DE102007051816A1

DE102007051816A1 - Rückkopplungsbasierte Steuerung einer PEM-Brennstoffzelle zum Schutz bei hoher Temperatur

Info

Publication number: DE102007051816A1
Application number: DE102007051816A
Authority: DE
Inventors: Jason R. Kolodziej; David A. Arthur; Seth E. Lerner; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: CN101222063A; US20080124596A1; DE102007051816B4; CN100583528C; JP2008117776A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, das einen Algorithmus zur Begrenzung des aus einem Brennstoffzellenstapel ausgegebenen Stroms unter Verwendung einer Rückkopplung während eines Betriebs des Stapels bei einer hohen Temperatur anwendet. Das System umfasst einen PID-Regler, der ein Fehlersignal empfängt, das die Differenz zwischen der Kühlfluidausgangstemperatur aus dem Stapel und einem vorbestimmten Temperaturwert ist. Der Algorithmus detektiert, ob die Kühlfluidausgangstemperatur über einen vorbestimmten Temperaturwert steigt und berechnet, wenn dem so ist, eine proportionale Verstärkungsfaktorkomponente und eine integrale Verstärkungsfaktorkomponente, welche die proportionalen und integralen Verstärkungsfaktoren des PID-Reglers einstellen. Auf der Grundlage der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente, der integralen Verstärkungsfaktorkomponente und des Fehlersignals erzeugt der Algorithmus einen zulässigen Gesamtstrom und stellt die maximale Stromentnahme aus dem Stapel entsprechend ein. Die Anstiegs- oder Abfallrate des aus dem Stapel zulässigen Stroms zu dem tatsächlichen Strom wird begrenzt, um einen glatten Übergang bereitzustellen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das ein Untersystem zum Schutz eines Brennstoffzellenstapels vor Überhitzung verwendet, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das einen Algorithmus verwendet, der die Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels begrenzt, um zu verhindern, dass die Temperatur des Stapels über einen vorbestimmten Wert steigt.
2. Erörterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil er sauber ist und zur effektiven Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Einrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen wandern durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektroden von der Anode können nicht durch den Elektrolyt wandern und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie an die Kathode gesandt werden.
Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC) sind eine beliebte Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Membran aus einem Festpolymerelektrolyt, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise sauber getrennte Katalysatorpartikel, üblicherweise Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer vermischt sind. Die Katalysatormischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig in der Herstellung und benötigen gewisse Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann beispielsweise zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Kompressor durch den Stapel gepresst wird. Der Sauerstoff wird nicht vollständig von dem Stapel verbraucht und etwas Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, welches Wasser als ein Nebenprodukt des Stapels umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Wasserstoff-Anodeneingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, bei dem die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für in dem Stapel benachbarte Brennstoffzellen. Anodengasströmungskanäle, die es dem Anodenreaktandengas ermöglichen, an die jeweilige MEA zu strömen, sind an der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt. Kathodengasströmungskanäle, die es dem Kathodenreaktandengas ermöglichen, an die jeweilige MEA zu strömen, sind an der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt. Eine Endplatte umfasst Anodengasströmungskanäle, und die andere Endplatte umfasst Kathodengasströmungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material hergestellt, beispielsweise aus Edelstahl oder einem leitfähigen Komposit. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen erzeugt wird, aus dem Stapel.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise ein thermisches Untersystem zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels auf eine gewünschte Betriebstemperatur. Das thermische Untersystem umfasst eine Pumpe, die ein Kühlfluid durch eine Kühlmittelschleife außerhalb des Stapels pumpt, und Kühlfluidströmungskanäle, die in den bipolaren Platten vorgesehen sind. Typischerweise kühlt ein Kühler das heiße Kühlfluid, das aus dem Stapel austritt, bevor es an den Stapel zurückgesandt wird.
Verschiedene Komponenten in dem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise die Membranen, können beschädigt werden, wenn die Temperatur des Stapels über eine gewisse Materialübergangstemperatur ansteigt, beispielsweise 85°C. Daher verwenden Brennstoffzellensysteme typischerweise ein Untersystem zur Kühlfluidtemperaturüberwachung, das die Temperatur des Kühlfluids überwacht, welches aus dem Stapel strömt, um zu verhindern, dass die Temperatur des Stapels über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt. Verschiedene Faktoren können bewirken, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels über die vorbestimmte Temperatur ansteigt, beispielsweise ein Betreiben des Stapels über eine längere Zeitspanne mit einer hohen Last in einer Umgebung mit einer hohen Umgebungstemperatur.
Bei aktuellen Brennstoffzellensystemkonzepten wird die Kühlfluidtemperatur typischerweise von einem Temperatursensor an dem Kühlfluidauslass aus dem Stapel gemessen. Wenn das Kühlfluid strömt, stellt der Sensor ein Stapelüberhitzungssignal bereit. Wenn das Kühlfluid und damit der Brennstoffzellenstapel überhitzt werden, ergreift das System Vorbeugungsmaßnahmen, beispielsweise ein Abschalten des Stapels, um ihn zu schützen. Es gibt jedoch potentielle Fehlerbetriebsarten, bei denen das System eine Stapelüberhitzung möglicherweise nicht detektiert oder einen fälschlichen Überhitzungszustand detektiert, der zu einer unnötigen Systemabschaltung führt. Diese potentiellen Fehlerbetriebsarten umfassen einen Kühlfluidpumpenausfall, einen Kühlfluidverlust, eine Strömungsblockade von Kühlfluid und einen Ausfall des Kühlfluidauslasstemperatursensors. Wenn das System einen Überhitzungszustand des Brennstoffzellenstapels nicht detektiert, können die Stapelmembranen beschädigt werden. Wenn das System jedoch fälschlicherweise einen Überhitzungszustand detektiert und das System abschaltet, wird sich die Zuverlässigkeit des Systems verringern.
In der Technik ist es bekannt, die Ausgangsleistung des Stapels zu begrenzen, wenn ein Überhitzungszustand detektiert wird. Bei einer Anwendung wird eine Nachschlagetabelle verwendet, die einen maximalen Stapelausgangsstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlfluids bereitstellt. Wenn beispielsweise die Temperatur des Kühlfluids, das aus dem Stapel ausgegeben wird, über 82°C steigt, dann kann der Ausgangsstrom des Stapels auf einen Stromwert begrenzt werden, der niedriger als der maximale Stapelstrom ist. Wenn die Temperatur des Kühlfluids weiter ansteigt, kann der Ausgangsstrom des Stapels weiter begrenzt werden, um zu verhindern, dass die Temperatur des Stapels die Temperatur überschreitet, welche die Membranen beschädigen kann. Sobald die Kühlfluidtemperatur unter die erwünschte Maximaltemperatur fällt, erlaubt die Nachschlagetabelle einfach, dass der von dem Stapel maximal verfügbare Strom auf den Stapelmaximalwert zurückkehrt. Wenn sich die Leistungsanforderung nicht geändert hat, ist die Wärmeabfuhrfähigkeit des Kühlfluiduntersystems nicht in der Lage, den Abfuhrbedarf zu erfüllen, und die Kühlfluidtemperatur wird dann wieder über den vorbestimmten Wert ansteigen. Durch Verwenden einer Nachschlagetabelle für diesen Zweck ist jede Änderung bei der Stapelstromgrenze ein Schritt von einer vorherigen Änderung, der keinen glatten Übergang zwischen einer Stromgrenze und einer anderen bereitstellt, und der von dem Fahrer des Fahrzeugs wahrgenommen werden kann. Ferner erzeugt dieser Prozess ein Schwingen bei der Stapellast, der Stapeltemperatur und der relativen Stapelfeuchtigkeit, was der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Stapels abträglich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Algorithmus zur Begrenzung des von einem Brennstoffzellenstapel ausgegebenen Stroms unter Verwendung einer Rückkopplung während eines Betriebs mit einer hohen Stapeltemperatur anwendet. Das System umfasst einen PID-Regler, der ein Fehlersignal empfängt, welches die Differenz zwischen der Kühlfluidausgangstemperatur aus dem Stapel und einem vorbestimmten Temperaturwert ist. Der Algorithmus detektiert, ob die Kühlfluidausgangstemperatur aus dem Stapel über einen vorbestimmten Temperaturwert steigt, und berechnet, wenn dem so ist, eine proportionale Verstärkungsfaktorkomponente und eine integrale Verstärkungsfaktorkomponente, welche die proportionalen und integralen Verstärkungsfaktoren des PID-Reglers einstellen. Auf der Grundlage der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente, der integralen Verstärkungsfaktorkomponente und des Fehlersignals erzeugt der Algorithmus einen zulässigen Gesamtstrom und stellt die maximale Stromentnahme aus dem Stapel entsprechend ein. Die Anstiegs- oder Abfallrate des aus dem Stapel zulässigen Stroms zu dem tatsächlichen Strom wird begrenzt, um einen glatten Übergang bereitzustellen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen offenbar werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein allgemeines schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungssystems, das einen PID-Regler zum Einstellen eines maximalen Ausgangsstroms aus einem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage der Stapeltemperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
3 ist ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise eines Algorithmus zeigt, der in dem in 2 gezeigten Steuerungssystem angewendet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, welche auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das ein Steuerungssystem zur Begrenzung des Stapelausgangsstroms auf der Grundlage einer Stapeltemperatur verwendet, ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Ein Kompressor 14 liefert auf einer Kathodeneingangsleitung 16 eine Luftströmung an die Kathodenseite des Stapels 12. Ein Kathodenabgas wird auf einer Kathodenausgangsleitung 18 aus dem Stapel 12 ausgegeben. Eine Wasserstoffquelle 20 liefert auf einer Anodeneingangsleitung 22 eine Wasserstoffströmung an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12. Ein Anodenabgas wird auf einer Anodenausgangsleitung 24 aus dem Stapel 12 ausgegeben. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst auch eine Pumpe 26, die ein Kühlfluid durch Kühlfluidströmungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 pumpt, und eine Kühlmittelschleife 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 12, wie von Fachleuten gut verstanden wird. Das erwärmte Kühlfluid aus dem Brennstoffzellenstapel 12 wird an einen Kühler 30 gesandt, wo seine Temperatur verringert wird, bevor es an den Brennstoffzellenstapel 12 zurückgesandt wird. Der Kühler 30 kann einen (nicht gezeigten) Ventilator umfassen, der Kühlungsluft durch den Kühler 30 bläst, um die Kühlung bereitzustellen, wie in der Technik gut verstanden wird. Ein Temperatursensor 32 misst die Temperatur des Kühlfluids, wenn es den Stapel 12 verlässt. Das System 10 umfasst auch ein Dreiwegeventil 78, das es dem Kühlfluid bei gewissen Betriebsbedingungen ermöglicht, bei denen ein Kühlen des Kühlfluids nicht gewünscht ist, den Kühler 30 zu umgehen.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungssystems 34 zur Begrenzung des Stroms, der aus dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgegeben wird, wenn die Temperatur des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel 12 über einen vorbestimmten Temperaturwert steigt, so dass die Temperatur des Stapels 12 nicht auf einen Pegel ansteigt, der die Zellenmembranen beschädigen kann. Das Steuerungssystem 34 verwendet einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) 36, der den zulässigen Maximalstrom aus dem Stapel 12 auf der Grundlage der Temperatur des Kühlfluids ermittelt, wie nachfolgend genauer erörtert wird.
Die Temperatur des Kühlfluids, die von dem Kühlfluidsensor 32 gemessen wird, wird auf einer Leitung 40 an einen Hysteresecontroller 38 gesandt. Der Hysteresecontroller 38 empfängt auch eine Temperaturobergrenze auf einer Leitung 42 und eine Temperaturuntergrenze auf einer Leitung 44. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform beträgt die Obergrenze 82°C und die Untergrenze 80°C. Wenn die Kühlfluidtemperatur über die Temperaturobergrenze steigt, dann gibt der Controller 38 auf einer Leitung 46 ein "Hoch"-Signal an eine Verzögerungsschaltung 48 aus. Ein "Hoch"-Signal auf der Leitung 46 ist ein Aktivierungssignal für das Steuerungssystem 34. Sobald die Temperatur des Kühlfluids über die Temperaturobergrenze steigt, wird der Ausgang des Controllers 38 hoch bleiben, bis die Temperatur des Kühlfluids unter die Temperaturuntergrenze sinkt, und sobald die Temperatur des Kühlfluids unter die Temperaturuntergrenze sinkt, wird der Ausgang des Controllers 38 niedrig bleiben, bis die Temperatur des Kühlfluids zurück über die Temperaturobergrenze steigt. Die Verzögerungsschaltung 48 kann verwendet werden, um den Zeitpunkt vom Anstieg der Temperatur über die Obergrenze bis zur tatsächlichen Begrenzung des Stromausgangs des Stapels 12 durch das Steuerungssystem 34 zu verzögern. In den meisten Fällen wird die Verzögerung auf Null gesetzt werden, wobei die Verzögerungsschaltung 48 wie ein Durchgang wirkt.
Das Temperatursignal von dem Temperatursensor 32 auf der Leitung 40 wird auch an eine Fehlerschaltung 50 gesandt, welche das Temperatursignal von einem vorbestimmten Temperaturwert abzieht, beispielsweise 80°C, welcher von einem Block 52 bereitgestellt wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Der Temperaturwert muss nicht der gleiche wie die Temperaturuntergrenze sein, aber typischerweise wird er ihr gleichen oder in etwa gleichen. Das Fehlersignal wird an den PID-Regler 36 gesandt, der versucht, das Fehlersignal auf Null oder darunter zu verringern, indem er den maximalen Ausgangsstrom aus dem Stapel 12 unter der Annahme, dass das Steuerungssystem 34 aktiviert wurde, selektiv steuert.
Ein Vorgabewert wird von einem Vorgabeblock 54 an den PID-Regler 36 angelegt. Der Vorgabewert ist der Stapelstrom, von welchem ausgehend der zulässige Stapelstrom verringert wird, und ist typischerweise der Maximalstrom, den der Brennstoffzellenstapel 12 erzeugen kann, beispielsweise 450 A. Ein vorbestimmter proportionaler Verstärkungsfaktorwert Kp wird von einem Kasten 56 an den PID-Regler 36 angelegt, und ein vorbestimmter integraler Verstärkungsfaktorwert Ki wird von einem Kasten 58 an den PID-Regler 36 angelegt. Die Differentialsteuerung des PID-Reglers 36 wird nicht verwendet, d.h. der Differentialverstärkungsfaktorwert wird auf Null gesetzt. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel betragen für eine spezielle Anwendung der vorbestimmte proportionale Verstärkungsfaktorwert 50 und der vorbestimmte integrale Verstärkungsfaktorwert 3.
Der Vorgabewert von dem Vorgabeblock 54 wird als ein Ausgangspunkt zur Verringerung des Stroms, der von dem Stapel 12 ausgegeben wird, in Abhängigkeit von dem Wert des Fehlersignals verwendet. Der maximale Strombetrag, der aus dem Stapel 12 entnommen werden kann, ist bei einem Block 60 bereitgestellt, und der minimale Strombetrag, der aus dem Stapel 12 entnommen werden muss, ist bei einem Block 62 bereitgestellt. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform beträgt der Maximalstrom 450 A und der Minimalstrom 40 A. Ein Feststellbefehl kann von einem Feststellblock 64 bereitgestellt werden, welcher veranlasst, dass der Ausgang des PID-Reglers 36 beibehalten wird, solange der Ausgang des Feststellblocks 64 hoch ist. Es können verschiedene Betriebszustände existieren, bei denen ein derartiges Merkmal wünschenswert ist.
Der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 wird an eine Resetschaltung 66 angelegt. Wenn der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 von hoch auf niedrig wechselt, liefert die Resetschaltung 66 ein Hoch-Signal an den Regler 36 an der fallenden Flanke des Hoch-Signals zu dem Niedrig-Signal von der Verzögerungsschaltung 48. Der PID-Regler 36 wird dann seinen Ausgang auf den Vorgabewert von dem Block 54 zurücksetzen, den integralen Verstärkungsfaktorausdruck auf Null zurücksetzen und alle seine Parameter zurücksetzen, um eine zukünftige PID-Steuerung zu initialisieren.
Der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 wird auch an einen "Wenn"-Eingang einer Boolschen Schaltung 68 gesandt. Wenn der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 niedrig ist, was bedeutet, dass das Steuerungssystem 34 nicht aktiviert wurde, dann wird die Schaltung 68 den maximal möglichen Strom aus dem Stapel 12 ausgeben, welcher von einem Block 70 durch einen "Sonst"-Eingang an die Boolsche Schaltung 68 geliefert wird. Wenn der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 jedoch hoch ist, dann wählt die Schaltung 68 einen "Dann"-Eingang an die Boolsche Schaltung 68, welcher von dem PID-Regler 36 geliefert wird, um den maximalen Ausgangsstrom aus dem Stapel 12 einzustellen, der durch den PID-Regler 36 auf der Grundlage der voranstehenden Eingaben berechnet wurde, um die Temperatur des Stapels 12 zu verringern. Der aus dem Stapel 12 zulässige Maximalstrom wird von der Schaltung 68 an eine Ratenbegrenzungsschaltung 72 ausgegeben. Die Ratenbegrenzungsschaltung 72 begrenzt, wie schnell sich der von dem Stapel 12 ausgegebene Strom ändern kann, egal ob er ansteigt oder abnimmt. Bei diesem nicht einschränkenden Beispiel ist die Stromanstiegsrate, d.h. wie schnell der von dem Stapel 12 ausgegebene Maximalstrom ansteigen kann, auf 30 A pro Sekunde begrenzt, wie von einem Block 74 bereitgestellt ist, und die Stromabfallrate, d.h. wie schnell der von dem Stapel 12 ausgegebene Maximalstrom abnehmen kann, auf –200 A pro Sekunde begrenzt, wie durch einen Block 76 bereitgestellt ist. Die Werte der Blöcke 74 und 76 können für verschiedene Anwendungen bei verschiedenen Brennstoffzellensystemen gewählt sein.
3 ist ein Flussdiagramm 80, das die Arbeitsweise des Steuerungssystems 34 zur Steuerung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 wie voranstehend erörtert zeigt. Der Algorithmus holt bei Kasten 82 zuerst die Kühlfluidauslasstemperatur des Stapels von dem Sensor 32. Dann ermittelt der Algorithmus bei Entscheidungsraute 84, ob die Kühlfluidauslasstemperatur größer als der vorbestimmte Temperaturwert ist, der das Steuerungssystem 34 aktiviert, beispielsweise 82°C. Wenn die Temperatur des Kühlfluids bei der Entscheidungsraute 84 nicht größer als der vorbestimmte Wert ist, dann stellt der Algorithmus bei Kasten 86 den von dem Stapel 12 verfügbaren Maximalstrom auf den Maximalstrom ein, den der Stapel 12 produzieren kann. Dann beschneidet der Algorithmus bei Kasten 88 die Anstiegszeitrate und die Abfallzeitrate des Stapelstroms, so dass der Stapelstrom nicht schneller als vorbestimmte Grenzen steigt oder fällt, wie voranstehend erörtert wurde. Der Algorithmus kehrt dann zurück, um bei dem Kasten 82 die Kühlfluidauslasstemperatur des Stapels zu holen.
Wenn bei der Entscheidungsraute 84 die Kühlfluidtemperatur größer als 82°C ist, dann setzt der Algorithmus bei Kasten 90 die integrale Verstärkungsfaktorkomponente in dem PID-Regler 36 auf Null. Wie voranstehend erörtert wurde, veranlasst die Resetschaltung 66 den PID-Regler 36 zum Rücksetzen der integralen Verstärkungsfaktorkomponente auf Null, nachdem der Ausgang der Verzögerungsschaltung 48 auf niedrig wechselt. Jedoch ist es nur notwendig, die integrale Verstärkungsfaktorkomponente zurückzusetzen, bevor der PID-Regler 36 den aus dem Stapel 12 zulässigen Gesamtstrom auf der Grundlage der Temperatur berechnet, egal ob dies stattfindet, wenn das Steuerungssystem 34 deaktiviert ist, oder wenn das Steuerungssystem 34 aktiviert ist.
Der Algorithmus berechnet dann bei Kasten 92 die proportionale Verstärkungsfaktorkomponente P auf der Grundlage des Fehlersignals und des bei dem Block 56 bereitgestellten proportionalen Verstärkungsfaktorwerts Kp. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform wird die proportionale Verstärkungsfaktorkomponente P als 80°C minus der Temperatur des Kühlfluids T mal 50 A pro Grad Celsius berechnet (P = (80 – T)·50 A/°C). Der Algorithmus berechnet dann bei Kasten 94 die integrale Verstärkungsfaktorkomponente I auf die gleiche Weise auf der Grundlage des Fehlersignals von der Fehlerschaltung 50 und des integralen Verstärkungsfaktorwerts Ki von dem Block 58. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die integrale Verstärkungsfaktorkomponente I das Integral von 80°C minus der Temperatur des Kühlfluids T mal 3 A pro Grad Celsius pro Sekunde (I = ∫(80 – T)·3 A/°C/s). Der Algorithmus berechnet dann bei Kasten 96 den aus dem Stapel 12 zulässigen Gesamtstrom als den Vorgabewert aus dem Block 54 minus der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente und der integralen Verstärkungsfaktorkomponente (450-P-I).
Der Algorithmus beschneidet dann bei Kasten 98 den aus dem Stapel 12 ausgegebenen Strom, so dass er zwischen den minimalen und maximalen Werten, welche von den Blöcken 60 und 62 bereitgestellt sind, und zwischen der Anstiegszeitrate und der Abfallzeitrate liegt, die der Ratenbegrenzungsschaltung 72 von den Blöcken 74 und 76 bereitgestellt sind. Dann ermittelt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 100, ob die Kühlfluidtemperatur niedriger als 80°C ist, d.h. ob das Fehlersignal Null ist, und kehrt, wenn es dies nicht ist, zu dem Kasten 92 zurück, um den proportionalen Verstärkungsfaktorausdruck P auf der Grundlage des Fehlersignals zu berechnen, bis die Temperatur bei der Entscheidungsraute 100 unter 80°C fällt. Bei jedem Durchlauf des Algorithmus durch die Strombegrenzungsschleife wird die integrale Verstärkungsfaktorkomponente I zunehmen. Der Algorithmus wird dann bei dem Kasten 86 den Maximalstrom für den Stapel 12 einstellen und zu dem Kasten 82 zurückkehren, um die Kühlfluidauslasstemperatur des Stapels zu holen.
Die voranstehende Erörterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen wird ein Fachmann leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen darin durchgeführt werden können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

System zur Begrenzung des Stroms, der von einem Brennstoffzellenstapel in Ansprechen auf eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels ausgegeben wird, wobei das System umfasst: einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels; eine Fehlerschaltung zur Erzeugung eines Fehlersignals als der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur des Brennstoffzellenstapels und einem ersten vorbestimmten Temperaturwert; und einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), der auf das Fehlersignal, einen Vorgabewert, einen proportionalen Verstärkungsfaktorwert und einen integralen Verstärkungsfaktorwert anspricht, wobei der PID-Regler eine proportionale Verstärkungsfaktorkomponente auf der Grundlage des Fehlersignals und des proportionalen Verstärkungsfaktorwerts und eine integrale Verstärkungsfaktorkomponente auf der Grundlage des Fehlersignals und des integralen Verstärkungsfaktorwerts berechnet, und einen zulässigen Maximalstrom aus dem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage des Vorgabewerts, der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente und der integralen Verstärkungsfaktorkomponente bereitstellt.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Aktivierungsschaltung umfasst, wobei die Aktivierungsschaltung den PID-Regler aktiviert, wenn die gemessene Temperatur des Brennstoffzellenstapels über einen zweiten vorbestimmten Temperaturwert steigt und dann über einem dritten vorbestimmten Temperaturwert bleibt, wobei der zweite und der dritte vorbestimmte Temperaturwert verschieden sind.
System nach Anspruch 2, wobei der zweite vorbestimmte Temperaturwert etwa 82°C beträgt und der dritte vorbestimmte Temperaturwert etwa 80°C beträgt.
System nach Anspruch 2, wobei der erste und der dritte vorbestimmte Temperaturwert gleich sind.
System nach Anspruch 2, das ferner eine Verzögerungsschaltung umfasst, wobei die Verzögerungsschaltung ein Aktivieren des PID-Reglers für eine gewisse Zeitspanne verzögert, nachdem die Aktivierungsschaltung den PID-Regler aktiviert.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Ratenbegrenzungsschaltung umfasst, wobei die Ratenbegrenzungsschaltung begrenzt, wie schnell der zulässige Maximalstrom aus dem Stapel geändert werden kann.
System nach Anspruch 1, wobei der zulässige Maximalstrom aus dem Brennstoffzellenstapel der Vorgabewert minus der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente minus der integralen Verstärkungsfaktorkomponente ist.
System nach Anspruch 1, wobei die proportionale Verstärkungsfaktorkomponente der erste vorbestimmte Temperaturwert minus der Temperatur des Brennstoffzellenstapels mal dem proportionalen Verstärkungsfaktorwert ist und die integrale Verstärkungsfaktorkomponente das Integral des ersten vorbestimmten Temperatur- Werts minus der Temperatur des Brennstoffzellenstapels mal dem integralen Verstärkungsfaktorwert ist.
System nach Anspruch 8, wobei der proportionale Verstärkungsfaktorwert 50 beträgt und der integrale Verstärkungsfaktorwert 3 beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor die Temperatur eines Kühlfluids misst, wenn es den Brennstoffzellenstapel verlässt.
System zur Begrenzung des Stroms, der von einem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, in Ansprechen auf eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels, wobei das System umfasst: eine Kühlfluidschleife zum Leiten eines Kühlfluids durch einen Brennstoffzellenstapel; einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel; eine Aktivierungsschaltung zur Aktivierung des Systems, wenn die gemessene Temperatur des Kühlfluids über einen ersten vorbestimmten Temperaturwert steigt und dann über einem zweiten vorbestimmten Temperaturwert bleibt, wobei der erste und der zweite vorbestimmte Temperaturwert indifferent sind; eine Fehlerschaltung zur Erzeugung eines Fehlersignals als der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur des Kühlfluids und einem dritten vorbestimmten Temperaturwert; einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), der auf das Fehlersignal, einen Vorgabewert, einen proportionalen Verstärkungsfaktorwert und einen integralen Verstärkungsfaktorwert anspricht, wobei der PID-Regler eine proportionale Verstär kungsfaktorkomponente auf der Grundlage des Fehlersignals und des proportionalen Verstärkungsfaktorwerts und eine integrale Verstärkungsfaktorkomponente auf der Grundlage des Fehlersignals und des integralen Verstärkungsfaktorwerts berechnet und einen zulässigen Maximalstrom aus dem Brennstoffzellenstapel als dem Vorgabewert minus der proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente minus der integralen Verstärkungsfaktorkomponente bereitstellt; und eine Ratenbegrenzungsschaltung zur Begrenzung, wie schnell der zulässige Maximalstrom aus dem Stapel geändert werden kann.
System nach Anspruch 11, wobei der erste vorbestimmte Temperaturwert etwa 82°C beträgt und der zweite und dritte vorbestimmte Temperaturwert etwa 80°C betragen.
System nach Anspruch 11, das ferner eine Verzögerungsschaltung umfasst, wobei die Verzögerungsschaltung ein Aktivieren des PID-Reglers für eine gewisse Zeitspanne verzögert, nachdem die Aktivierungsschaltung den PID-Regler aktiviert.
System nach Anspruch 11, wobei die proportionale Verstärkungsfaktorkomponente der dritte vorbestimmte Temperaturwert minus der Temperatur des Kühlfluids mal dem proportionalen Verstärkungsfaktorwert ist und die integrale Verstärkungsfaktorkomponente das Integral des dritten vorbestimmten Temperaturwerts minus der Temperatur des Kühlfluids mal dem integralen Verstärkungsfaktorwert ist.
System nach Anspruch 14, wobei der proportionale Verstärkungsfaktorwert 50 beträgt und der integrale Verstärkungsfaktorwert 3 beträgt.
System zur Verhinderung einer Überhitzung eines Brennstoffzellenstapels durch ein Begrenzen des Stroms, der aus dem Stapel ausgegeben wird, wenn die Stapeltemperatur ansteigt, wobei das System umfasst: einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels; eine Fehlerschaltung zur Erzeugung eines Fehlersignals als der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur des Brennstoffzellenstapels und einem vorbestimmten Temperaturwert; und einen Controller, der auf das Fehlersignal anspricht und einen zulässigen Maximalstrom aus dem Brennstoffzellenstapel bereitstellt, der auf der Grundlage der Größe des Fehlersignals ermittelt wird.
System nach Anspruch 16, wobei der Temperatursensor die Temperatur eines Kühlfluids misst, wenn dieses den Brennstoffzellenstapel verlässt.
System nach Anspruch 16, wobei der Controller ein Proportional-Integral-Differential-Regler ist.
System nach Anspruch 18, wobei der Proportional-Integral-Differential-Regler den zulässigen Maximalstrom als einen Vorgabewert minus einer proportionalen Verstärkungsfaktorkomponente minus einer integralen Verstärkungsfaktorkomponente berechnet.
System nach Anspruch 16, das ferner eine Ratenbegrenzungsschaltung umfasst, wobei die Ratenbegrenzungsschaltung begrenzt, wie schnell der zulässige Maximalstrom aus dem Stapel geändert werden kann.