DE102011100159B4

DE102011100159B4 - Adaptives Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors mit modellieren von Unsicherheiten in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102011100159B4
Application number: DE102011100159.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Frost; Darrell W. Burleigh; Daniel C. Di Fiore
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: US8409762B2; CN102237536B; US20110274996A1; DE102011100159A1; CN102237536A

Abstract

Verfahren zum adaptiven Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors (20), der einem Brennstoffzellenstapel (12) in einem Brennstoffzellensystem (10) Wasserstoff zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Vorsteuerungs-Strömungsbias für den Brennstoffzufuhrinjektor (20) aus dem elektrischen Strom des Stapels (12), Ventilverlusten und einer Transienten-Druckkorrektur in dem Stapel (12), wobei die Transienten-Druckkorrektur von einem Drucksensor (42) gemessen wird; Ermitteln eines Strömungssollwerts für den Injektor (20), wobei das Ermitteln des Strömungssollwerts des Injektors (20) das Vergleichen des Vorsteuerungs-Strömungsbias mit einem vorbestimmten Drucksollwert und einer Druckrückmeldung von dem Brennstoffzellenstapel (12) umfasst; Korrigieren des Strömungssollwerts des Injektors (20), um einen korrigierten Strömungssollwert zu ermitteln; Ermitteln eines maximalen Durchsatzes für den Injektor (20); Ermitteln eines Arbeitszyklus des Injektors (20) beruhend auf dem korrigierten Strömungssollwert und dem maximalen Durchsatz; und Verwenden des Arbeitszyklus, um den Injektor (20) so zu steuern, dass er Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel (12) einspritzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum adaptiven Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in dem Anodenkatalysator gespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anoden- und die Kathodenelektroden oder Katalysatorschichten umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly). Jede MEA ist für gewöhnlich zwischen zwei Lagen porösen Materials, der Gasdiffusionsschicht (GDL, kurz vom engl. Gas Diffusion Layer), die die mechanische Unversehrtheit der Membran schützt und bei der gleichmäßigen Diffusion von Reaktantfeuchte mitwirkt, sandwichartig eingeschlossen. MEAs sind relativ teuer in der Fertigung und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine von einem Verdichter durch den Stapel gedrückte Luftströmung. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verzehrt, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als Nebenprodukt der in dem Stapel erfolgenden chemischen Reaktion umfassen kann.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEA in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEA zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler oder Strömungsfelder für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Eine aktuelle Brennstoffzellensystem-Software steuert die Einspritzung des Anoden-Wasserstoffbrennstoffs durch Halten des Drucks des Brennstoffzellenstapels unter Verwenden eines Steuergeräts mit Vorsteuerung. Der Ausgang des Steuergeräts dient dazu, den anodenseitigen Druck des Brennstoffzellenstapels durch Nutzen eines Brennstoffströmungssollwerts in Mol pro Sekunde zu halten. Die geschätzte Injektorströmung, die auf dem gehaltenen Druck des Brennstoffzellenstapels beruht und die nachstehend näher beschrieben wird, wird genutzt, um die Konzentration von Stickstoff in dem Brennstoffzellenstapel, die Stickstoffablassströmung, den Anodendifferenzdruck des Stapels, den Anodenstromwasserhaushalt und die Anodengaszusammensetzung zu schätzen sowie Lecks in dem Anodensubsystem zu detektieren. Eine schlecht eingestellte Injektorströmung bewirkt einen großen Fehler in dem in dem System verwendeten Stickstoffmodell, z. B. kann ein Strömungsfehler von 10% einen Fehler von 20% bei dem verwendeten Stickstoffmodell bewirken. Daher ist präzises Schätzen von Injektorströmung in einem Brennstoffzellensystem wichtig.
Wie vorstehend erläutert wird der Ausgang des Drucksteuergeräts genutzt, um den Brennstoffströmungssollwert in Mol pro Sekunde zu ermitteln. Um den Arbeitszyklus des Injektors festzulegen, wird die maximale Strömung des Injektors unter Verwenden eines Schalldüsenmodells berechnet, wobei die Injektoreigenschaften einen Maximalströmungskoeffizienten (k_v) ermitteln, der bei 100% Arbeitszyklus liegend angenommen wird. Der Brennstoffströmungssollwert wird dann durch die berechnete maximale Injektorströmung dividiert, um den Arbeitszyklus zu ermitteln.
Das Verwenden des maximalen Brennstoffströmungskoeffizienten k_v nimmt inhärent an, dass der Injektor völlig linear ist und keine Öffnungs- und Schließströmungswirkungen aufweist. Reale Injektoren verhalten sich aber nicht so. Wie bei jedem Fertigungsteil sind weiterhin Injektoren der gleichen Ausführung nicht identisch und Fertigungsteile verschleißen nicht gleich. Im Verlauf der Lebensdauer eines Injektors kann er somit von seinen Sollvorgaben abweichen. Alle diese möglichen Differenzen gegenüber einem Sollinjektor können signifikante Differenzen bei der berechneten Injektorströmung bewirken. Die Injektorströmung ist weiterhin wichtig, da die aktuelle Steuerungssoftware sie zum Ermitteln von Stickstoffablassströmung, Anodendifferenzdruck des Stapels, Anodenstromwasserhaushalt und Anodengaszusammensetzung nutzt. Daher besteht im Stand der Technik Bedarf nach einem adaptiven Injektormodell, das Änderungen und Differenzen von einzelnen Injektoren erfassen kann.
Die DE 11 2007 003 165 T5 beschreibt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems; und
2 ist ein Flussdiagramm eines adaptiven Verfahrens zum Steuern eines Injektors in einem Brennstoffzellensystem.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein adaptives Verfahren zum Steuern eines Injektors gerichtet sind, der einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem Wasserstoff zuführt, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite umfasst. Ein Injektor 20 spritzt von einer Wasserstoffquelle 14 an einer Anodeneingangsleitung 16 Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 ein. Der Injektor 20 kann ein beliebiger Injektor, Injektor/Sektor oder eine beliebige Reihe von Injektoren sein, die für die hierin beschriebenen Zwecke geeignet sind. Ein Temperatursensor 26 misst die Temperatur des Wasserstoffs in der Anodeneingangsleitung 16, und ein Drucksensor 28 misst den Druck des Wasserstoffs in der Anodeneingangsleitung 16. In dieser Ausführungsform nutzt das Brennstoffzellensystem 10 Anodenrückführung, wobei ein Anodenrückführgas von dem Stapel 12 ausgegeben wird und durch eine Anodenrückführleitung 18 durch den Injektor 20 zurück zu der Anodeneingangsleitung 16 rückgeführt wird. Ein Drucksensor 42 an der Anodenrückführleitung 18 überwacht den Druck in der Anodenseite des Stapels 12. In einer Auslassleitung 22 ist ein Ventil 24 vorgesehen und wird regelmäßig geöffnet, um beruhend auf einem Zeitplan Wasser abzulassen und Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen, wie dem Fachmann gut bekannt ist. Ein Verdichter 30 sieht an einer Kathodeneingangsleitung 34 eine Luftströmung zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vor, und eine Kathodenabgasleitung 36 nimmt das Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf.
Wie vorstehend dargelegt besteht im Stand der Technik Bedarf nach einem adaptiven Injektormodell, das Änderungen und Differenzen von einzelnen Injektoren erfassen kann, um die Unzulänglichkeiten früherer Verfahren für die Brennstoffzufuhr zu mindern. 2 ist ein Flussdiagramm 50, das eine Ausführungsform eines adaptiven Injektorsteuerungsalgorithmus veranschaulicht, der sich an die Eigenschaften einzelner Injektoren anpassen kann. Der Algorithmus wird zu Zeiten genutzt, da die Anodenseite als geschlossenes System arbeitet, d. h. wenn alle Ventile, wie etwa das Ventil 24, geschlossen sind, wenn das Brennstoffzellensystem 10 in einem stationären Zustand arbeitet, bei dem der Injektor 20 nur soviel Brennstoff zugibt, wie verbraucht wird, um den Solldruck zu halten.
Eine Vorsteuerungs-Strömungsbias-Berechnung wird bei Feld 52 beruhend auf drei Eingaben ermittelt: (1) elektrischer Strom, der mit Wasserstoffverbrauch korreliert, (2) Ventilverluste, was eine Ermittlung von Druckverlust beruhend darauf ist, ob in dem Anodensubsystem des Systems 10 Ventile offen stehen, und (3) eine Transienten-Korrektur, die eine Druckkorrektur beruhend auf Transienten des Drucks des Brennstoffzellenstapels 12 ist, was durch den Drucksensor 42 gemessen wird. Aus diesen drei Eingaben wird ein Strömungsbias ermittelt, das eine geschätzte Sollströmung von Wasserstoff zum Halten des Brennstoffzellenstapels 12 bei einem Solldruck ist. Der Algorithmus ermittelt bei Feld 54 beruhend auf einem vorbestimmten Drucksollwert, Druckrückmeldung des Brennstoffzellensystems 10 und dem bei Feld 52 berechneten Strömungsbias den Strömungssollwert des Injektors 20.
Der Strömungssollwert wird dann bei Feld 56 durch Vergleichen des Strömungssollwerts mit dem elektrischen Strom des Stapels, der mit dem Wasserstoffverbrauch korreliert, und die Transienten-Druckkorrektur, die die Druckkorrektur beruhend auf Transienten des Drucks des Brennstoffzellenstapels 12 ist, der durch den Drucksensor 42 gemessen wird, durch einen adaptiven Korrektor 56 korrigiert. Der Strömungssollwert wird angepasst, um dem Wasserstoffverbrauch und der Transienten-Druckkorrektur zu entsprechen, wenn alle Anodenventile geschlossen sind. Der korrigierte Strömungssollwert aus dem Feld 56 wird dann verwendet, um bei Feld 58 den Sollarbeitszyklus des Injektors 20 zu ermitteln. Der Sollarbeitszyklus des Injektors 20 wird beruhend auf dem korrigierten Strömungssollwert aus Feld 56 und einer Maximalbrennstoffströmungsberechnung aus Feld 60 ermittelt. Die Maximalströmungsberechnung ist die Maximalströmung, zu der der Injektor 20 fähig ist, und beruht auf dem Druck der Wasserstoffversorgung von der Quelle 14, die von dem Drucksensor 28 gemessen wird, der Temperatur der Wasserstoffversorgung, die von dem Temperatursensor 26 gemessen wird, und dem Maximalströmungskoeffizienten k_v, der auf der Größe der Düse des Injektors 20 beruht. Sobald der Sollarbeitszyklus des Injektors 20 ermittelt ist, wird bei Feld 62 der Injektorarbeitszyklus von dem Brennstoffzellensystem genutzt. Eine Druckrückmeldung von dem Brennstoffzellensystem 10, die während des Arbeitens mit dem Sollarbeitszyklus des Injektors 20 bei Feld 62 von dem Drucksensor 42 gegemessen wird, wird wie vorstehend beschrieben als Eingabe beim Ermitteln des Strömungssollwerts bei Feld 54 verwendet.
Somit nimmt der adaptive Injektorsteuerungsalgorithmus den Ausgang des Drucksteuergeräts, d. h. den Brennstoffströmungssollwert, und vergleicht ihn wie vorstehend beschrieben mit dem elektrischen Strom des Stapels und den Drucktransienten des Stapels, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Ein Fehler e zwischen dem Brennstoffströmungssollwert und dem elektrischen Strom und den Drucktransienten wird genutzt, um einen Skalierungsfaktor n . SP / INJ,ADP, der nachstehend näher beschrieben wird, des Strömungssollwerts zu erzeugen, der dann zu dem Arbeitszykluskalkulator weitergeleitet wird, um sicherzustellen, dass Ungenauigkeiten des Injektormodells nicht zu dem Strömungssollwert fortgepflanzt werden, wenn das System abgedichtet ist. Somit wird die Schätzung der Injektorströmung verfeinert, wodurch bei anderen Systemschätzungen, wie etwa der Stickstoffkonzentrationsschätzung, sowie bei Leckdetektion größere Genauigkeit zu ermöglichen.
Der Skalierungsfaktor n . SP / INJ,ADP, der von dem Algorithmus bei Feld 56 ermittelt wurde, ist wie folgt definiert:
und wobei n . SP / INJ,ADP, der Skalierungsfaktor ist, n . SP / INJ der Injektorströmungssollwert unter der Annahme eines linearen Strömungsinjektoransprechens ist, k_p die proportionale Verstärkung ist, k_i∫ y / 0edt eine erste integrale Verstärkung ist, k_a∫ t / 0[k_i∫ u / 0edu]dt eine zweite integrale Verstärkung ist, I der elektrische Strom des Stapels ist, Ncell die Anzahl an Zellen in dem Stapel 12 ist, P der Anodendruck ist, V das Anodenvolumen ist, T die Temperatur des Anodengases ist, F die Faraday-Konstante ist und R die universelle Gaskonstante ist.
Gleichung (1) ist im Wesentlichen eine PI-Optimierung mit einem zweiten Langzeitintegrator. Die proportionale p-Verstärkung versucht, den momentanen Fehler zu korrigieren, die erste integrale i-Verstärkung korrigiert kurzfristig den stationären Fehler und die a-Verstärkung des zweiten Integrators erfasst den langfristigen Fehler, d. h. solche Fehler, die einen bleibenden Fehler anzeigen, wie etwa von Teil zu Teil auftretende Änderungen des Injektors 20. Bei dem Algorithmus wird jeder Schritt der a-Verstärkung, der Langzeitfehler, aus der i-Verstärkung, dem Kurzzeitfehler, entfernt, um den Langzeitfehler zu stabilisieren und ein übermäßiges Adaptieren des Algorithmus zu verhindern. Wie vorstehend dargelegt wird der Algorithmus gestoppt, wenn ein Anodenventil geöffnet wird. Weiterhin ist der Algorithmus nur während des Betriebsmodus gültig und ein Wasserstoffübertritt wird als minimal oder null angenommen. Somit ist der Anodendruck-Strömungssollwert ein Hinweis darauf, was in das System eingespritzt wird. Bei Feld 56 kann auch ein Adaptionsschwellenwert verwendet werden, um ein Diagnoseinstrument auszulösen, sobald der Adapationsschwellenwert erreicht ist, um dem Algorithmus das Detektieren und Mindern von Systemlecks zu ermöglichen.
Wie vorstehend dargelegt nehmen Arbeitszyklusalgorithmen des Stands der Technik ein lineares Injektoransprechen an, was eine Annahme ist, die den realen Betrieb nicht adäquat wiedergibt. Wie vorstehend beschrieben kann, wenn die Adaption durch den Algorithmus bei Feld 56 an unterschiedlichen Punkten der Strömungskurve einzigartig ist, erfindungsgemäß der Algorithmus durch Speichern des Status der a-Verstärkung in Bins dividiert durch Stromdichte effektiv genutzt werden, da die Stromdichte direkt proportional zu Strömung ist. Wenn sich somit das Brennstoffzellensystem 10 die Strömungskurve auf und ab bewegt, was aufgrund der Nichtlinearität der Strömung durch den Injektor 20 erwartet wird, stellt sich der adaptive Algorithmus selbst zurück, um den richtigen Wert aus dem entsprechenden Bin zu verwenden, und fährt mit dem Adaptieren fort. Wie dem Fachmann bekannt ist, sind Bins Datenstrukturen, die effiziente Bereichsabfragen durch Partitionieren von Bereichen einer zweidimensionalen Ebene zulassen, wodurch dem Algorithmus das Adaptieren für Nichtlinearitäten ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zum adaptiven Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors (20), der einem Brennstoffzellenstapel (12) in einem Brennstoffzellensystem (10) Wasserstoff zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Vorsteuerungs-Strömungsbias für den Brennstoffzufuhrinjektor (20) aus dem elektrischen Strom des Stapels (12), Ventilverlusten und einer Transienten-Druckkorrektur in dem Stapel (12), wobei die Transienten-Druckkorrektur von einem Drucksensor (42) gemessen wird; Ermitteln eines Strömungssollwerts für den Injektor (20), wobei das Ermitteln des Strömungssollwerts des Injektors (20) das Vergleichen des Vorsteuerungs-Strömungsbias mit einem vorbestimmten Drucksollwert und einer Druckrückmeldung von dem Brennstoffzellenstapel (12) umfasst; Korrigieren des Strömungssollwerts des Injektors (20), um einen korrigierten Strömungssollwert zu ermitteln; Ermitteln eines maximalen Durchsatzes für den Injektor (20); Ermitteln eines Arbeitszyklus des Injektors (20) beruhend auf dem korrigierten Strömungssollwert und dem maximalen Durchsatz; und Verwenden des Arbeitszyklus, um den Injektor (20) so zu steuern, dass er Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel (12) einspritzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Korrigieren des Strömungssollwerts des Injektors (20), um einen korrigierten Strömungssollwert zu ermitteln, das Ermitteln des Wasserstoffverbrauchs des Brennstoffzellenstapels (12) und von Drucktransienten des Brennstoffzellenstapels (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln eines maximalen Durchsatzes für den Injektor (20) das Ermitteln des Maximalströmungskoeffizienten für den Injektor (20), des Drucks der Wasserstoffversorgung und der Temperatur der Wasserstoffversorgung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Erzeugen eines Skalierungsfaktors des Strömungssollwerts umfasst, der zu der Arbeitszyklusermittlung weitergeleitet wird, um sicherzustellen, dass Ungenauigkeiten in dem Injektormodell nicht zu dem Strömungssollwert fortgepflanzt werden, wenn das System abgedichtet ist.