an electric motor for driving the oxidant conveyor so that oxidant is conveyed by the oxidant conveyor. The oxidant conveyor can be a compressor. The motor can have one or more (in particular three) phases. Alternatively or additionally, the motor can comprise, in particular be, a three-phase machine and/or a synchronous machine. In a further example, the motor can comprise, in particular be, a direct current machine.

Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenstapel umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis des von dem Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittels (z.B. auf Basis von Luft, insbesondere Sauerstoff) und auf Basis eines Brennstoffs (z.B. auf Basis von Wasserstoff, insbesondere H2) elektrische Energie (insbesondere einen elektrischen Strom) zu erzeugen. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels kann von dem Massenstrom an Oxidationsmittel abhängen. Ferner kann die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung von der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels und von der Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers abhängen. Die Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers kann somit Teil der effektiven elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems sein (und die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels reduzieren bzw. erhöhen).The fuel cell system can comprise a fuel cell stack that is designed to generate electrical energy (in particular an electric current) based on the oxidant conveyed by the oxidant conveyor (e.g. based on air, in particular oxygen) and based on a fuel (e.g. based on hydrogen, in particular H 2 ). The electrical power of the fuel cell stack can depend on the mass flow of oxidant. Furthermore, the electrical power provided by the fuel cell system can depend on the electrical power of the fuel cell stack and on the consumption or recuperation power of the oxidant conveyor. The consumption or recuperation power of the oxidant conveyor can thus be part of the effective electrical power of the fuel cell system (and reduce or increase the electrical power of the fuel cell stack).

Die Vorrichtung ist eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (d.h. für die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten elektrischen Leistung) einen Sollwert für den Massenstrom an Oxidationsmittel zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer zu bewirken ist. Der Sollwert für den Massenstrom kann anhand eines Modells ermittelt werden, der den Zusammenhang zwischen Massenstrom und elektrischer Leistung angibt.The device is designed to determine a target value for the mass flow of oxidizing agent to be effected by the oxidizing agent conveyor as a function of a power specification for the fuel cell system (i.e. for the electrical power provided by the fuel cell system). The target value for the mass flow can be determined using a model that indicates the relationship between mass flow and electrical power.

Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, anhand eines Massenstromreglers und auf Basis des Sollwertes für den Massenstrom an Oxidationsmittel einen Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom zum Betrieb des Motors zu ermitteln. Dabei kann insbesondere der Sollwert für den Querstrom im dq-Koordinatensystem des Motors (z.B. eines Drehstrommotors bzw. einer Drehstrommaschine) ermittelt werden. Bei Verwendung eines Gleichstrommotors kann der Sollwert für den Ankerstrom des Ankers des Gleichstrommotors ermittelt werden.Furthermore, the device can be set up to determine a target value for the (torque-giving and/or torque-generating) current for operating the motor using a mass flow controller and on the basis of the target value for the mass flow of oxidizing agent. In particular, the target value for the cross-current can be determined in the dq coordinate system of the motor (e.g. a three-phase motor or a three-phase machine). When using a DC current motor, the setpoint for the armature current of the armature of the DC motor can be determined.

Der Massenstromregler kann ausgebildet sein, auf Basis des Massenstrom-Regelfehlers, insbesondere auf Basis der Abweichung des Istwertes des Massenstroms an Oxidationsmittel von dem Sollwert des Massenstroms an Oxidationsmittel, direkt, insbesondere ohne Verwendung eines Drehzahlreglers zur Regelung der Drehzahl des Motors, den Sollwert des (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Stroms zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann der Massenstromregler ausgebildet sein, den Sollwert des Stroms direkt als Stellgröße für den Betrieb des Motors des Oxidationsmittelförderers zur Einstellung des Sollwertes des Massenstroms an Oxidationsmittel bereitzustellen.The mass flow controller can be designed to determine the setpoint value of the (torque-giving and/or torque-generating) (cross) current directly, in particular without using a speed controller to regulate the speed of the motor, on the basis of the mass flow control error, in particular on the basis of the deviation of the actual value of the mass flow of oxidizing agent from the setpoint value of the mass flow of oxidizing agent. Alternatively or additionally, the mass flow controller can be designed to provide the setpoint value of the current directly as a manipulated variable for the operation of the motor of the oxidizing agent conveyor for setting the setpoint value of the mass flow of oxidizing agent.

Der Sollwert des (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Stroms (und damit des Drehmoments des Motors) wird somit bevorzugt direkt durch den Massenstromregler ermittelt, um eine besonders dynamische und schwingungsfreie Einstellung der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu bewirken.The setpoint value of the (torque-giving and/or torque-generating) (cross-) current (and thus the torque of the motor) is thus preferably determined directly by the mass flow controller in order to achieve a particularly dynamic and vibration-free adjustment of the electrical power of the fuel cell system.

Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, einen Grenzindikator zu ermitteln, der angibt, ob die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder ob die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Der Istwert der Drehzahl des Motors kann anhand eines Drehzahlsensors und/oder anhand eines Motormodells (z.B. bei Verwendung einer sensorlosen Regelung) ermittelt werden. Der Grenzindikator kann dann durch einen Vergleich des Istwertes der Drehzahl mit der Mindest- bzw. Maximaldrehzahl ermittelt werden.The device is further configured to determine a limit indicator that indicates whether the minimum speed of the motor is reached or undershot, or whether the maximum speed of the motor is reached or exceeded. The actual value of the speed of the motor can be determined using a speed sensor and/or using a motor model (e.g. when using a sensorless control). The limit indicator can then be determined by comparing the actual value of the speed with the minimum or maximum speed.

Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, den Motor des Oxidationsmittelförderers anhand eines Stromreglers, auf Basis des Sollwertes für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators zu betreiben. So kann die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems in dynamischer Weise und schwingungsfrei eingestellt werden.Furthermore, the device is designed to operate the motor of the oxidant feeder using a current regulator, based on the setpoint value for the (torque-giving and/or torque-generating) current and taking the limit indicator into account. In this way, the electrical power of the fuel cell system can be adjusted in a dynamic and vibration-free manner.

Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, den Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom, insbesondere im Rahmen des Betriebs des Stromreglers, zu ignorieren, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Andererseits kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom im Rahmen des Betriebs des Stromreglers zu berücksichtigen, insbesondere den Istwert des (Quer) Stroms anhand des Stromreglers auf den Sollwert des (Quer-) Stroms zu regeln, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Drehzahl des Motors (d.h. der Istwert der Drehzahl) größer als die Mindestdrehzahl und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl des Motors ist.The device can in particular be set up to ignore the setpoint value for the (torque-giving and/or torque-generating) current, in particular during operation of the current controller, if the limit indicator indicates that the minimum speed of the motor is reached or undershot, or that the maximum speed of the motor is reached or exceeded. On the other hand, the device can be set up to take into account the setpoint value for the (torque-giving and/or torque-generating) current during operation of the current controller, in particular to regulate the actual value of the (cross) current to the setpoint value of the (cross) current using the current controller if the limit indicator indicates that the speed of the motor (i.e. the actual value of the speed) is greater than the minimum speed and/or less than the maximum speed of the motor.

Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, anhand eines Drehzahlreglers einen alternativen Sollwert des Stroms zu ermitteln, um zu bewirken, dass die Drehzahl des Motors die Mindestdrehzahl nicht unterschreitet und/oder die Maximaldrehzahl nicht überschreitet.Alternatively or additionally, the device can be designed to determine an alternative setpoint value of the current using a speed controller in order to ensure that the speed of the motor does not fall below the minimum speed and/or does not exceed the maximum speed.

Es kann in Abhängigkeit von dem Grenzindikator der von dem Massenstromsensor ermittelte Sollwert des (Quer-) Stroms oder der von dem Drehzahlregler ermittelte alternative Sollwert des (Quer-) Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler verwendet werden. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, den von dem Massenstromsensor ermittelten Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler zu verwenden, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Drehzahl des Motors größer als die Mindestdrehzahl und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl des Motors ist. Andererseits kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler zu verwenden, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird.Depending on the limit indicator, the setpoint value of the (cross) current determined by the mass flow sensor or the alternative setpoint value of the (cross) current determined by the speed controller can be used as the setpoint specification for the current controller. The device can in particular be set up to use the setpoint value of the current determined by the mass flow sensor as the setpoint specification for the current controller if the limit indicator indicates that the speed of the motor is greater than the minimum speed and/or less than the maximum speed of the motor. On the other hand, the device can be set up to use the alternative setpoint value of the current determined by the speed controller as the setpoint specification for the current controller if the limit indicator indicates that the minimum speed of the motor is reached or undershot, or that the maximum speed of the motor is reached or exceeded.

So kann in besonders effizienter und zuverlässiger Weise eine schwingungsfreie Leistung des Brennstoffzellensystems bewirkt werden.In this way, vibration-free performance of the fuel cell system can be achieved in a particularly efficient and reliable manner.

Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem überschreitet. In Reaktion darauf kann durch eine kurzfristige Erhöhung des Sollwertes des Stroms bewirkt werden, dass die elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers erhöht wird, um die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung zu reduzieren.The device can be configured to detect that the electrical power provided by the fuel cell system exceeds the power specification for the fuel cell system. In response, a short-term increase in the setpoint value of the current can cause the electrical consumption power of the oxidant feeder to be increased in order to reduce the electrical power provided by the fuel cell system.

Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu detektieren, dass die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem unterschreitet. In Reaktion darauf kann durch eine kurzfristige Reduzierung des Sollwertes des Stroms, insbesondere durch Vorgabe eines negativen Sollwertes des Stroms, bewirkt werden, dass die elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers reduziert wird, insbesondere, dass von dem Motor des Oxidationsmittelförderers elektrische Energie rekuperiert wird, um die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung zu erhöhen.Alternatively or additionally, the device can be set up to detect that the electrical power provided by the fuel cell system falls below the power specification for the fuel cell system. In response to this, a short-term reduction in the setpoint value of the current, in particular by specifying a negative setpoint value of the current, can cause the electrical consumption power of the oxidant feeder to be reduced, in particular in particular, that electrical energy is recuperated from the oxidant feeder motor to increase the electrical power provided by the fuel cell system.

Die Vorrichtung kann somit ausgebildet sein, die Trägheit des Brennstoffzellenstapels zu nutzen, um kurzfristige Anpassungen der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu bewirken. So kann die Zuverlässigkeit der Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems weiter erhöht werden.The device can thus be designed to use the inertia of the fuel cell stack to effect short-term adjustments to the electrical power of the fuel cell system. In this way, the reliability of the power supply of the fuel cell system can be further increased.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.According to another aspect, a fuel cell system is described which comprises the device described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.According to a further aspect, a (road) motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the device described in this document and/or the fuel cell system described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei der Oxidationsmittelförderer einen elektrischen Motor zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers zur Förderung von Oxidationsmittel umfasst. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem, eines Sollwerts für den Massenstrom an Oxidationsmittel, der durch den Oxidationsmittelförderer zu bewirken ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, anhand eines Massenstromreglers auf Basis des Sollwertes für den Massenstrom an Oxidationsmittel und ohne Verwendung eines Drehzahlsensors eines Sollwerts für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Strom zum Betrieb des Motors.According to a further aspect, a method for operating an oxidant conveyor of a fuel cell system is described, wherein the oxidant conveyor comprises an electric motor for driving the oxidant conveyor to convey oxidant. The method comprises determining, depending on a power specification for the fuel cell system, a target value for the mass flow of oxidant to be brought about by the oxidant conveyor. The method further comprises determining, using a mass flow controller on the basis of the target value for the mass flow of oxidant and without using a speed sensor, a target value for the (torque-giving and/or torque-generating) (cross) current for operating the motor.

Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln eines Grenzindikators, der angibt, ob die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben des Motors des Oxidationsmittelförderers anhand eines Stromreglers, auf Basis des Sollwertes für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators.The method further comprises determining a limit indicator which indicates whether the minimum speed of the motor is reached or undershot or the maximum speed of the motor is reached or exceeded. The method further comprises operating the motor of the oxidant conveyor using a current controller, based on the setpoint value for the (torque-giving and/or torque-generating) current and taking the limit indicator into account.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a software (SW) program is described. The SW program can be configured to be executed on a processor (e.g. on a control unit of a vehicle) and thereby to carry out the method described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a storage medium is described. The storage medium can comprise a software program which is designed to be executed on a processor and thereby to carry out the method described in this document.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.It should be noted that the methods, devices and systems described in this document can be used alone or in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices and systems described in this document can be combined in many ways. In particular, the features of the claims can be combined in many ways. Furthermore, features listed in brackets are to be understood as optional features.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

  • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
  • 2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
  • 3 ein beispielhaftes Kathodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels;
  • 4a und 4b eine beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems; und
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum (schwingungsfreien) Betrieb eines Oxidationsmittelförderers.
The invention is described in more detail below using exemplary embodiments.
  • 1 an exemplary fuel cell system with a fuel cell stack;
  • 2 an example structure of a fuel cell;
  • 3 an exemplary cathode subsystem of a fuel cell stack;
  • 4a and 4b an exemplary device for operating an oxidant conveyor of a fuel cell system; and
  • 5 a flow chart of an exemplary method for the (vibration-free) operation of an oxidant conveyor.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und zuverlässigen Vermeidung von Schwingungen der Systemleistung eines Brennstoffzellensystems. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H2), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.As stated at the beginning, this document deals with the efficient and reliable prevention of oscillations in the system performance of a fuel cell system. In this context, 1 a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 102 with at least one fuel cell 101. The fuel cell system 100 is intended for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing electrical energy for at least one electric drive motor for moving a motor vehicle. A fuel cell 101 is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidizing agent into reaction products and thereby produces electricity and heat. A fuel cell 101 comprises (as in 2 shown) an anode 201 and a cathode 202, which are separated by an ion-selective or ion-permeable separator 203. The anode 201 is supplied with fuel 211. Preferred fuels 211 are: What hydrogen (H 2 ), low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode 202 is supplied with oxidizing agent 212. Preferred oxidizing agents 212 are: air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator 203 can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). A cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.

Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung kann von einer (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 gesteuert und/oder geregelt werden. In diesem Zusammenhang kann der Massenstrom an Brennstoff 211 und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Brennstoffzellenstapel 102 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch einen Kompressor, eingestellt und/oder verändert werden.In addition to the at least one fuel cell 101, a fuel cell system 100 comprises peripheral system components (BOP components) that can be used in the operation of the at least one fuel cell 101. As a rule, several fuel cells 101 are combined to form a fuel cell stack 102. Furthermore, the fuel cell system 100 typically comprises at least one pressure vessel, in particular a pressure tank, 110, which can be used to provide the fuel 211 for the one or more fuel cells 101. The pressure vessel 110 is connected to the one or more fuel cells 101 via one or more lines 112. The electrical power provided by the fuel cell stack 102 can be controlled and/or regulated by a (control) device 103 of the fuel cell system 100. In this context, the mass flow of fuel 211 and/or the mass flow of oxidizing agent 212 in the fuel cell stack 102 can be controlled and/or regulated. The mass flow of oxidizing agent 212 can be adjusted and/or changed by an oxidizing agent conveyor 205, in particular by a compressor.

Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.The anode 201 and the cathode 202 of a fuel cell 101 or a fuel cell stack 102 can be connected to contact parts 204. An operating voltage is typically present between the contact parts 204 (e.g., approximately 1V for a fuel cell 101) and a current can be provided. By connecting several fuel cells 101 in series (i.e., by providing a stack or fuel cell stack 102), the operating voltage of the fuel cell stack 102 can be increased.

Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.The fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 generally each comprise two separator plates (not shown). The ion-selective separator 203 of a fuel cell 101 is generally arranged between two separator plates. One separator plate forms the anode 201 together with the ion-selective separator 203. The further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator 203 forms the cathode 202 together with the ion-selective separator 203. Gas channels for fuel 211 or for oxidizing agent 212 are preferably provided in the separator plates.

Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.The separator plates can be designed as monopolar plates and/or as bipolar plates. In other words, a separator plate expediently has two sides, wherein one side together with an ion-selective separator 203 forms the anode 201 of a first fuel cell 101 and wherein the second side together with a further ion-selective separator 203 of an adjacent second fuel cell 101 forms the cathode 202 of the second fuel cell 101.

Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.Between the ion-selective separators 203 and the separator plates, so-called gas diffusion layers or gas diffusion layers (GDL) are usually provided.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in 3 dargestellt, ein Kathodensubsystem 300 (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten), das von den oxidationsmittelführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Das Kathodensubsystem 300 kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens einen zum Kathodeneinlass 322 führenden Kathodenversorgungspfad, mindestens einen vom Kathodenauslass 323 wegführenden Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum 320 im Brennstoffzellenstapel 102 und/oder weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems 300 ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums 320 und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212.The fuel cell system 100 comprises, as exemplified in 3 shown, a cathode subsystem 300 (with one or more cathode-side components) which is formed by the oxidant-carrying components of the fuel cell system 100. The cathode subsystem 300 can have at least one oxidant conveyor 205, at least one cathode supply path leading to the cathode inlet 322, at least one cathode exhaust path leading away from the cathode outlet 323, a cathode chamber 320 in the fuel cell stack 102 and/or other elements. The main task of the cathode subsystem 300 is to supply and distribute oxidant 212 to the electrochemically active surfaces of the cathode chamber 320 and to remove unused oxidant 212.

Das Kathodensubsystem 300 kann auf dem Kathodenversorgungspfad einen Einlass 311 für Oxidationsmittel 212 (z.B. für Umgebungsluft) umfassen. Das Oxidationsmittel 212 kann dann in einem (Luft-) Filter 301 gefiltert werden, bevor das Oxidationsmittel 212 zu dem Oxidationsmittelförderer 205 geleitet wird. Der Oxidationsmittelförderer 205 kann durch einen (elektrischen) Motor bzw. durch eine elektrische Maschine 310 angetrieben werden. Der Motor bzw. die elektrische Maschine 310 kann ein oder mehrere Motorlager aufweisen, die mit Oxidationsmittel 212 betrieben werden (anstatt mit Schmiermittel), um Verunreinigungen des Kathodensubsystems 300 und/oder des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden. Das Oxidationsmittel 212 für den Betrieb des Motors 310 kann über einen Lagerpfad 314 aus dem Kathodenversorgungspfad entnommen werden.The cathode subsystem 300 may include an inlet 311 for oxidant 212 (e.g., ambient air) on the cathode supply path. The oxidant 212 may then be filtered in an (air) filter 301 before the oxidant 212 is directed to the oxidant conveyor 205. The oxidant conveyor 205 may be driven by an (electric) motor or machine 310. The motor or machine 310 may include one or more motor bearings that operate with oxidant 212 (instead of lubricant) to avoid contamination of the cathode subsystem 300 and/or the fuel cell stack 102. The oxidant 212 for operating the motor 310 may be removed from the cathode supply path via a bearing path 314.

Am Eingang 312 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 301 kann ein Massenstromsensor 302 angeordnet sein, der eingerichtet ist, Massenstrom-Messwerte in Bezug auf den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 am Eingang 312 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 301 zu erfassen (z.B. für eine Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers 205).A mass flow sensor 302 can be arranged at the inlet 312 of the oxidant conveyor 205 and/or at the outlet of the filter 301, which is configured to detect mass flow measured values in relation to the mass flow of oxidant 212 at the inlet 312 of the oxidant conveyor 205 and/or at the outlet of the filter 301 (eg for a mass flow control of the oxidant conveyor 205).

Das Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittel-Kühler 309 zu dem Kathodenraum 320 gefördert werden. Am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 309 kann eine Abzweigung von Oxidationsmittel 212 zu dem Lagerpfad 314 angeordnet sein. Von dem Massenstrom des Oxidationsmittels 212 am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 309 kann somit ein (relativ großer) Teil in den Kathodenraum 320 und ein (dazu komplementärer) Teil zu den ein oder mehreren Lagern des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 geführt werden. Der Teil des Oxidationsmittels 212 für die ein oder mehreren Lager des Motors 310 kann auf Basis eines Modells ermittelt werden (wobei das Modell z.B. von der Drehzahl des Motors 310 abhängt). So kann der verbleibende Massenstrom an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden, der dem Kathodenraum 320 zugeführt wird.The oxidizing agent 212 can be conveyed to the cathode chamber 320 through an oxidizing agent cooler 309. A branch of the oxidizing agent 212 to the bearing path 314 can be arranged at the outlet of the oxidizing agent cooler 309. A (relatively large) part of the mass flow of the oxidizing agent 212 at the outlet of the oxidizing agent cooler 309 can thus be guided into the cathode chamber 320 and a (complementary) part to the one or more bearings of the motor 310 of the oxidizing agent conveyor 205. The part of the oxidizing agent 212 for the one or more bearings of the motor 310 can be determined on the basis of a model (where the model depends, for example, on the speed of the motor 310). In this way, the remaining mass flow of oxidizing agent 212 that is supplied to the cathode chamber 320 can be determined.

An der Zuleitung 322 zu dem Kathodenraum 320 kann ein Eingangs- bzw. Zuleitungs-Ventil 307 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 320 zu steuern. Das Eingangs-Ventil 307 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass dem Kathodenraum 320 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr zugeführt wird. Andererseits kann das Eingangs-Ventil 307 geöffnet werden, um die Zuführung von Oxidationsmittel 212 zu dem Kathodenraum 320 und/oder zu dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.An inlet or supply valve 307 can be arranged on the supply line 322 to the cathode chamber 320, which is designed to control the mass flow of oxidizing agent 212 into the cathode chamber 320. The inlet valve 307 can be closed, for example, to ensure that no more oxidizing agent 212 is supplied to the cathode chamber 320 and/or the fuel cell stack 102. On the other hand, the inlet valve 307 can be opened to enable the supply of oxidizing agent 212 to the cathode chamber 320 and/or to the fuel cell stack 102.

Die Reaktionsproduktableitung 323 aus dem Kathodenraum 320 kann zu dem Auslass 319 des Kathodensubsystems 300 geleitet werden. Ferner kann das Kathodensubsystem 300 einen Bypasspfad 315 für Oxidationsmittel 212 aufweisen, der von dem Ausgang 313 des Oxidationsmittelförderers 205 zu dem Auslass 319 des Kathodensubsystems 300 verläuft, um überschüssiges Oxidationsmittel 212 (z.B. bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels 102) direkt aus dem Kathodensubsystems 300 leiten zu können. Auf dem Bypasspfad 315 kann ein Bypass-Ventil 306 (zur Steuerung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 auf dem Bypasspfad 315) angeordnet sein. Wenn das Bypass-Ventil 306 geöffnet ist, fließt ein Teil des Oxidationsmittels 212 am Ausgang 313 des Oxidationsmittelförderers 205 in die Zuleitung 316 zu dem Oxidationsmittel-Kühler 309 und ein komplementärer Teil in den Bypasspfad 315.The reaction product discharge 323 from the cathode chamber 320 can be directed to the outlet 319 of the cathode subsystem 300. Furthermore, the cathode subsystem 300 can have a bypass path 315 for oxidant 212, which runs from the outlet 313 of the oxidant conveyor 205 to the outlet 319 of the cathode subsystem 300 in order to be able to direct excess oxidant 212 (e.g. during start-up of the fuel cell stack 102) directly from the cathode subsystem 300. A bypass valve 306 (for controlling the mass flow of oxidant 212 on the bypass path 315) can be arranged on the bypass path 315. When the bypass valve 306 is opened, a portion of the oxidant 212 at the outlet 313 of the oxidant conveyor 205 flows into the supply line 316 to the oxidant cooler 309 and a complementary portion into the bypass path 315.

An der Ableitung 323 aus dem Kathodenraum 320 kann ein Ausgangs-Ventil 303 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 320 zu steuern. Das Ausgangs-Ventil 303 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass aus dem Kathodenraum 320 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr abgeführt wird. Andererseits kann das Ausgangs-Ventil 303 geöffnet werden, um die Abführung von Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 320 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.An outlet valve 303 can be arranged on the outlet 323 from the cathode chamber 320, which is designed to control the mass flow of oxidizing agent 212 from the cathode chamber 320. The outlet valve 303 can be closed, for example, to ensure that no more oxidizing agent 212 is discharged from the cathode chamber 320 and/or from the fuel cell stack 102. On the other hand, the outlet valve 303 can be opened to enable the discharge of oxidizing agent 212 from the cathode chamber 320 and/or from the fuel cell stack 102.

Zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 320 können die Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 302 verwendet werden, um den Istwert des Massenstroms zu ermitteln. Dabei kann der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 über den BypassPfad 315 und/oder über den Lagerpfad 314 berücksichtigt werden, um basierend auf dem Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 302 den Istwert des Massenstroms in den Kathodenraum 320 zu ermitteln.To control and/or regulate the mass flow of oxidizing agent 212 into the cathode chamber 320, the mass flow measurement values of the mass flow sensor 302 can be used to determine the actual value of the mass flow. The mass flow of oxidizing agent 212 via the bypass path 315 and/or via the storage path 314 can be taken into account in order to determine the actual value of the mass flow into the cathode chamber 320 based on the mass flow measurement values of the mass flow sensor 302.

Wie bereits weiter oben dargelegt, kann der von dem Brennstoffzellenstapel 102 erzeugte elektrische Strom für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Dabei kann der generierte Strom über einen (Gleichspannungs-) Wandler 120 auf das Spannungsniveau des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs gewandelt werden (z.B. auf ein Hochvolt-Niveau von 300V oder mehr). Ferner kann der gewandelte Strom in einem elektrischen Energiespeicher 121 gespeichert werden. Der Oxidationsmittelförderer 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann über das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit Strom versorgt werden. Mit anderen Worten, der Oxidationsmittelförderer 205 kann ein elektrischer Verbraucher innerhalb des Bordnetzes sein.As already explained above, the electrical current generated by the fuel cell stack 102 can be used to operate an electric drive machine of a motor vehicle. The generated current can be converted via a (DC voltage) converter 120 to the voltage level of the electrical system of the motor vehicle (e.g. to a high-voltage level of 300V or more). Furthermore, the converted current can be stored in an electrical energy storage device 121. The oxidant feeder 205 of the fuel cell system 100 can be supplied with power via the electrical system of the motor vehicle. In other words, the oxidant feeder 205 can be an electrical consumer within the electrical system.

Der Oxidationsmittelförderer 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann mit dem Regelungsziel betrieben werden, die Drehzahl des Oxidationsmittelförderers 205 auf einen bestimmten Sollwert einzustellen, um den (von dem Oxidationsmittelförderer 205 geförderten) Massenstrom an Oxidationsmittel 212 auf einen bestimmten Sollwert einzustellen. Der Sollwert für den Massenstrom hängt typischerweise von der elektrischen Soll-Leistung ab, die von dem Brennstoffzellenstapel 102 (z.B. für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine) und/oder von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellen ist.The oxidant conveyor 205 of the fuel cell system 100 can be operated with the control objective of setting the speed of the oxidant conveyor 205 to a specific setpoint in order to set the mass flow of oxidant 212 (conveyed by the oxidant conveyor 205) to a specific setpoint. The setpoint for the mass flow typically depends on the desired electrical power to be provided by the fuel cell stack 102 (e.g. for operating an electric drive machine) and/or by the fuel cell system 100.

Wie eingangs dargelegt, kann es bei der Einstellung, insbesondere bei der Regelung, der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 zu Schwingungen kommen, die insbesondere dadurch hervorgerufen werden, dass die Leistung indirekt über eine relativ große Anzahl von Regelgrößen, insbesondere den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, die Drehzahl des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 und den Strom des Motors 310, eingestellt, insbesondere geregelt, wird.As explained at the beginning, when adjusting, in particular when controlling, the power of a fuel cell system 100, oscillations can occur, which are caused in particular by the fact that the power is adjusted, in particular controlled, indirectly via a relatively large number of control variables, in particular the mass flow of oxidant 212, the speed of the motor 310 of the oxidant conveyor 205 and the current of the motor 310.

4a zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 400 zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205, insbesondere zum Betrieb des Motors 310 eines Oxidationsmittelförderers 205, bei der anhand eines Massenstromreglers 411 direkt der Sollwert 404 für den Strom, insbesondere für den Querstrom Iq, des Motors 310 ermittelt wird (ohne, dass dazu ein zusätzlicher Drehzahlregler zur Regelung der Drehzahl des Motors 310 verwendet wird). Auf Basis der Messwerte des Massenstromsensors 302 und/oder auf Basis eines Modells für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann der Istwert 402 des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden. Ferner kann auf Basis des Sollwertes für die von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellende elektrische Leistung ein Sollwert 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden. Aus der Differenz zwischen Sollwert 401 und Istwert 402 ergibt sich der Regelfehler 403 als Eingangswert für den Massenstromregler 411. 4a shows an exemplary device 400 for operating an oxidant conveyor 205, in particular for operating the motor 310 of an oxidant conveyor 205, in which the target value 404 for the current, in particular for the cross-current I q , of the motor 310 is determined directly using a mass flow controller 411 (without an additional speed controller being used to regulate the speed of the motor 310). The actual value 402 of the mass flow of oxidant 212 can be determined on the basis of the measured values of the mass flow sensor 302 and/or on the basis of a model for the mass flow of oxidant 212. Furthermore, a target value 401 for the mass flow of oxidant 212 can be determined on the basis of the target value for the electrical power to be provided by the fuel cell system 100. The difference between setpoint 401 and actual value 402 results in control error 403 as input value for mass flow controller 411.

Der Massenstromregler 411 kann einen PI (Proportional, Integral) Regler umfassen. Ferner kann der Massenstromregler 411 ausgebildet sein, auf Basis des Regelfehlers 403 direkt (als Stellgröße) den Sollwert 404 für den (Quer-) Strom des Motors 310 bereitzustellen.The mass flow controller 411 can comprise a PI (proportional, integral) controller. Furthermore, the mass flow controller 411 can be designed to provide the setpoint value 404 for the (cross) current of the motor 310 directly (as a manipulated variable) on the basis of the control error 403.

Die Vorrichtung 400 kann ferner einen Stromregler 412 (z.B. einen PI-Regler) umfassen (z.B. als Teil des Inverters 415 für den Betrieb des Motors 310), der eingerichtet ist, auf Basis des Regelfehlers 406 des (Quer-) Stroms als Stellgröße eine Steuerspannung 407 für den Betrieb des Motors 310 zu ermitteln (z.B. für ein oder mehrere Phasen des Motors 310). Der Regelfehler 406 kann als Differenz aus dem Sollwert 404 und dem Istwert 405 des (Quer-) Stroms ermittelt werden (wobei der Istwert 405 des Stroms anhand von ein oder mehreren Stromsensoren (für ein oder mehrere Phasen des Motors 310) ermittelt werden kann.The device 400 can further comprise a current controller 412 (e.g. a PI controller) (e.g. as part of the inverter 415 for operating the motor 310), which is set up to determine a control voltage 407 for operating the motor 310 (e.g. for one or more phases of the motor 310) based on the control error 406 of the (cross) current as a manipulated variable. The control error 406 can be determined as the difference between the setpoint value 404 and the actual value 405 of the (cross) current (where the actual value 405 of the current can be determined using one or more current sensors (for one or more phases of the motor 310).

Im Rahmen des Betriebs des Oxidationsmittelförderers 205 ist typischerweise zu beachten, dass eine Mindestdrehzahl des Motors 310 nicht unterschritten und/oder dass eine Maximaldrehzahl des Motors 310 nicht überschritten wird. 4b zeigt einen beispielhaften Grenzregler 420 (als Teil der Vorrichtung 400), der ausgebildet ist, auf Basis der Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 und auf Basis des Istwertes 422 der Drehzahl des Motors 310 (der z.B. anhand eines Drehzahlsensors ermittelt werden kann), einen Grenzindikator 423 zu ermitteln, der angibt, ob die Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 eingehalten (oder ggf. unter- bzw. überschritten) wird. Der Grenzindikator 423 kann z.B. von der Differenz zwischen der Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 und dem Istwert 422 der Drehzahl abhängen, oder dieser Differenz entsprechen.During operation of the oxidant conveyor 205, it is typically necessary to ensure that a minimum speed of the motor 310 is not undercut and/or that a maximum speed of the motor 310 is not exceeded. 4b shows an exemplary limit controller 420 (as part of the device 400) which is designed to determine a limit indicator 423 based on the minimum and/or maximum speed 421 and on the basis of the actual value 422 of the speed of the motor 310 (which can be determined using a speed sensor, for example), which indicates whether the minimum and/or maximum speed 421 of the motor 310 is maintained (or possibly exceeded or undershot). The limit indicator 423 can depend on the difference between the minimum and/or maximum speed 421 and the actual value 422 of the speed, or correspond to this difference.

Der Stromregler 412 kann ausgebildet sein, den Grenzindikator 423 bei der Einstellung des (Quer-) Stroms des Motors 310 zu berücksichtigen. Insbesondere kann durch den Stromregler 412 bewirkt werden, dass

  • • der (Quer-) Strom des Motors 310 nicht weiter erhöht wird, wenn der Grenzindikator 423 angibt, dass die Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 erreicht wurde; und/oder
  • • der (Quer-) Strom des Motors 310 nicht weiter reduziert wird, wenn der Grenzindikator 423 angibt, dass die Mindestdrehzahl 421 des Motors 310 erreicht wurde.
The current regulator 412 can be designed to take the limit indicator 423 into account when setting the (cross) current of the motor 310. In particular, the current regulator 412 can cause
  • • the (cross) current of the motor 310 is not increased further when the limit indicator 423 indicates that the maximum speed 421 of the motor 310 has been reached; and/or
  • • the (cross-) current of the motor 310 is not further reduced when the limit indicator 423 indicates that the minimum speed 421 of the motor 310 has been reached.

Es wird somit eine Vorrichtung 400 zum Betrieb des Motors 310 eines Oxidationsmittelförderers 205 beschrieben, durch die Schwingungen der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 in effizienter und zuverlässiger Weise vermieden werden können.Thus, a device 400 for operating the motor 310 of an oxidant feeder 205 is described, by means of which oscillations in the performance of a fuel cell system 100 can be avoided in an efficient and reliable manner.

Wie weiter oben dargelegt, kann durch den Inverter 415 eines Kompressors (allgemein eines Oxidationsmittelförderers) 205 eine Drehzahlregelung bewirkt werden, die die Aufgabe hat, eine jeweils vorgegebene Solldrehzahl aus einem Luftmassenstromregler 411 möglichst schnell mit einem Beschleunigungsmoment des Motors 310 (durch einen Querstrom) umzusetzen. Nach Erreichen der Solldrehzahl kann das Beschleunigungsmoment zurückgenommen werden, und es kann bewirkt werden, dass nur das Drehmoment zur Kompensation des Lastmoments gestellt wird.As explained above, the inverter 415 of a compressor (generally an oxidant conveyor) 205 can be used to control the speed, which has the task of converting a predetermined target speed from an air mass flow controller 411 as quickly as possible with an acceleration torque of the motor 310 (through a cross flow). After the target speed has been reached, the acceleration torque can be reduced and it can be ensured that only the torque is provided to compensate for the load torque.

Das dynamische Nachführen des Luftmassenstroms, insbesondere in einem Teillastbereich des Brennstoffzellensystems 100, führt typischerweise dazu, dass die Solldrehzahl ständig variiert und sofort durch den Drehzahlregler umgesetzt wird. Dies kann zu einer schwingenden Leistungsaufnahme des Kompressors 205, und somit zu einer schwingenden Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100 führen. Der Drehzahlregler manipuliert hochfrequent die Kompressorleistung für das Nachführen der Drehzahl, und prägt somit eine Störung auf die Systemleistung und/oder auf die Leistungsregelung des Brennstoffzellensystems 100 auf.The dynamic tracking of the air mass flow, particularly in a partial load range of the fuel cell system 100, typically results in the target speed constantly varying and being immediately implemented by the speed controller. This can lead to an oscillating power consumption of the compressor 205, and thus to an oscillating system performance of the fuel cell system 100. The speed controller manipulates the compressor performance at high frequency to track the speed, and thus imposes a disturbance on the system performance and/or on the power control of the fuel cell system 100.

Für die Luftregelung ist die exakte Nachführung der Drehzahl typischerweise nicht erforderlich, und es ist meist ausreichend, eine Beschleunigung und/oder Verzögerung des Kompressors 205 zu bewirken, um einen neuen Arbeitspunkt (Luftvorgabe) des Kompressors 205 zu erreichen. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung 400 zum Betrieb eines Kompressors 205 verzichtet auf die Verwendung eines Drehzahlreglers, um Schwingungen der Leistung des Brennstoffzellensystems 100 in effizienter und zuverlässiger Weise zu vermeiden.For air control, precise tracking of the speed is typically not necessary, and it is usually sufficient to accelerate and/or decelerate the compressor 205 in order to reach a new operating point (air specification) of the compressor 205. The device 400 described in this document for operating a compressor 205 dispenses with the use of a speed controller in order to avoid oscillations in the performance of the fuel cell system 100 in an efficient and reliable manner.

Der Kompressor 205 kann beim Start des Brennstoffzellensystems 100 mittels einer Drehzahlvorgabe bis zu der Mindestdrehzahl 421 beschleunigt werden. Zur Bereitstellung der Systemleistung kann der Luftregler 411 aktiviert werden, der den Luftbedarf zur Leistungsabgabe umsetzt. Der Luftregler 411 stellt direkt über den (Quer-) Strom des Kompressors 205 den gewünschten Luftmassenstrom ein. Der Wechsel eines Arbeitspunktes des Kompressors 205 wird dabei ausschließlich über das Kriterium „Sollluftmassenstrom einstellen“ bestimmt, sodass sich ein glatter Verlauf der Verbrauchsleistung des Kompressors 205 (und damit auch der Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100) ergibt.When the fuel cell system 100 is started, the compressor 205 can be accelerated to the minimum speed 421 by means of a speed setting. To provide the system power, the air regulator 411 can be activated, which converts the air requirement into power output. The air regulator 411 sets the desired air mass flow directly via the (cross) flow of the compressor 205. The change of an operating point of the compressor 205 is determined exclusively by the criterion "Set target air mass flow", so that a smooth progression of the consumption power of the compressor 205 (and thus also the system power of the fuel cell system 100) results.

Es kann über eine Grenzregelung 420 sichergestellt werden, dass die Mindest- und Maximaldrehzahl 421 des Kompressors 205 eingehalten werden. Bei einer relativ starken Verzögerung des Kompressors 205 durch den Luftregler 411 kann die Vorrichtung 400 (insbesondere der Stromregler 412) begrenzend eingreifen, wenn die Mindestdrehzahl 421 erreicht wird. Es kann dann die durch den Massenstromregler 411 bewirkte (externe) Querstromvorgabe 404 ignoriert werden. In entsprechender Weise kann bei einer relativ starken Beschleunigung des Kompressors 205 durch den Luftregler 411 eingegriffen werden, wenn die Maximaldrehzahl 421 erreicht wird. Es kann dann die durch den Massenstromregler 411 bewirkte (externe) Querstromvorgabe 404 ignoriert werden.A limit control 420 can be used to ensure that the minimum and maximum speeds 421 of the compressor 205 are maintained. If the compressor 205 is decelerated relatively strongly by the air regulator 411, the device 400 (in particular the flow regulator 412) can intervene to limit it when the minimum speed 421 is reached. The (external) cross-flow specification 404 caused by the mass flow regulator 411 can then be ignored. Similarly, if the compressor 205 is accelerated relatively strongly by the air regulator 411, the device 400 (in particular the flow regulator 412) can intervene to limit it when the maximum speed 421 is reached. The (external) cross-flow specification 404 caused by the mass flow regulator 411 can then be ignored.

Es wird somit ein Verfahren zur Verbesserung der Leistungsregelung in einem Brennstoffzellensystem 100 beschrieben. Dabei kann durch den Kompressorinverter 415 eine Drehzahl- und Querstromregelung unterstützt werden. Bei Bedarf kann ein Moduswechsel für die Regelung bewirkt werden. Ggf. kann bei Bedarf zwischen einer Drehzahlreglung und einer direkten Querstromregelung umgeschaltet werden. Die Drehzahlregelung kann vorübergehend bewirkt werden, um ein Unterschreiten der Mindestdrehzahl 421 oder ein Überschreiten der Maximaldrehzahl 421 zu vermeiden.A method for improving the power control in a fuel cell system 100 is thus described. The compressor inverter 415 can support speed and cross-flow control. If necessary, a mode change can be effected for the control. If necessary, it is possible to switch between speed control and direct cross-flow control. The speed control can be effected temporarily in order to avoid falling below the minimum speed 421 or exceeding the maximum speed 421.

Der Kompressorinverter 415 kann ausgebildet sein, während der Querstromregelung die Mindest- und Maximaldrehzahl 421 des Kompressors 205 zu überwachen. Bei Bedarf kann die externe Sollquerstromvorgabe 404 ignoriert werden, wenn die jeweilige Grenzdrehzahl 421 verletzt wird.The compressor inverter 415 can be designed to monitor the minimum and maximum speed 421 of the compressor 205 during cross-flow control. If necessary, the external target cross-flow specification 404 can be ignored if the respective limit speed 421 is violated.

Der Luftmassenstromregler 411 im Brennstoffzellensystem 100 kann direkt den Sollquerstrom 404 als Stellgröße verwenden, um den gewünschten Luftmassenstrom 401 umzusetzen.The air mass flow controller 411 in the fuel cell system 100 can directly use the desired cross flow 404 as a control variable to implement the desired air mass flow 401.

Im Rahmen des Betriebs des Kompressors 205 kann eine Einstellung der elektrischen Rekuperationsleistung des Kompressors 205 über den Querstrom bei der Regelung der Systemleistung in dem Brennstoffzellensystem 100 erfolgen. In Bezug auf die Regelung der Systemleistung kann bei einer Beschleunigung und/oder bei einer Verzögerung des Kompressors 205 der Querstrom als weiterer Leistungssteller genutzt werden. Bei einer positiven Abweichung in der Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100 kann die Verbraucherleistung (des Kompressors 205) durch Beschränkung des maximal möglichen Querstroms reduziert werden. Bei einer negativen Abweichung in der Systemleistung kann ein negativer Querstrom gestellt werden (wodurch der Kompressor 205 abgebremst wird), um generatorisch kurzzeitig Leistung zurückzugewinnen. Ein derartiger Betrieb ist typischerweise bei Verwendung einer Drehzahlregelung nicht umsetzbar.As part of the operation of the compressor 205, the electrical recuperation power of the compressor 205 can be adjusted via the cross-current when regulating the system power in the fuel cell system 100. With regard to regulating the system power, the cross-current can be used as an additional power controller when accelerating and/or decelerating the compressor 205. If there is a positive deviation in the system power of the fuel cell system 100, the consumer power (of the compressor 205) can be reduced by limiting the maximum possible cross-current. If there is a negative deviation in the system power, a negative cross-current can be set (which slows down the compressor 205) in order to briefly recover power in a generator manner. Such operation is typically not feasible when using a speed control.

Der Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere der Motor 310 des Oxidationsmittelförderers 205, kann somit dazu genutzt werden, in effizienter und zuverlässiger Weise Überschreitungen und/oder Unterschreitungen der Sollleistung des Brennstoffzellensystems auszugleichen.The oxidant feeder 205, in particular the motor 310 of the oxidant feeder 205, can thus be used to efficiently and reliably compensate for exceedances and/or undershoots of the target performance of the fuel cell system.

Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann die Regelstrecke zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205 verkürzt werden, wodurch die Dynamik der Luftregelung erhöht werden kann. Ferner kann ein Verhalten der Luftregelung und/oder ein Verlauf der Verbraucherleistung bewirkt werden, das bzw. der unabhängig von der Dimensionierung der Drehzahlregelung ist. Ferner können hochfrequente Leistungsänderung der Verbraucherleistung aufgrund des Drehzahlreglers vermieden werden. Des Weiteren wird eine vollständige Kontrolle der Leistung des Oxidationsmittelförderers 205 durch direkte Vorgabe des Querstroms und/oder des Drehmoments ermöglicht. Außerdem können eine Verbesserung der Leistungsregelung im Brennstoffzellensystem 100 und/oder eine Reduktion von Störungen in dem Hochvolt-Bordnetz bewirkt werden.The measures described in this document make it possible to shorten the control system for operating an oxidant feeder 205, which can increase the dynamics of the air control. Furthermore, a behavior of the air control and/or a curve of the consumer power can be achieved that is independent of the dimensioning of the speed control. Furthermore, high-frequency power changes in the consumer power due to the speed controller can be avoided. Furthermore, complete control of the power of the oxidant feeder 205 is made possible by directly specifying the cross-current and/or the torque. In addition, an improvement in the power control in the fuel cell system 100 and/or a reduction in interference in the high-voltage vehicle electrical system can be achieved.

5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 500 zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205 eines Brennstoffzellensystems 100, wobei der Oxidationsmittelförderer 205 einen elektrischen Motor 310 (insbesondere eine Synchronmaschine) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers 205 zur Förderung von Oxidationsmittel 212 umfasst. 5 shows a flow chart of an exemplary (possibly computer-implemented) method 500 for operating an oxidant conveyor 205 of a fuel cell system 100, wherein the oxidant conveyor 205 comprises an electric motor 310 (in particular a synchronous machine) for driving the oxidant conveyor 205 for conveying oxidant 212.

Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501, in Abhängigkeit von der Leistungsvorgabe für die von dem Brennstoffzellensystem 100 zu erbringende elektrische Leistung, eines Sollwerts 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, der durch den Oxidationsmittelförderer 205 zu bewirken ist. Der Sollwert 401 für den Massenstrom kann anhand eines Modells des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere des Brennstoffzellenstapels 102, ermittelt werden, das den Zusammenhang zwischen Massenstrom an Oxidationsmittel 212 und der elektrischen Leistung beschreibt.The method 500 includes determining 501, depending on the power specification for the electrical power to be provided by the fuel cell system 100, a target value 401 for the mass flow of oxidizing agent 212, which is to be brought about by the oxidizing agent conveyor 205. The target value 401 for the mass flow can be determined using a model of the fuel cell system 100, in particular the fuel cell stack 102, which describes the relationship between the mass flow of oxidizing agent 212 and the electrical power.

Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 502, anhand eines Massenstromreglers 411 und auf Basis des Sollwertes 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, eines Sollwerts 404 für einen Strom, insbesondere für den Querstrom Iq, zum Betrieb des Motors 310, insbesondere derart, dass der Istwert 402 des Massenstroms auf den Sollwert 401 des Massenstroms eingestellt, insbesondere geregelt, wird.Furthermore, the method 500 comprises determining 502, using a mass flow controller 411 and on the basis of the setpoint value 401 for the mass flow of oxidizing agent 212, a setpoint value 404 for a current, in particular for the cross-flow I q , for operating the motor 310, in particular such that the actual value 402 of the mass flow is set, in particular regulated, to the setpoint value 401 of the mass flow.

Das Verfahren 500 umfasst ferner das Ermitteln 503 eines Grenzindikators 423, der angibt, ob die Mindestdrehzahl 421 des Motors 310 erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 erreicht oder überschritten wird. Der Grenzindikator 423 kann auf Basis von Messwerten eines Drehzahlsensors des elektrischen Motors 310 ermittelt werden.The method 500 further includes determining 503 a limit indicator 423 that indicates whether the minimum speed 421 of the motor 310 is reached or undershot or the maximum speed 421 of the motor 310 is reached or exceeded. The limit indicator 423 can be determined based on measured values of a speed sensor of the electric motor 310.

Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Betreiben 504 des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 anhand eines Stromreglers 412, auf Basis des Sollwertes 404 für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators 423.The method 500 further includes operating 504 the motor 310 of the oxidant conveyor 205 using a current controller 412 based on the current setpoint 404 and taking into account the limit indicator 423.

Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können in effizienter und zuverlässiger Weise Schwingungen der Verbrauchsleistung eines Oxidationsmittelförderers 205 und (als Folge daraus) Schwingungen der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 vermieden werden, um einen besonders stabilen und schonenden Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zu bewirken.By means of the measures described in this document, oscillations in the consumption performance of an oxidant feeder 205 and (as a result) oscillations in the performance of a fuel cell system 100 can be avoided in an efficient and reliable manner in order to bring about a particularly stable and gentle operation of the fuel cell system 100.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are intended only to illustrate the principle of the proposed methods, devices and systems by way of example.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
Brennstoffzellensystemfuel cell system
101101
BrennstoffzelleFuel cell
102102
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
103103
(Steuer-) Vorrichtung(control) device
110110
Druckbehälterpressure vessel
112112
Brennstoffleitungfuel line
120120
GleichspannungswandlerDC-DC converter
121121
elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
201201
Anodeanode
202202
Kathodecathode
203203
Separatorseparator
204204
Kontaktteil (Elektrode)contact part (electrode)
205205
Oxidationsmittelförderer (Kompressor)oxidizer conveyor (compressor)
211211
Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)fuel (especially hydrogen)
212212
Oxidationsmittel (insbesondere Luft)oxidizing agents (especially air)
300300
Kathodensubsystemcathode subsystem
301301
Oxidationsmittelfilteroxidizer filter
302302
Massenstromsensormass flow sensor
303303
Ventilvalve
306306
Ventilvalve
307307
Ventilvalve
309309
Oxidationsmittel-Kühleroxidizer cooler
310310
Motor (Oxidationsmittelförderer)engine (oxidizer)
311311
Einlass (Kathodensubsystem)inlet (cathode subsystem)
312312
Eingang (Oxidationsmittelförderer)input (oxidant promoter)
313313
Ausgang (Oxidationsmittelförderer)output (oxidant promoter)
314314
Lagerpfadcamp path
315315
Bypasspfad (Oxidationsmittel)bypass path (oxidizer)
316316
Zuleitung zum Oxidationsmittel-Kühlersupply line to the oxidant cooler
319319
Auslass (Kathodensubsystem)outlet (cathode subsystem)
320320
Kathodenraumcathode compartment
322322
Kathodeneinlasscathode inlet
323323
Kathodenauslasscathode outlet
400400
Vorrichtung zum Betrieb des OxidationsmittelförderersDevice for operating the oxidant conveyor
401401
Sollwert für den Massenstrom an OxidationsmittelSetpoint for the mass flow of oxidizing agent
402402
Istwert für den Massenstrom an OxidationsmittelActual value for the mass flow of oxidizing agent
403403
Regelfehler des Massenstromstromreglerscontrol error of the mass flow controller
404404
Sollwert des Querstroms des Motors des OxidationsmittelförderersSetpoint of the cross current of the oxidant conveyor motor
405405
Istwert des Querstromsactual value of the cross current
406406
Regelfehler des Querstromreglerscontrol error of the cross-flow controller
407407
Steuerspannung an dem Motor des OxidationsmittelförderersControl voltage on the motor of the oxidant conveyor
411411
Massenstromreglermass flow controller
412412
Stromreglercurrent regulator
420420
Grenzregler für die Überwachung der Mindest- und/oder der Maximaldrehzahl des Motors des OxidationsmittelförderersLimit controller for monitoring the minimum and/or maximum speed of the oxidizer conveyor motor
421421
Mindest- oder Maximaldrehzahlminimum or maximum speed
422422
Istwert der Drehzahlactual value of the speed
423423
Grenzindikator für das Erreichen der Mindest- oder MaximaldrehzahlLimit indicator for reaching the minimum or maximum speed
500500
Verfahren zur Reduzierung von Leistungsschwingungen eines BrennstoffzellensystemsMethod for reducing power oscillations of a fuel cell system
501-504501-504
Verfahrensschritteprocedural steps

Claims (10)

Vorrichtung (103, 400) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst; wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) einen Sollwert (401) für einen Massenstrom an Oxidationsmittel (212) zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist; - anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) einen Sollwert (404) für einen Strom zum Betrieb des Motors (310) zu ermitteln; - einen Grenzindikator (423) zu ermitteln, der angibt, ob eine Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder eine Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und - den Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423) zu betreiben.Device (103, 400) for operating an oxidant conveyor (205) of a fuel cell system (100); wherein the oxidant conveyor (205) comprises an electric motor (310) for driving the oxidant conveyor (205) for conveying oxidant (212); wherein the device (103, 400) is designed to - determine a target value (401) for a mass flow of oxidant (212) to be effected by the oxidant conveyor (205) as a function of a power specification for the fuel cell system (100); - determine a target value (404) for a current for operating the motor (310) using a mass flow controller (411) and on the basis of the target value (401) for the mass flow of oxidant (212); - to determine a limit indicator (423) which indicates whether a minimum speed (421) of the motor (310) is reached or undershot or a maximum speed (421) of the motor (310) is reached or exceeded; and - to operate the motor (310) of the oxidant conveyor (205) using a current controller (412), on the basis of the setpoint value (404) for the current and taking into account the limit indicator (423). Vorrichtung (103, 400) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - den Sollwert (404) für den Strom, insbesondere im Rahmen eines Betriebs des Stromreglers (412), zu ignorieren, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und/oder - den Sollwert (404) für den Strom im Rahmen des Betriebs des Stromreglers (412) zu berücksichtigen, insbesondere einen Istwert (402) des Stroms anhand des Stromreglers (412) auf den Sollwert (404) des Stroms zu regeln, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass eine Drehzahl des Motors (310) größer als die Mindestdrehzahl (421) und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) ist.Device (103, 400) according to Claim 1 , wherein the device (103, 400) is set up - to ignore the setpoint value (404) for the current, in particular during operation of the current controller (412), if the limit indicator (423) indicates that the minimum speed (421) of the motor (310) is reached or undershot, or that the maximum speed (421) of the motor (310) is reached or exceeded; and/or - to take the setpoint value (404) for the current into account during operation of the current controller (412), in particular to regulate an actual value (402) of the current to the setpoint value (404) of the current using the current controller (412), if the limit indicator (423) indicates that a speed of the motor (310) is greater than the minimum speed (421) and/or less than the maximum speed (421) of the motor (310). Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massenstromregler (411) ausgebildet ist, - auf Basis eines Massenstrom-Regelfehlers (403), insbesondere auf Basis einer Abweichung eines Istwertes (402) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212) von dem Sollwert (401) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212), direkt, insbesondere ohne Verwendung eines Drehzahlreglers zur Regelung einer Drehzahl des Motors (310), den Sollwert (404) des Stroms zu ermitteln; und/oder - der Massenstromregler (411) ausgebildet ist, den Sollwert (404) des Stroms direkt als Stellgröße für den Betrieb des Motors (310) des Oxidationsmittelförderers (205) zur Einstellung des Sollwertes (401) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212) bereitzustellen.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein the mass flow controller (411) is designed to - determine the target value (404) of the flow directly, in particular without using a speed controller for controlling a speed of the motor (310), on the basis of a mass flow control error (403), in particular on the basis of a deviation of an actual value (402) of the mass flow of oxidizing agent (212) from the target value (401) of the mass flow of oxidizing agent (212); and/or - the mass flow controller (411) is designed to provide the target value (404) of the flow directly as a manipulated variable for the operation of the motor (310) of the oxidizing agent conveyor (205) for setting the target value (401) of the mass flow of oxidizing agent (212). Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - anhand eines Drehzahlreglers einen alternativen Sollwert des Stroms zu ermitteln, um zu bewirken, dass eine Drehzahl des Motors (310) die Mindestdrehzahl (421) nicht unterschreitet und/oder die Maximaldrehzahl (421) nicht überschreitet; und - in Abhängigkeit von dem Grenzindikator (423) den von dem Massenstromsensor (411) ermittelten Sollwert (404) des Stroms oder den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein the device (103, 400) is set up - to determine an alternative setpoint value of the current using a speed controller in order to ensure that a speed of the motor (310) does not fall below the minimum speed (421) and/or does not exceed the maximum speed (421); and - depending on the limit indicator (423), to use the setpoint value (404) of the current determined by the mass flow sensor (411) or the alternative setpoint value of the current determined by the speed controller as the setpoint specification for the current controller (412). Vorrichtung (103, 400) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - den von dem Massenstromsensor (411) ermittelten Sollwert (404) des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Drehzahl des Motors (310) größer als die Mindestdrehzahl (421) und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) ist; und/oder - den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird.Device (103, 400) according to claim 4 , wherein the device (103, 400) is set up to - use the setpoint value (404) of the current determined by the mass flow sensor (411) as the setpoint specification for the current controller (412) if the limit indicator (423) indicates that the speed of the motor (310) is greater than the minimum speed (421) and/or less than the maximum speed (421) of the motor (310); and/or - use the alternative setpoint value of the current determined by the speed controller as the setpoint specification for the current controller (412) if the limit indicator (423) indicates that the minimum speed (421) of the motor (310) is reached or fallen below, or that the maximum speed (421) of the motor (310) is reached or exceeded. Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Motor (310) mehrere Phasen aufweist und/oder eine Synchronmaschine umfasst; und - die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, den Sollwert (404) eines Querstroms in einem dq-Koordinatensystem zu ermitteln, und anhand des Stromreglers (412) einen Istwert (405) des Querstroms in Abhängigkeit von dem Sollwert (404) des Querstroms einzustellen, insbesondere zu regeln.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein - the motor (310) has several phases and/or comprises a synchronous machine; and - the device (103, 400) is set up to determine the target value (404) of a cross-current in a dq coordinate system and to set, in particular to regulate, an actual value (405) of the cross-current as a function of the target value (404) of the cross-current using the current controller (412). Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - zu detektieren, dass eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) überschreitet; und - in Reaktion darauf durch eine kurzfristige Erhöhung des Sollwertes (404) des Stroms zu bewirken, dass eine elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) erhöht wird, um die von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung zu reduzieren.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein the device (103, 400) is configured to - detect that an electrical power provided by the fuel cell system (100) exceeds the power specification for the fuel cell system (100); and - in response thereto, by briefly increasing the setpoint value (404) of the current, cause an electrical consumption power of the oxidant feeder (205) to be increased in order to reduce the electrical power provided by the fuel cell system (100). Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - zu detektieren, dass eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) unterschreitet; und - in Reaktion darauf durch eine kurzfristige Reduzierung des Sollwertes (404) des Stroms, insbesondere durch Vorgabe eines negativen Sollwertes (404) des Stroms, zu bewirken, dass eine elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) reduziert wird, insbesondere, dass von dem Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) elektrische Energie rekuperiert wird, um die von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung zu erhöhen.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein the device (103, 400) is configured to - detect that an electrical power provided by the fuel cell system (100) falls below the power specification for the fuel cell system (100); and - in response thereto, by a short-term reduction in the setpoint value (404) of the current, in particular by specifying a negative setpoint value (404) of the current, to cause an electrical consumption power of the oxidant conveyor (205) to be reduced, in particular that electrical energy is recuperated by the motor (310) of the oxidant conveyor (205) in order to increase the electrical power provided by the fuel cell system (100). Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (102) umfasst, der eingerichtet ist, auf Basis von dem Oxidationsmittelförderer (205) geförderten Oxidationsmittel (212) und auf Basis eines Brennstoffs (211) elektrische Energie zu erzeugen; - eine elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels (102) von dem Massenstrom an Oxidationsmittel (212) abhängt; und - eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung von der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels (102) und von einer Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) abhängt.Device (103, 400) according to one of the preceding claims, wherein - the fuel cell system (100) comprises a fuel cell stack (102) which is designed to generate electrical energy on the basis of oxidant (212) conveyed by the oxidant conveyor (205) and on the basis of a fuel (211); - an electrical power of the fuel cell stack (102) depends on the mass flow of oxidant (212); and - an electrical power provided by the fuel cell system (100) depends on the electrical power of the fuel cell stack (102) and on a consumption or recuperation power of the oxidant conveyor (205). Verfahren (500) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst; wobei das Verfahren (500) umfasst, - Ermitteln (501), in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100), eines Sollwerts (401) für einen Massenstrom an Oxidationsmittel (212), der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist; - Ermitteln (502), anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212), eines Sollwerts (404) für einen Strom, insbesondere für einen drehmomentbildenden Strom, zum Betrieb des Motors (310); - Ermitteln (503) eines Grenzindikators (423), der angibt, ob eine Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder eine Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und - Betreiben (504) des Motors (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom, insbesondere für den drehmomentbildenden Strom, und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423).Method (500) for operating an oxidant conveyor (205) of a fuel cell system (100); wherein the oxidant conveyor (205) comprises an electric motor (310) for driving the oxidant conveyor (205) for conveying oxidant (212); wherein the method (500) comprises, - determining (501), depending on a power specification for the fuel cell system (100), a target value (401) for a mass flow of oxidant (212) to be effected by the oxidant conveyor (205); - determining (502), using a mass flow controller (411) and on the basis of the target value (401) for the mass flow of oxidant (212), a target value (404) for a current, in particular for a torque-generating current, for operating the motor (310); - determining (503) a limit indicator (423) which indicates whether a minimum speed (421) of the motor (310) is reached or undershot or a maximum speed (421) of the motor (310) is reached or exceeded; and - operating (504) the motor (310) of the oxidant conveyor (205) using a current controller (412), on the basis of the setpoint value (404) for the current, in particular for the torque-generating current, and taking into account the limit indicator (423).
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