DE102009004856B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches umfasst:einen Brennstoffzellenstapel;eine Kühlfluidpumpe, die ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel pumpt;einen Temperatursensor, der die Temperatur des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel misst;einen Kühler zum Kühlen des Kühlfluids von dem Brennstoffzellenstapel, bevor es zu dem Brennstoffzellenstapel zurückgeführt wird;ein Umgehungsventil, das selektiv zulässt, dass ein Teil des Kühlfluids den Kühler umgeht; undeinen Controller zum Steuern der Position des Umgehungsventils,wobei der Controller ein Temperatursignal von dem Temperatursensor empfängt, der Controller eine Vielzahl von Variablen und einen Totzeitwert berechnet, die verwendet werden, um die Position des Umgehungsventils derart festzulegen, dass sich die Temperatur des Kühlfluids, das aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, zu einem gewünschten Temperatursollwert hin bewegt,wobei der Controller ein Anlagenmodell erster Ordnung plus Totzeit in Kombination mit einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate verwendet, um die Position des Umgehungsventils zu berechnen,wobei der Controller ein erstes Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung aufweist, die größer ist als eine aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, ein zweites Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung umfasst, die kleiner ist als die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, und ein drittes Totzeitanlagenmodell abschätzt, welches die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts umfasst,wobei das erste Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird und das zweite Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird, indem Varianzen in den Abschätzungen berechnet werden, um zu ermitteln, ob der Totzeitwert erhöht oder verringert werden sollte, undwobei ein Verhältnis der Varianzen als ein Verhältnis von zwei der Variablen in der Vielzahl von Variablen bereitgestellt wird, wobei das Verhältnis der zwei Variablen mit einer Schwelle verglichen wird,um zu ermitteln, ob eine Zeitverzögerung erhöht oder verringert werden soll.

Description

• Hintergrund der Erfindung
• 1. Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem und im Spezielleren ein Brennstoffzellensystem mit einem thermischen Untersystem, welches einen selbstabstimmenden Online-Steueralgorithmus verwendet, der die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in Ansprechen auf Systemstörungen während eines Betriebes steuert.
• 2. Erläuterung der verwandten Technik
• Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, 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 bilden. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch einen Verbraueher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
• Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
• Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoff-Zufuhrgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
• Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundstoff hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus.
• Verschiedene Komponenten in dem Brennstoffzellenstapel wie z. B. die Membranen können Schaden nehmen, wenn die Temperatur des Stapels über eine bestimmte Materialübergangstemperatur wie z. B. 85 °C ansteigt. Ein Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise ein thermisches Untersystem, um den Brennstoffzellenstapel bei einer gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Das thermische Untersystem umfasst typischerweise eine Pumpe, die ein Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreis außerhalb des Stapels und Kühlfluid-Strömungskanäle pumpt, die innerhalb der bipolaren Platten vorgesehen sind. Ein Kühler kühlt typischerweise das heiße Kühlfluid, welches aus dem Stapel austritt, bevor es zurück zu dem Stapel geschickt wird.
• Es ist bekannt, dass eine präzise Steuerung der relativen Feuchtigkeit (RH) für die Brennstoffzellenstapelleistung und -haltbarkeit notwendig ist. Einer der wichtigsten Steuerparameter für die RH ist die Temperatur. Um die Kühlfluidtemperatur und dadurch die Stapeltemperatur genau zu steuern, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Einige der bekannten Variablen sind die Kühlergröße und -leistung, die Art des Kühlfluids und die Stapelgröße. Es gibt jedoch viele Parameter, die unbekannt sind und als Störungen behandelt werden sollten wie z. B. die Umgebungstemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Stapelleistungsanforderung und die Aktuatordynamik. Das Problem mit einem festverstärkten Controller liegt darin, dass sie nur für einen Betriebszustand abgestimmt werden können. Wenn die Bedingungen so stark schwanken, wie es in einer Kraftfahrzeugumgebung der Fall ist, ist ein festverstärkter Controller typischerweise unzureichend.
• Herkömmliche Brennstoffzellensysteme und herkömmliche Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem sind aus den Druckschriften DE 10 2006 044 288 A1 und US 6 651 761 B1 bekannt.
• Zusammenfassung der Erfindung
• In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen selbstabstimmenden Online-Algorithmus verwendet, welcher eine Temperatursteuerung eines Brennstoffzellenstapels in Ansprechen auf Störungen an dem Brennstoffzellensystem bereitstellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein thermisches Untersystem mit einer Kühlfluidpumpe, welche ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel pumpt, einen Temperatursensor, der die Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel misst, einen Kühler, der das Kühlfluid von dem Brennstoffzellenstapel kühlt, und ein Umgehungsventil, welches selektiv steuert, wie viel von dem Kühlfluid durch den Kühler strömt oder den Kühler umgeht. Ein Controller steuert die Position des Umgehungsventils in Ansprechen auf ein Temperatursignal von dem Temperatursensor. Der Controller berechnet eine Vielzahl von Variablen und einen Totzeitwert, die verwendet werden, um die Position des Umgehungsventils derart festzulegen, dass sich die Temperatur des Kühlfluids, das aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, zu einem gewünschten Temperatursollwert hin bewegt. Der Controller verwendet ein Anlagenmodell erster Ordnung plus Totzeit in Kombination mit einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate, um die Position des Umgehungsventils zu berechnen. Der Controller schätzt ein erstes Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung aufweist, die größer ist als eine aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, ein zweites Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung umfasst, die kleiner ist als die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, und ein drittes Totzeitanlagenmodell ab, welches die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts umfasst. Das erste Totzeitanlagenmodell wird mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen und das zweite Totzeitanlagenmodell wird mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen, indem Varianzen in den Abschätzungen berechnet werden, um zu ermitteln, ob der Totzeitwert erhöht oder verringert werden sollte. Ein Verhältnis der Varianzen wird als ein Verhältnis von zwei der Variablen in der Vielzahl von Variablen bereitgestellt, wobei das Verhältnis der zwei Variablen mit einer Schwelle verglichen wird, um zu ermitteln, ob eine Zeitverzögerung erhöht oder verringert werden soll.
• Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
• Figurenliste
• 1 ist eine Draufsicht eines Blockdiagrammes eines Brennstoffzellensystems, das ein thermisches Untersystem verwendet; und
• 2 ist ein Blockdiagramm einer Steuerarchitektur zum Steuern der Position eines Umgehungsventils in dem Brennstoffzellensystem, das in 1 gezeigt ist, um eine Stapeltemperatur in Ansprechen auf Systemstörungen zu steuern, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
• Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein System und Verfahren zur Online-Abstimmung einer Temperatursteuerung für einen Brennstoffzellenstapel vorsehen, ist lediglich beispielhaft.
• 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst auch ein thermisches Untersystem mit einer Pumpe 14, die ein Kühlfluid durch eine Kühlfluidleitung und den Brennstoffzellenstapel 12 pumpt. Das erwärmte Kühlfluid, das aus dem Brennstoffzellenstapel 12 austritt, wird zu einem Kühler 18 geschickt, wo es gekühlt wird, bevor es zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zurückgeführt wird. Ein Gebläse 20 zwingt Luft durch den Kühler 18, um eine zusätzliche Kühlung bereitzustellen, wobei die Drehzahl des Gebläses 20 derart gesteuert sein kann, um die gewünschte Kühlung vorzusehen. Ein Umgehungsventil 22 ist in der Kühlfluidleitung vorgesehen und lässt zu, dass ein gesteuerter Teil des Kühlfluids den Kühler 20 in der Umgehungsleitung 24 umgeht, wie gewünscht. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Umgehungsventil 22 ein elektrisch beheiztes Wachsthermostat-Umgehungsventil. Ein Temperatursensor 26 misst die Temperatur des Kühlfluids, das aus dem Stapel 12 austritt. Ein Controller 30 steuert die Drehzahl der Pumpe 14, die Position des Umgehungsventils 22 und die Drehzahl des Gebläses 20 in Ansprechen auf ein Temperatursignal von dem Temperatursensor 26 und andere Eingänge. Wie unten stehend im Detail erläutert wird, verwendet der Controller 30 einen Algorithmus, der die Temperatur des Stapels 12 steuert, indem er die Position des Umgehungsventils 22 in Ansprechen auf Störungen während eines Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems 10 steuert.
• Die Störungen können wie folgt aufsummiert werden. Die Fahrzeuggeschwindigkeitsanforderung führt zu einer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem und umfasst Störungen von einer Beschleunigung, einem Anstieg etc., welche allesamt die Leistungsanforderung beeinflussen. Für die Umgebungstemperatur sehen Kraftfahrzeuganwendungen typischerweise -30 °C bis 40 °C vor. Diese Temperaturschwankung ändert die Leistung des Kühlers 18 gemeinsam mit der konvektiven Wärmeübertragung von dem thermischen Untersystem drastisch. Die Drehzahl des Gebläses 20 und die Stauluftströmung durch den Kühler 18 sorgen für Störungen des thermischen Untersystems, wobei die Gebläsedrehzahl ein gesteuerter Aktuator ist und den Kühler beim Kühlen unterstützen kann. Die Stauluftströmung ist eine Hauptstörung für den Kühler 18. Eine hohe Geschwindigkeit auf ebenem Gelände unterscheidet sich stark von einem Abschleppen mit geringer Geschwindigkeit einen Anstieg hinauf, selbst wenn die Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 12 dieselbe ist. Integrierte Standardverbrennungsmotor-Kühlmittelventile verwenden typischerweise ein Wachsthermostat zur Temperaturregelung, auf Grund seiner Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und geringen Kosten. Die thermische Brennstoffzellensteuerung erfordert einen hohen Grad an Genauigkeit. Die Lösung ist ein elektrisch beheiztes Wachsthermostat.
• Wie oben erwähnt, ist bekannt, dass, um eine optimale Leistung von einem Brennstoffzellenstapel beizubehalten, ein genaues Wassermanagement kritisch ist. Wenn die RH des Stapels 12 zu hoch ist, wie z. B. größer als 100 %, werden sich Wassertropfen innerhalb der Stapelströmungskanäle bilden, die eine Überflutung und letztlich einen Gasmangel zur Folge haben könnten. Ohne die entsprechende Gasströmung läuft die gewünschte Reaktion nicht ab, worunter die Leistung leidet. Andererseits, wenn die RH zu niedrig ist, werden die Membranen innerhalb der Brennstoffzellen nicht ausreichend befeuchtet, was hohe Ohm'sche Verluste und eine reduzierte Leistung zur Folge hat. Aktuelle PEM-Brennstoffzellenstapelmembranen erfordern typischerweise eine RH von 80% - 100 % für eine optimale Leistung. Solch eine Beziehung für die RH kann gezeigt werden durch: $$RH=\frac{P_w}{P_{sat}}$$

  

  wobei P_ω der Wasserpartialdruck ist und P_sat der Sättigungsdampfdruck ist.
• Es ist bekannt, dass der Wasserpartialdruck P_ω einfach der Molenbruch des Wasserdampfes in dem Gasstrom ist. Die Summe aller einzelnen Partialdrücke entspricht dem gesamten Absolutdruck. Der Konzentrationspartialdruck ist abhängig von der Temperatur, der Sättigungsdampfdruck hingegen ist stark von der Temperatur abhängig, d. h. P_sat = f(T). Es ist daher aus der Berechnung von RH in Gleichung (1) einfach zu verstehen, dass für eine feste Menge von Wasserdampf ein Erhöhen des Druckes die RH erhöht und ein Erhöhen der Temperatur die RH verringert.
• Das folgende Beispiel veranschaulicht die starke Temperaturabhängigkeit. Für Luft bei einer RH = 70 % bei T = 20 °C ergibt sich ein Wasserpartialdruck von P_ω = 1,64 kPa. Unter der Annahme, dass der Luftdruck und die Gasbestandteile konstant bleiben, die Temperatur jedoch auf 60 °C ansteigt, fällt die RH dramatisch auf 8 % ab. Für typische Brennstoffzellen-Betriebszustände kann ein Temperaturanstieg von 10 °C die RH um 24 % in einen starken Trockenzustand verringern, oder eine Verringerung um 10 °C würde die relative Feuchtigkeit von 39 % auf 109 % mit Sicherheit in den Bereich der Bildung von flüssigem Wasser erhöhen, was zu einer Kanalüberflutung und schließlich zu einer Schädigung der Brennstoffzellenstapelleistung führt.
• Das obige Beispiel veranschaulicht die Notwendigkeit einer exakten Thermosteuerung in dem Brennstoffzellensystem 10. Allerdings macht die große Anzahl von unbekannten Variablen in dem System 10 dies zu einem sehr herausfordernden Problem. Eine festverstärkte Standardsteuerung wie z. B. eine Proportional-Integral-Differential (PID)-Steuerung kann für einen gegebenen Betriebszustand kalibriert werden und arbeitet relativ gut. Wenn sich die Betriebszustände des Systems 10 allerdings unvermeidlich ändern, verschlechtert sich die Optimalität dieser Steuerung schnell. Eine Lösung für dieses Problem ist das Verstärkungsschema in dem Controller zum Multiplizieren von Betriebsbereichen. Es wird jedoch sehr zeitintensiv, mehrere Betriebspunkte abzudecken, es nimmt wichtigen Speicherplatz in einem bereits eingeschränkten Kraftfahrzeugcontroller ein und es ist gegebenenfalls noch immer nicht in der Lage, in allen Zuständen optimal zu arbeiten. Daher sieht die vorliegende Erfindung ein selbstabstimmendes oder adaptives Steuerschema während eines Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 vor, um diese Problem anzusprechen.
• Die vorliegende Erfindung schlägt ein adaptives Thermomanagement-Steuerschema vor, das ein Modell des Systems voraussetzt und Online-Datenmessungen verwendet, um die Parameter zu identifizieren, die das Modell passend für die Messung machen. Mit einer geeigneten mathematischen Darstellung des Systems ist es möglich, eine Anzahl von Steuertheorien wie z. B. eine/n minimale Varianz oder Dead-Beat anzuwenden. Tatsächlich können, wenn Abstimmungsregeln für eine kalibrierte PID-Steuerung Modellinformation verwenden, diese Parameter einfach aktualisiert werden, wenn neue Modellparameter identifiziert werden. Es gibt eine Anzahl von Echtzeit-Identifizierungsverfahren, die verwendet werden können, um unbekannte Modellparameter zu identifizieren. Das populärste und das durch die vorliegende Erfindung in einer nicht einschränkenden Ausführungsform verwendete wird als rekursive kleinste Quadrate (RLS) bezeichnet. RLS wurde erfolgreich angewendet, um zahlreiche Online-Systeme zu identifizieren.
• Wie oben erläutert, sind in dem thermischen Untersystem drei Aktuatoren vorhanden, und zwar die Pumpe 14, das Umgehungsventil 22 und das Gebläse 20. Die zu steuernde Temperatur ist die Temperatur des Kühlfluids an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 12, wie von dem Temperatursensor 26 gemessen. Diese Temperatur nähert sich der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12. Wenn Kathodenluft in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, gelangt sie schnell in Gleichgewicht mit der Temperatur des Stapels 12. Es ist offensichtlich nicht sinnvoll, die Stapelkühlfluid-Auslasstemperatur mit dem Gebläse 20 zu steuern. Eine Änderung der Gebläsedrehzahl würde viel zu lange dauern, um eine Auswirkung auf die Temperatur des Kühlfluids zu haben, das aus dem Stapel 12 austritt. Das Steuern der Kühlfluidpumpe 14 ist eine Möglichkeit, aber durch eine relative Verstärkungsanalyse ist die Strömung viel effektiver, um den Temperaturanstieg durch den Stapel 12 zu steuern. Somit ist der verbleibende Steueraktuator das Umgehungsventil 22. Ein Multieingangs-, Multiausgangs-Steuerschema, welches alle drei Aktuatoren verwendet, würde mit dem besten Ergebnis entsprechen, aber diese Arten von Steueransätzen sind sehr hoch entwickelt und oft schwierig zu entwickeln, insbesondere für Systeme, die nicht gut instrumentiert sind. Kraftfahrzeuganwendungen sind aus Kostengründen typischerweise sehr dürftig instrumentiert. Für einen gegebenen Betriebszustand kann ein Standard-PID-Controller mit entsprechenden Ergebnissen unter Verwendung eines elektrisch beheizten Wachsthermostat-Umgehungsventils zum Aufrechterhalten einer gewünschten Kühlmittelauslasstemperatur abgestimmt sein. Wenn sich die Betriebszustände jedoch ändern, werden die für den PID-Controller gewählten Verstärkungen schnell suboptimal werden. Die vorliegende Erfindung verwendet dieselbe Aktuator-Messung-Kombination, verwendet jedoch eine selbstabstimmende, adaptive Steuertheorie, um die Steuerung über Betriebsbereiche ohne die Notwendigkeit einer Rekalibrierung deutlich zu verbessern.
• Die Standardkalibrierpraxis für das thermische Untersystem umfasst die Schritte des Änderns des Befehls der Umgehungsventilposition und das Messen der resultierenden Kühlfluidtemperatur für eine feste Brennstoffzellenleistung und das Anpassen der Daten an ein Modell erster Ordnung plus Totzeit (FOPDT-Modell für englisch: first-order plus dead-time model). Eine feste Brennstoffzellenleistung ist als ein Fahrzeug auf einem ebenen Gelände und bei konstanter Geschwindigkeit und Umgebungstemperatur antreibend denkbar. Die Gebläsedrehzahl und die Pumpendrehzahl wären ebenfalls konstant. Daher wäre die Luftströmung durch den Kühler 18 konstant und die Pumpenströmung würde einen festen Temperaturanstieg beibehalten.
• Eine einfache Beziehung für den Temperaturanstieg in dem Brennstoffzellenstapel 12 kann durch P = m * Cp * DT gegeben sein, wobei P ein Ergebnis der von dem Brennstoffzellenstapel 12 an das Kühlfluid übertragenen Wärme ist und ohne weiteres dem Leistungsausgang des Stapels 12 angenähert werden kann, die Variable m die Massenstrom des Kühlfluids durch den Stapel 12 ist, Cp die spezifische Wärme des Kühlfluids ist, und DT der Temperaturanstieg in dem Stapel 12 ist. Wenn daher ein Temperaturanstieg von 10° in dem Stapel für eine gegebene Leistungsanforderung erwünscht ist, ist es einfach, die Strömung derart einzustellen, um dieses Ziel zu erreichen. Es besteht offensichtlich eine starke Abhängigkeit zwischen der Pumpendrehzahl und der Kühlfluid-Auslasstemperatur. Eine feste Einstellung der Pumpendrehzahl verringert dieses Problem für den Kalibrierabschnitt der Modellierung, die Wechselwirkung während des Betriebes bleibt jedoch noch immer sehr stark.
• Es ist ohne weiteres zu erkennen, dass es erforderlich ist, dass viele Variablen fest sind, damit die Modellierung erfolgreich ist. Allerdings variieren Parameter typischerweise stark über den Betriebsbereich des Fahrzeuges. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, das Modell an mehreren verschiedenen Betriebspunkten auszuführen und eine Familie von Modellparametern zu entwickeln, die das Verhalten des Systems 10 lenken. Diese Familie von Parametern kann dann auf die Wahl der Abstimmungsregel des Kalibrierenden angewendet werden, was eine Familie von PID-Parametern zur Folge hat, die dann in dem Kraftfahrzeugcontroller festgelegt sein können. Dieser Ansatz kann mäßig erfolgreich sein, kommt aber üblicherweise einer sehr suboptimalen Leistung gleich, wenn das Fahrzeug außerhalb von Standardbetriebszuständen betrieben wird.
• Ein Beispiel dafür ist ein Fahrzeug, das bei 160 km/h auf einem ebenen Gelände fährt und 80 kW von dem Brennstoffzellenstapel 12 anfordern kann. Allerdings würde dasselbe Fahrzeug, wenn es einen Hügel mit steilem Anstieg hochfährt und einen Anhänger bei 30 km/h zieht, dieselbe Leistung von 80 kW von dem Brennstoffzellenstapel 12 anfordern. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Szenarien besteht darin, dass im zweiten Fall um 130 km/h weniger Luft den Kühler 18 durchläuft. Dies ändert das Wärmeabgabeleistungsvermögen des Kühlers 18 wesentlich. Daher kann das Kühlfluid-Steuerverstärkungsschema nicht nur auf der Leistungsanforderung sondern auch auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basieren. In diesem Beispiel setzen beide Fälle eine konstante Lufttemperatur voraus. Die Kalibrierung müsste für mehrere Betriebstemperaturen wiederholt werden. Es ist ohne weiteres einzusehen, dass die Anzahl der zur Kalibrierung notwendigen Fälle sehr umfangreich sein würde. Somit lautet die Wahl, ob eine begrenzte Anzahl von Kalibrierpunkten zu einem annehmbaren Niveau der Steuerung für den Gesamtbetrieb des Fahrzeugs führt, wobei zu bedenken ist, dass ein geringgradiger Fehler in der Thermosteuerung zu großen Schwankungen der RH in dem Brennstoffzellenstapel 12 führt. Ein adaptiver Steueransatz würde eine Online-Abschätzung der Systemmodellparameter vorsehen und den Aktuatorausgang auf der Basis dieser Information verändern. Somit wäre der Betriebszustand ein integraler Teil der Steuerung.
• Ein Modell erster Ordnung plus Totzeit ist sehr gut geeignet, um den Wärmekreislauf des Brennstoffzellensystems dynamisch zu charakterisieren. Es kann die Dynamik eines nichtlinearen, elektrisch beheizten Wachsventilthermostats und des Kühlers 18 für verschiedene Betriebszustände annähern. Allerdings werden sich die Betriebszustände unter tatsächlichen Fahrzeug-Fahrbedingungen ändern. Eine festverstärkte Steuerstrategie würde nicht optimal arbeiten, wenn sie für einen Zustand abgestimmt wäre und in einem anderen betrieben würde. Die einzige optimale Lösung besteht darin, die Controllerparameter adaptiv zu ändern, um den aktuellen Betriebszuständen gerecht zu werden.
• Gemäß der Erfindung wird die Modellierung des thermischen Untersystems des Systems 10 aktualisiert, um die aktuellen Fahrbedingungen widerzuspiegeln, und die notwendigen Steuerparameter werden für den neuen Zustand neu berechnet. Diese Lösung behält die Modellform erster Ordnung plus Totzeit bei, schätzt die Systemtotzeit ab, schätzt die neuen Anlagenmodellparameter ab und verwendet die Anlagenmodellparameter und die Totzeit mit der Steuerregel.
• Wenn die Systemtotzeit bekannt ist, ist Standard-RLS ein üblicher Ansatz für eine Online-Anlagenmodellparameterabschätzung. Die Abschätzung der zeitvarianten Totzeit ist Gegenstand umfangreicher Forschung. Einige Ansätze überhöhen die Modellordnung im Versuch, die mögliche Totzeit zu begrenzen. Während dieser Ansatz mit Sicherheit gültig ist, wenn die Zeitverzögerung einen großen Bereich abdeckt, könnte dies ein Modell sehr hoher Ordnung zur Folge haben, das für die eingebetteten Steueranwendungen nicht geeignet ist. Die für die vorliegende Erfindung verwendete Technik ist eine vergleichende Technik, wobei die Systemtotzeit anfänglich gewählt wird und wobei mit jeder Abtastung die Totzeitabschätzung entweder erhöht wird, verringert wird oder dieselbe bleibt.
• Die Umwandlung des Anlagenmodells erster Ordnung plus Totzeit in eine Abtastzeit zur Online-Integration ergibt: $$T_{stk,out}=\frac{K\cdot e^{\theta \cdot s}}{\tau \cdot s+1}\cdot BPV$$

  

  $$T_{stk,out}\left(k\right)=a_1\cdot T_{stk,out}\left(k-1\right)+{\widehat{b}}_1\cdot BPV\left(k-1-\widehat{\theta }\right)$$

  

  wobei T_stk,out die Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 ist, BPV die Position des Umgehungsventils 22 ist, K eine Systemverstärkung ist, τ eine Zeitkonstante ist, k die Abtastungsanzahl ist, a und b Variablen sind und θ der Totzeitwert ist, und wobei „hat“ eine Abschätzung der wahren Betriebsparameter angibt. Wenn der Wert θ bekannt ist, werden a₁ und b₁ unter Verwendung eines Standard-RLS-Algorithmus ermittelt.
• Die Ermittlung des Wertes θ kann wie folgt vorgesehen sein. Drei Modelle werden abgeschätzt, nämlich ein Modell G_p+(z) mit einer Zeitverzögerung, die größer ist als die aktuelle Abschätzung des Wertes 0, ein Modell G_p-(z) mit einer Zeitverzögerung, die kleiner ist als die aktuelle Abschätzung des Wertes θ, und ein Modell G_p(z), welches die aktuelle Abschätzung des Wertes θ umfasst. $$G_{p+}\left(z\right)=z^{-\theta }\frac{b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}}{A\left(z^{-1}\right)}$$

  

  $$A\left(z^{-1}\right)y\left(z\right)=b_{1}u\left(k-1-\theta \right)+b_{2}u\left(k-2-\theta \right)$$

  

  $$G_p\left(z\right)=z^{-\theta }\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}}{A\left(z^{-1}\right)}$$

  

  $$A\left(z^{-1}\right)y\left(z\right)=b_{0}u\left(k-\theta \right)+b_{1}u\left(k-1-\theta \right)+b_{2}u\left(k-2-\theta \right)$$

  

  $$G_{p-}\left(z\right)=z^{-\theta }\frac{b_0+b_1{z}^{-1}}{A\left(z^{-1}\right)}$$

  

  $$A\left(z^{-1}\right)y\left(z\right)=b_{0}u\left(k-\theta \right)+b_{1}u\left(k-1-\theta \right)$$

  

  wobei u der Umgehungsventilbefehl ist und y die Temperaturmessung an dem Ausgang des Stapels 12 ist. Der Ausdruck A(z^-1) repräsentiert a₁, während b₁ später ermittelt wird.
• Das Ziel besteht darin, G_p versus G_p+ und G_p versus G_p- zu vergleichen. Dies geschieht, indem die Varianz σ in den zwei Abschätzungen berechnet wird. Wenn die Varianz σ zu groß ist, wird angenommen, dass die Modelltotzeit erhöht oder verringert werden sollte, um die Änderungsparameterabschätzung widerzuspiegeln. Die folgende Reihe von Gleichungen zeigt den Vergleich.
• Der Fehler ε in den zwei Abschätzungen kann definiert werden als: $${\epsilon }_{+}=G_p\left(z\right)-G_{p+}\left(z\right)$$

  

  $${\epsilon }_{-}=G_p\left(z\right)-G_{p-}\left(z\right)$$

  
• Die Berechnung der Varianzen σ ergibt: $${\sigma }_{+}^2=E\left[{\epsilon }_{+}^2\right]=E\left[{\left(\frac{z^{-\theta }{b}_0}{A\left(z^{-1}\right)}\cdot u\left(z\right)\right)}^2\right]=b_0^2\cdot E\left[{\left(\frac{u\left(k-\theta \right)}{A\left(z^{-1}\right)}\right)}^2\right]$$

  

  $${\sigma }_{-}^2=E\left[{\epsilon }_{-}^2\right]=E\left[{\left(\frac{z^{-\theta }{b}_2{z}^{-2}}{A\left(z^{-1}\right)}\cdot u\left(z\right)\right)}^2\right]=b_2^2\cdot E\left[{\left(\frac{u\left(k-2-\theta \right)}{A\left(z^{-1}\right)}\right)}^2\right]$$

  
• Das Verhältnis der zwei Varianzen σ reduziert sich auf: $$\frac{{\sigma }_{+}^2}{{\sigma }_{-}^2}=\frac{b_0^2}{b_2^2}$$

  
• Somit wird durch Beachten der Modellabschätzung und Vergleichen von b₀ mit b₂ ermittelt, ob die Zeitverzögerung erhöht oder verringert werden soll. Der Vergleich erfolgt in Übereinstimmung mit einer wählbaren Schwelle δ als: $$\frac{b_0^2}{b_2^2}>\delta \text{Verringere Zeitverz}\ddot{\text{o}}\text{gerungsabsch}\ddot{\text{a}}\text{tzung}$$

  

  $$\frac{b_0^2}{b_2^2}<\delta \text{Erh}\ddot{\text{o}}\text{he Zeitverz}\ddot{\text{o}}\text{gerungsabsch}\ddot{\text{a}}\text{tzung}$$

  
• Mit einer neuen Abschätzung des Wertes θ kann der RLS-Algorithmus angewendet werden, um a₁ und b₁ zu ermitteln. An diesem Punkt ist die Modellabschätzung vollständig. Nun kann jeder auf dem Modell basierende Steueralgorithmus angewendet werden. In einer Ausführungsform wird eine Dead-Beat-Steuerarchitektur für ihre schnelle Anregelzeit- und Sollwert-Nachfolgeeigenschaften verwendet, es kann jedoch jede beliebige rationale Technik einschließlich Varianten oder selbstabstimmende PID-Controller verwendet werden.
• 2 ist ein Blockdiagramm 40, welches einen Betrieb des Algorithmus der Erfindung zeigt, der durch den Controller 30 ausgeführt wird, um eine Abschätzung der oben erläuterten Parameter vorzusehen. Das adaptive Modell ist durch Gleichung (2) bereitgestellt, um die Eingangstemperatur des Stapels 12 bereitzustellen, wobei die Parameter a, b und θ durch den Algorithmus abgeschätzt werden. Der gewünschte Temperatursollwert T_sp und die Temperatur T_stk,out an dem Ausgang des Stapels 12, gemessen von dem Sensor 26, werden an einen Subtrahierer 42 geliefert, der ein Temperaturfehlersignal an einen Dead-Beat-Steuerprozessor 44 liefert. Der Dead-Beat-Steuerprozessor 44 ist eine Art von Steuerung, die verwendet werden kann. Wie für den Fachmann offensichtlich, können andere Arten von Steuerung wie z. B eine PID-Steuerung gleichermaßen anwendbar sein.
• Der Dead-Beat-Steueralgorithmus empfängt die Variablen a₁ und b₁ und den Wert θ und stellt eine Steuerung des Umgehungsventils 22 bereit, um die Temperatur des in den Stapel 12 eingebrachten Kühlfluids auf den Temperatursollwert Tsp zu zwingen. Das Befehlssignal des Umgehungsventils 22 von dem Prozessor 44 wird zu einer Brennstoffzellenanlage 46 gesendet, die als G_p definiert ist und das Brennstoffzellensystem 10 repräsentiert. Die Anlage 46 empfängt die verschiedenen Störungen auf der Leitung 48 wie z. B. die Umgebungstemperatur T_amb, die Ausgangsleistung des Stapels 12, die Pumpendrehzahl, die Gebläsedrehzahl etc. Ein Ausgang der Anlage 46 ist die gemessene Temperatur T_stk,out des Kühlfluids aus dem Stapel 12, wie von dem Sensor 26 gemessen.
• Der Befehl des Umgebungsventils 22 von dem Prozessor 44 und die Temperatur T_stk,out des Kühlfluids aus dem Stapel 12 werden an einen Totzeit-Abschätzungsprozessor 50 geliefert, welcher den Totzeitwert θ wie auch die Variablen b₀ und b₂ berechnet. In einer Ausführungsform verwendet der Prozessor 50 die Gleichungen (4) - (9), um den Totzeitwert θ für eine Reihe von Abtastperioden k zu ermitteln, um zu ermitteln, ob der Totzeitwert θ anwendbar ist, um die Position des Umgehungsventils 22 zu ändern und zu bewirken, dass sich die Temperatur an dem Auslass des Stapels 12 zu dem Temperatursollwert Tsp hin bewegt. Der Totzeitwert θ von dem Prozessor 50 wird zu einem Anlagenmodell-Abschätzungsprozessor 52 gesendet, der die Variablen a₁ und b₁ mit den unten stehenden Gleichungen (17) - (23) berechnet, welche die Standardgleichungen für einen rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate sind, wie für den Fachmann ohne weiteres verständlich. $$\xi \left(k+1\right)=\xi \left(k\right)+\gamma \left(k\right)\cdot e\left(k+1\right)$$

  

  $$\gamma \left(k\right)=\mu \left(k+1\right)\cdot P\left(k\right)\cdot \mathrm{\Psi }\left(k+1\right)$$

  

  $$e\left(k+1\right)=\gamma \left(k+1\right)-{\psi }^T\left(k+1\right)\cdot \xi \left(k\right)$$

  

  $$\xi ={\left[{\widehat{a}}_1\dots {\widehat{a}}_m,{\widehat{b}}_1\dots {\widehat{b}}_m\right]}^T$$

  

  $${\psi }^T\left(k\right)=\left[-\gamma \left(k-1\right)\dots -\gamma \left(k-\widehat{m}\right)u\left(k-\widehat{\theta }-1\right)\dots u\left(k-\widehat{\theta }-\widehat{m}\right)\right]$$

  

  $$\mu \left(k+1\right)={\left[\lambda +{\psi }^T\left(k+1\right)\cdot P\left(k\right)\cdot \psi \left(k+1\right)\right]}^{-1}$$

  

  $$P\left(k+1\right)=\left[I-\gamma \left(k\right)\cdot {\psi }^T\left(k+1\right)\right]\cdot P\left(k\right)/\lambda$$

  

  wobei ξ die zu identifizierenden Anlagenparameter sind, θ̂ die Totzeitabschätzung von dem Block 50 ist, Ψ^T die Matrix der Eingangs/Ausgangsdaten ist, µ ein Scheinwert ist, der mit γ(k) kombiniert werden könnte, was eine Abschätzung der Kovarianzmatrix ist, wobei die Kovarianzmatrix ein Maß für den Fit ist und e(k + 1) der Fehler zwischen den Daten γ(k; + 1) und der Modellvorhersage Ψ^T(k + 1)*θ(k) ist. Der Wert γ kann auch mit P(k + 1) kombiniert werden.
• Der Dead-Beat-Steuerprozessor 44 berechnet das Steuersignal, das in den Gleichungen (24) und (25) unten gezeigt ist und dann verwendet wird, um die Position des Umgehungsventils 22 zu ändern, was die Temperatur T_stk,out des Kühlfluids aus dem Stapel 12 auf den Temperatursollwert T_sp · zwingen wird. $$u=q_0{z}^{-\theta }B+q_{0}A$$

  

  $$q_0=\frac{1}{{\displaystyle \sum b_i}},B=b,A=z+a$$

  
• Somit stellen die Berechnungen der Variablen a₁ und b₁ und der Wert θ Abschätzungen des thermischen Untersystem-Brennstoffzellenanlagenmodells bereit, welches unkontrollierten Störungen an dem Brennstoffzellensystem 10 unterworfen ist, die durch den Prozessor 44 adaptiv berücksichtigt werden, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zu verändern.
• Der Prozess zum Berechnen der Störungen kann wie folgt zusammengefasst werden. Eingangs/Ausgangsdaten werden aus dem System entnommen, die in dem oben beschriebenen Fall den Befehl für das Umgehungsventil 22 und die Ausgangstemperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 umfassen. Dann wird eine rekursive Methode der kleinsten Quadrate verwendet, um die drei Modelltypen anzupassen. Die Modelle werden dann mit einer Varianz verglichen, was sich auf einen Vergleich des Verhältnisses von b₀ und b₂ mit einer Schwelle reduziert, und danach wird der Totzeitwert θ ermittelt, der ansteigen, abnehmen oder gleich bleiben sollte. Der Totzeitwert θ wird dann zu einem weiteren rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate gesendet, um die Parameter α und b zu ermitteln. Die Parameter a, b und θ werden dann auf einen Dead-Beat-Algorithmus angewendet. Diese Werte sind die Dynamik des thermischen Untersystems.

Claims (6)

1. Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; eine Kühlfluidpumpe, die ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel pumpt; einen Temperatursensor, der die Temperatur des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel misst; einen Kühler zum Kühlen des Kühlfluids von dem Brennstoffzellenstapel, bevor es zu dem Brennstoffzellenstapel zurückgeführt wird; ein Umgehungsventil, das selektiv zulässt, dass ein Teil des Kühlfluids den Kühler umgeht; und einen Controller zum Steuern der Position des Umgehungsventils, wobei der Controller ein Temperatursignal von dem Temperatursensor empfängt, der Controller eine Vielzahl von Variablen und einen Totzeitwert berechnet, die verwendet werden, um die Position des Umgehungsventils derart festzulegen, dass sich die Temperatur des Kühlfluids, das aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, zu einem gewünschten Temperatursollwert hin bewegt, wobei der Controller ein Anlagenmodell erster Ordnung plus Totzeit in Kombination mit einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate verwendet, um die Position des Umgehungsventils zu berechnen, wobei der Controller ein erstes Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung aufweist, die größer ist als eine aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, ein zweites Totzeitanlagenmodell, welches eine Zeitverzögerung umfasst, die kleiner ist als die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, und ein drittes Totzeitanlagenmodell abschätzt, welches die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts umfasst, wobei das erste Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird und das zweite Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird, indem Varianzen in den Abschätzungen berechnet werden, um zu ermitteln, ob der Totzeitwert erhöht oder verringert werden sollte, und wobei ein Verhältnis der Varianzen als ein Verhältnis von zwei der Variablen in der Vielzahl von Variablen bereitgestellt wird, wobei das Verhältnis der zwei Variablen mit einer Schwelle verglichen wird, um zu ermitteln, ob eine Zeitverzögerung erhöht oder verringert werden soll.
2. System nach Anspruch 1, wobei der Controller die Position des Umgehungsventils unter Verwendung einer Dead-Beat-Steuerung festlegt.
3. System nach Anspruch 1, wobei der Controller die Position des Umgehungsventils unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differential-Steuerung festlegt.
4. System nach Anspruch 1, wobei das Umgehungsventil ein elektrisch beheiztes Wachsthermostat-Umgehungsventil ist.
5. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird; die Temperatur des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird; das Kühlfluid von dem Brennstoffzellenstapel in einem Kühler gekühlt wird, bevor es zu dem Brennstoffzellenstapel zurückgeführt wird; und die Menge des Kühlfluids, das den Kühler umgeht, in Ansprechen auf Systemstörungen gesteuert wird, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels bei oder nahe einem gewünschten Temperatursollwert zu halten, wobei das Steuern der Menge des Kühlfluids, welche den Kühler umgeht, umfasst, dass eine rekursive Methode der kleinsten Quadrate und ein Anlagenmodell erster Ordnung plus Totzeit verwendet werden und eine Vielzahl von Variablen und ein Totzeitwert, der in Ansprechen auf eine Abschätzung eines Totzeitanlagenmodells erhöht oder verringert wird, berechnet werden, wobei das Steuern der Menge des Kühlfluids, das den Kühler umgeht, in Ansprechen auf Systemstörungen umfasst, dass Abschätzungen eines ersten Totzeitanlagenmodells, welches eine Zeitverzögerung aufweist, die größer ist als eine aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, eines zweiten Totzeitanlagenmodells, welches eine Zeitverzögerung umfasst, die kleiner ist als die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts, und eines dritten Totzeitanlagenmodells, welches die aktuelle Abschätzung des Totzeitwerts umfasst, verwendet werden, wobei das Steuern der Menge des Kühlfluids, das den Kühler umgeht, in Ansprechen auf Systemstörungen umfasst, dass das erste Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird und das zweite Totzeitanlagenmodell mit dem dritten Totzeitanlagenmodell verglichen wird, indem die Varianzen in den Abschätzungen berechnet werden, um zu ermitteln, ob der Totzeitwert erhöht oder verringert werden sollte, und wobei das Steuern der Menge des Kühlfluids, das den Kühler umgeht, in Ansprechen auf Systemstörungen umfasst, dass ein Verhältnis der Varianzen als ein Verhältnis von zwei der Variablen in der Vielzahl von Variablen bereitgestellt wird, wobei das Verhältnis der zwei Variablen mit einer Schwelle verglichen wird, um zu ermitteln, ob eine Zeitverzögerung erhöht oder verringert werden soll.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Steuern der Menge des Kühlfluids, das den Kühler umgeht, in Ansprechen auf Systemstörungen umfasst, dass die Position des Umgehungsventils unter Verwendung einer Dead-Beat-Steuerung festgelegt wird.

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