DE102010047504B4 - A method of maintaining an output voltage of fuel cells in a fuel cell stack at or below a maximum voltage - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Halten einer Ausgangsspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel bei oder unter einer maximalen Spannung, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein gewünschter Spannungssollwert modifiziert wird, der einen vorbestimmten maximalen Brennstoffzellenspannungswert definiert; ein Fehlerwert zwischen dem modifizierten Spannungssollwert und einer durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung von den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt wird; ein Minimalbruttoleistungsvorhersagewert mithilfe des modifizierten Spannungssollwerts bestimmt wird, der verwendet wird, um zu verhindern, dass die Brennstoffzellenspannung das vorbestimmte Maximum überschreitet; ein Zusatzleistungswert auf der Basis des Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts und des Fehlerwerts bestimmt wird, um zu bestimmen, wie viel Leistung von dem Stapel bezogen werden muss, um die Brennstoffzellenspannung unter dem vorbestimmten maximalen Spannungswert zu halten; eine Batterie mithilfe von Stapelleistung auf der Basis des Zusatzleistungswerts geladen wird, um die Brennstoffzellenspannung zu reduzieren; und eine Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt wird, um die Brennstoffzellenspannung zu reduzieren, wenn die maximale Batterieladegrenze erreicht ist oder erreicht werden kann.A method of maintaining an output voltage of fuel cells in a fuel cell stack at or below a maximum voltage, the method comprising: modifying a desired voltage setpoint defining a predetermined maximum fuel cell voltage value; determining an error value between the modified voltage setpoint and an average fuel cell voltage from the fuel cells in the fuel cell stack; determining a minimum gross power predicted value using the modified voltage setpoint used to prevent the fuel cell voltage from exceeding the predetermined maximum; determining an additional power value based on the minimum gross power predicted value and the error value to determine how much power needs to be drawn from the stack to maintain the fuel cell voltage below the predetermined maximum voltage value; charging a battery based on the stacked power value based on the stack power to reduce the fuel cell voltage; and an auxiliary load is coupled to the fuel cell stack to reduce the fuel cell voltage when the maximum battery charge limit is reached or can be achieved.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Halten der Spannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten maximalen Spannungsschwelle und im Spezielleren ein Verfahren zum Halten der Spannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten maximalen Spannungsschwelle, indem ein vorhergesagter Minimalbruttoleistungs-Vorwärtskopplungsterm bzw. -Feed-Forward-Term mithilfe von Parametern bestimmt wird, die aus einer Polarisationskurvenabschätzung bestimmt werden, und eine Batterie geladen und/oder eine Hilfslast an den Stapel angelegt wird, um die durchschnittliche oder maximale Spannungsmessgröße der Brennstoffzellen unter die maximale Spannung zu reduzieren, falls erforderlich.This invention relates generally to a method for maintaining the voltage of fuel cells in a fuel cell stack below a predetermined maximum voltage threshold, and more particularly to a method of maintaining the voltage of fuel cells in a fuel cell stack below a predetermined maximum voltage threshold by providing a predicted minimum gross power feed forward term Forward term is determined using parameters determined from a polarization curve estimation and a battery is charged and / or an auxiliary load is applied to the stack to reduce the average or maximum voltage measurement of the fuel cells below the maximum voltage, if necessary.

Erläuterung des Standes der TechnikExplanation of the prior art

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.Hydrogen is a very attractive fuel because it is clean and can be used to efficiently produce electricity in a fuel cell. A hydrogen fuel cell is an electrochemical device comprising an anode and a cathode with an electrolyte therebetween. The anode receives hydrogen gas and the cathode receives oxygen or air. The hydrogen gas is decomposed in the anode to generate free protons and electrons. The protons pass through the electrolyte to the cathode. The protons react with the oxygen and electrons in the cathode to produce water. The electrons from the anode can not pass through the electrolyte and are therefore passed through a load to do work before being sent to the cathode.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfassen 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 gegenüberliegenden 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 erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are common fuel cells for vehicles. The PEMFC generally comprise a solid, proton-conducting polymer electrolyte membrane, such as e.g. B. a perfluorosulfonic acid membrane. The anode and cathode typically comprise finely divided catalytic particles, usually platinum (Pt), carried on carbon particles and mixed with an ionomer. The catalytic mixture is deposited on opposite sides of the membrane. The combination of the catalytic anode mix, the catalytic cathode mix and the membrane defines a membrane electrode assembly (MEA). MEAs are relatively expensive to manufacture and require certain conditions for effective operation.

Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise 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 empfängt ein Kathodeneingangs-Reaktandengas, typischerweise eine Strömung von Luft, 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-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.Multiple fuel cells are typically combined in a fuel cell stack to produce the desired performance. For example, a typical fuel cell stack for a vehicle may include two hundred or more stacked fuel cells. The fuel cell stack receives a cathode input reactant gas, typically a flow of air forced by a compressor through the stack. The stack does not consume all of the oxygen, and some of the air is released as a cathode exhaust, which may contain water as a stack by-product. The fuel cell stack also receives an anode hydrogen reactant gas flowing into the anode side of the stack. The stack also includes flow channels through which a cooling fluid flows.

Ein 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 den 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 entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.A fuel cell stack includes a series of bipolar plates positioned between the various MEAs in the stack with the bipolar plates and MEAs positioned between the two end plates. The bipolar plates include an anode side and a cathode side for adjacent fuel cells in the stack. Anode gas flow channels are provided on the anode side of the bipolar plates that allow the anode reactant gas to flow to the corresponding MEA. Cathode gas flow channels are provided on the cathode side of the bipolar plates, which allow the cathode reactant gas to flow to the corresponding MEA. One end plate includes anode gas flow channels and the other end plate includes cathode gas flow channels. The bipolar plates and the end plates are made of a conductive material such. As stainless steel or a conductive composite material. The end plates direct the electricity generated by the fuel cells out of the stack. The bipolar plates also include flow channels through which a cooling fluid flows.

Es wurde festgestellt, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel eine/n Spannungsverlust oder -degradation über die Lebensdauer des Stapels aufweisen wird. Man geht davon aus, dass die Brennstoffzellenstapeldegradation unter anderem die Folge des Spannungszyklusbetriebes der Brennstoffzellen in dem Stapel ist. Der Spannungszyklusbetrieb findet statt, wenn die Platinkatalysatorpartikel, die verwendet werden, um den elektrochemischen Reaktionsübergang zwischen einem oxidierten Zustand und einem nicht oxidierten Zustand zu verbessern, was die Auflösung der Partikel bewirkt. Wenn die Spannung einer Brennstoffzelle niedriger ist als etwa 0,9 Volt, werden die Platinpartikel nicht oxidiert und bleiben ein Metall. Wenn die Spannung der Brennstoffzelle 0,9 Volt überschreitet, beginnen die Platinkristalle zu oxidieren. Eine geringe Last an dem Stapel kann bewirken, dass der Spannungsausgang der Brennstoffzelle 0,9 Volt überschreitet. Die 0,9 Volt entsprechen einer Stromdichte von 0,2 A/cm2, abhängig von der Leistungsdichte der MEA, wobei eine Stromdichte über diesem Wert den Platinoxidationszustand nicht ändert. Die Oxidationsspannungsschwelle kann für verschiedene Stapel und verschiedene Katalysatoren verschieden sein.It has been discovered that a typical fuel cell stack will suffer from voltage loss or degradation over the life of the stack. Among other things, fuel cell stack degradation is believed to result from the voltage cycle operation of the fuel cells in the stack is. Voltage cycle operation occurs when the platinum catalyst particles used to enhance the electrochemical reaction transition between an oxidized state and a non-oxidized state, causing the particles to dissolve. When the voltage of a fuel cell is lower than about 0.9 volts, the platinum particles are not oxidized and remain a metal. When the voltage of the fuel cell exceeds 0.9 volts, the platinum crystals begin to oxidize. A light load on the stack may cause the voltage output of the fuel cell to exceed 0.9 volts. The 0.9 volt corresponds to a current density of 0.2 A / cm 2 , depending on the power density of the MEA, with a current density above this value not changing the platinum oxidation state. The oxidation voltage threshold may be different for different stacks and different catalysts.

Wenn die Platinpartikel zwischen einem Metallzustand und einem oxidierten Zustand wechseln, sind oxidierte Ionen im Platin in der Lage, sich von der Oberfläche der MEA zu der Membran hin und möglicherweise in die Membran hinein zu bewegen. Wenn die Partikel in den Metallzustand zurückkehren, befinden sie sich nicht in einer Position, um in der elektrochemischen Reaktion zu unterstützen, was die aktive Katalysatoroberfläche reduziert und die Spannungsdegradation des Stapels zur Folge hat.As the platinum particles change between a metal state and an oxidized state, oxidized ions in the platinum are able to move from the surface of the MEA toward the membrane and possibly into the membrane. As the particles return to the metal state, they are not in position to assist in the electrochemical reaction, which reduces the active catalyst surface and results in voltage degradation of the stack.

Wie oben erläutert, verursacht der Spannungszyklusbetrieb bis nahe an die Stapelleerlaufspannung (OCV von open circuit voltage) und der andauernde Brennstoffzellenstapelbetrieb bei oder nahe der OCV eine Reduktion im Platinkatalysatoroberflächenbereich und führt zur Korrosion des Katalysatorträgers. Durch Halten der durchschnittlichen Zellenspannung unter einer gewissen vorbestimmten Schwelle wie z. B. 900 mV ist es möglich, eine Spannungsdegradation in dem Stapel zu verhindern und seine Langlebigkeit zu verbessern.As discussed above, voltage cycling up to near the open circuit voltage (OCV) and ongoing fuel cell stack operation at or near the OCV causes reduction in the platinum catalyst surface area and leads to corrosion of the catalyst support. By holding the average cell voltage below a certain predetermined threshold such. B. 900 mV, it is possible to prevent voltage degradation in the stack and to improve its longevity.

In der US 2009/0029197 A1 ist ein Verfahren zum Halten einer Ausgangsspannung von Brennstoffzellen (BSZ) in einem BSZ-Stapel bei oder unter einer maximalen Spannung beschrieben. Dabei wird ein Spannungssollwert modifiziert, der einen maximalen BSZ-Spannungswert definiert. Ferner umfasst das Verfahren eine Bestimmung einer nötigen Stapelleistung zur Erreichung des Spannungssollwerts und eine Bestimmung der nötigen Differenzleistung sowie eine Verteilung der Leistung auf Batterie und, nach Erreichung der Ladegrenze, Zusatzlast(en).In the US 2009/0029197 A1 For example, a method of maintaining an output voltage of fuel cells (BSZ) in a BSZ stack at or below a maximum voltage is described. In this case, a voltage setpoint is modified, which defines a maximum BSZ voltage value. Furthermore, the method comprises a determination of a required stacking power to achieve the voltage setpoint and a determination of the required differential power and a distribution of power on battery and, after reaching the charging limit, additional load (s).

Ein ähnliches Verfahren beschreibt ferner die US 2006/0147770 A1 , wobei dort die Spannungsunterdrückung nach Erreichen einer Batterieladegrenze außer Kraft gesetzt wird.A similar method further describes the US 2006/0147770 A1 , where the voltage suppression is overridden after reaching a battery charging limit.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum Halten der Spannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten maximalen Spannung offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein gewünschter Spannungssollwert modifiziert wird, der einen vorbestimmten maximalen Brennstoffzellenspannungswert definiert, und der modifizierte Spannungssollwert und eine durchschnittliche Brennstoffzellenspannung-Rückkopplungsmessgröße von den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, um einen Fehlerwert dazwischen zu erzeugen. Das Verfahren erzeugt einen Minimalbruttoleistungsvorhersagewert auf der Basis von Parametern der Polarisationskurve und des modifizierten Spannungssollwerts, um zu verhindern, dass die Brennstoffzellenspannungen den vorbestimmten maximalen Brennstoffzellenspannungswert überschreiten, und erzeugt einen Zusatzleistungswert auf der Basis des Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts und des Fehlerwerts, um zu bestimmen, wie viel Leistung von dem Stapel bezogen werden muss, um die Brennstoffzellenspannung unter dem vorbestimmten maximalen Spannungswert zu halten. Das Verfahren verwendet den Zusatzleistungswert, um die Batterie zu laden oder eine mit dem Stapel gekoppelte Hilfslast zu betreiben.In accordance with the teachings of the present invention, a system and method for maintaining the voltage of fuel cells in the fuel cell stack below a predetermined maximum voltage is disclosed. The method includes modifying a desired voltage setpoint defining a predetermined maximum fuel cell voltage value, and using the modified voltage setpoint and an average fuel cell voltage feedback measure from the fuel cells in the fuel cell stack to produce an error value therebetween. The method generates a minimum gross power prediction value based on parameters of the polarization curve and the modified voltage setpoint to prevent the fuel cell voltages from exceeding the predetermined maximum fuel cell voltage value and generates an added power value based on the minimum gross power predicted value and the error value to determine how much power from the stack in order to keep the fuel cell voltage below the predetermined maximum voltage value. The method uses the additional power value to charge the battery or operate an auxiliary load coupled to the stack.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.Further features of the present invention will become apparent from the subsequent description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems; und 1 Fig. 10 is a schematic block diagram of a fuel cell system; and

2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystem-Controllers, der die Spannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel, der in 1 gezeigt ist, unterdrückt. 2 FIG. 12 is a schematic block diagram of a fuel cell system controller that monitors the voltage of fuel cells in the fuel cell stack disclosed in FIG 1 shown is suppressed.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen Detailed description of the embodiments

Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Halten der Spannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten maximalen Spannung, um so den Spannungszyklusbetrieb zu reduzieren, abzielt, ist lediglich beispielhaft. Wie hierin verwendet, bezieht sich das Halten der Spannung der Brennstoffzellen unter der vorbestimmten maximalen Spannung auf eine beliebige spezielle Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle mit maximaler Spannung, den Durchschnitt aller Brennstoffzellen oder den Durchschnitt einer Anzahl von Brennstoffzellen in dem Stapel.The following explanation of embodiments of the invention, which is directed to a system and method for maintaining the voltage of fuel cells in a fuel cell stack below a predetermined maximum voltage so as to reduce voltage cycling operation, is merely exemplary. As used herein, maintaining the voltage of the fuel cells below the predetermined maximum voltage refers to any particular fuel cell, a maximum voltage fuel cell, the average of all fuel cells, or the average of a number of fuel cells in the stack.

Wie nachfolgend im Detail erläutert, schlägt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Reduzieren des/der Spannungszyklusbetriebes und -degradation eines Brennstoffzellenstapels vor. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Algorithmus, der eine Minimalbruttoleistungsanforderung bestimmt, um die Spannung der Brennstoffzellen unter einem vorbestimmten maximalen Spannungswert zu halten, wobei Parameter verwendet werden, die aus einer Stapelpolarisationskurvenabschätzung bestimmt wurden. Der Algorithmus reduziert die Minimalleistungsanforderung von dem Stapel, da die Spitzenspannung mit der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems abnimmt. Da die Parameter des Stapels ein Indikator für die Reduktion in der Spannung sind, können sie verwendet werden, um die Minimalleistungsanforderung zur Spannungsunterdrückung adaptiv zu reduzieren und/oder zu modifizieren, was zu einer Erhöhung in der Systemeffizienz führt. Es kann entschieden werden, dass die Minimalleistungsanforderung auf verschiedene Lasten wie z. B. Batterieladen, Fahrgastraumheizung, Kühlmittelheizung, Verdichter etc. angewendet wird.As explained in detail below, the present invention proposes a system and method for reducing the stress cycle operation and degradation of a fuel cell stack. The present invention uses an algorithm that determines a minimum gross power requirement to keep the voltage of the fuel cells below a predetermined maximum voltage value using parameters determined from a stack polarization curve estimate. The algorithm reduces the minimum power requirement from the stack as the peak voltage decreases with the life of the fuel cell system. Since the parameters of the stack are an indicator of the reduction in voltage, they can be used to adaptively reduce and / or modify the minimum power requirement for voltage rejection, resulting in an increase in system efficiency. It can be decided that the minimum power requirement can be applied to different loads such as As battery charging, passenger compartment heating, coolant heating, compressors, etc. is applied.

Der Brennstoffzellenstapel-Controller muss die Beziehung zwischen Strom und Spannung des Brennstoffzellenstapels, das als eine Polarisationskurve bezeichnet wird, kennen, um eine einwandfreie Verteilung von Leistung von dem Stapel vorzusehen. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels ist typischerweise schwierig zu definieren, da sie nicht-linear ist, und Änderungen von vielen Variablen einschließlich der Stapeltemperatur, der Stapelpartialdrücke und der Kathoden- und Anodenstöchiometrien abhängig sind. Außerdem ändert sich die Beziehung zwischen dem Stapelstrom und der Spannung, da der Stapel mit der Zeit degradiert. Insbesondere ein älterer Stapel wird niedrigere Zellenspannungen aufweisen und wird mehr Strom bereitstellen müssen, um den Leistungsbedürfnissen gerecht zu werden, als ein neuer Stapel ohne Degradation. Es sind auf dem technischen Gebiet Algorithmen bekannt, um die Polarisationskurve für einen Brennstoffzellenstapel zu berechnen und die Polarisationskurve zu modifizieren, wenn der Brennstoffzellenstapel altert, siehe z. B. die US-Patentanmeldung US 2008/0 182 139 A1 mit dem Titel ”Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack”.The fuel cell stack controller needs to know the relationship between current and voltage of the fuel cell stack, referred to as a polarization curve, to provide proper distribution of power from the stack. The relationship between the voltage and the current of the stack is typically difficult to define because it is non-linear and changes are dependent upon many variables including stack temperature, stack partial pressures, and cathode and anode stoichiometries. In addition, the relationship between stack current and voltage changes as the stack degrades over time. In particular, an older stack will have lower cell voltages and will need to provide more power to meet the performance needs than a new batch without degradation. Algorithms are known in the art to calculate the polarization curve for a fuel cell stack and to modify the polarization curve as the fuel cell stack ages, see e.g. See, for example, U.S. Patent Application US 2008/0182139 A1 entitled "Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack".

1 ist eine vereinfachte schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst eine Kathodenseite, die Luft von einem Verdichter 14 an einer Kathodeneingangsleitung 16 empfängt und ein Kathodenabgas an einer Kathodenabgasleitung 18 bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst auch eine Anodenseite, die Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 20 wie z. B. einem Hochdruckbehälter an einer Anodeneingangsleitung 22 aufnimmt und ein Anodenabgas an einer Anodenabgasleitung 24 bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst auch Endzellenheizungen 40 und 42, welche die Temperatur der Endzellen des Stapels 12 aus Gründen, die für Fachleute ohne weiteres verständlich sind, bei einer gewünschten Temperatur halten. 1 is a simplified schematic plan view of a fuel cell system 10 putting a fuel cell stack 12 includes. The fuel cell stack 12 includes a cathode side, the air from a compressor 14 on a cathode input line 16 receives and a cathode exhaust gas on a cathode exhaust gas line 18 provides. The fuel cell stack 12 Also includes an anode side, the hydrogen gas from a hydrogen source 20 such as B. a high-pressure vessel to an anode input line 22 receives and an anode exhaust gas to an anode exhaust gas line 24 provides. The fuel cell stack 12 also includes end cell heaters 40 and 42 indicating the temperature of the end cells of the stack 12 for reasons that will be readily understood by those skilled in the art, maintain at a desired temperature.

Das System 10 umfasst ferner ein thermisches Untersystem, das eine Kühlfluidströmung an den Brennstoffzellenstapel 12 bereitstellt. Das thermische Untersystem umfasst eine Hochtemperaturpumpe 28, die das Kühlfluid durch einen Kühlmittelkreis 30 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 und durch die Kühlfluidströmungskanäle in den bipolaren Platten in dem Brennstoffzellenstapel 12 pumpt. Ein Temperatursensor 32 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreis 30, wenn es in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, und Temperatursensor 34 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreis 30, wenn es aus dem Brennstoffzellenstapel 12 austritt. Eine Kühlfluidheizung 36 ist in dem Kühlmittelkreis 30 vorgesehen und kann verwendet werden, um die Temperatur des durch den Kühlmittelkreis 30 strömenden Kühlfluids nötigenfalls zu erhöhen. Sie kann auch als eine Lastsenke verwendet werden, wo der Stapelleistungsausgang von der Heizung verbraucht werden kann, um die Brennstoffzellenspannung unter einer bestimmten Schwelle zu halten. Die Heizung 36 kann jede Heizung sein, die für die hierin beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie z. B. eine Widerstandsheizung.The system 10 further includes a thermal subsystem that directs cooling fluid flow to the fuel cell stack 12 provides. The thermal subsystem includes a high temperature pump 28 passing the cooling fluid through a coolant circuit 30 outside the fuel cell stack 12 and through the cooling fluid flow channels in the bipolar plates in the fuel cell stack 12 inflated. A temperature sensor 32 measures the temperature of the cooling fluid in the coolant circuit 30 when in the fuel cell stack 12 enters, and temperature sensor 34 measures the temperature of the cooling fluid in the coolant circuit 30 when it's out of the fuel cell stack 12 exit. A cooling fluid heater 36 is in the coolant circuit 30 provided and can be used to control the temperature of the coolant circuit 30 to increase flowing cooling fluid if necessary. It can also be used as a load sink where the stack power output from the heater can be consumed to keep the fuel cell voltage below a certain threshold. The heating system 36 may be any heater that is suitable for the purposes described herein, such. B. a resistance heater.

Der Brennstoffzellenstapel 12 stellt Ausgangsleistung an einem Hochspannungs-Gleichstrombus 44 bereit, von wo Leistung an die verschiedenen Hochspannungsvorrichtungen (nicht gezeigt) in dem System wie z. B. den Fahrzeugtraktionsmotor geliefert wird. Für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug ist typischerweise eine Hochspannungsbatterie 46 vorgesehen, die auch elektrisch mit dem Hochspannungsbus 44 gekoppelt ist, wobei der Brennstoffzellenstapel 12 und die Batterie 46 durch einen Gleichstrom/Gleichstrom-Aufwärtswandler 48 voneinander getrennt sind.The fuel cell stack 12 Provides output power to a high voltage DC bus 44 from where power is supplied to the various high-voltage devices (not shown) in the system, such as e.g. B. the vehicle traction motor is delivered. A hybrid fuel cell vehicle is typically a high voltage battery 46 provided, which is also electrically connected to the high-voltage bus 44 coupled, the fuel cell stack 12 and the battery 46 through a DC / DC boost converter 48 are separated from each other.

Die Spannung einer jeden Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 kann modelliert werden durch:

Figure DE102010047504B4_0002
The voltage of each fuel cell in the fuel cell stack 12 can be modeled by:
Figure DE102010047504B4_0002

Wobei Ecell die gemessene Zellenspannung (V) ist, j die gemessene Stapelstromdichte (A/cm2) ist, RHFR eine Zellenhochfrequenzwiderstands(HFR)-Messung oder eine Zellen-HFR-Abschätzung aus einem Modell (ohm.cm2) ist, Erev ein thermodynamisches reversibles Zellenpotential (V) ist, a eine Hintergrundstromdichte aus Zellenkurzschluss/Zellenüberbrückung (A/cm2) ist, i0 ein Austauschstromdichteparameter (A/cm2) ist, i∞ ein Grenzstromdichteparameter (A/cm2) ist, und c ein Massenübertragungskoeffizient-Parameter ist. In Gleichung (1) werden die Parameter mithilfe eines Polarisationskurvenabschätzungsalgorithmus abgeschätzt, wie oben erläutert, wobei die Parameter mit der Lebensdauer des Stapels variieren.Where E cell is the measured cell voltage (V), j is the measured stack current density (A / cm 2 ), R HFR is a cell radio frequency resistance (HFR) measurement or a cell HFR estimate from a model (ohm.cm 2 ), e rev is a thermodynamic reversible cell potential (V), a is a background current density of cells short-circuit / cell bypass (a / cm 2), i is an exchange current density parameter (a / cm 2) 0, i ∞ is a limit current density parameter (a / cm 2), and c is a mass transfer coefficient parameter. In equation (1), the parameters are estimated using a polarization curve estimation algorithm, as discussed above, where the parameters vary with the life of the stack.

2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuersystems 50, das einen Algorithmus abarbeitet, um die Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 zu unterdrücken, sodass sie bei Niedriglastbedingungen unter einer vorbestimmten maximalen Spannung, z. B. 900 mV, gehalten werden, um den Spannungszyklusbetrieb und die Stapeldegradation zu minimieren. Wie nachfolgend im Detail erläutert, empfängt das System 50 mehrere Eingänge einschließlich P HV,Batt / lim, P PCM / fb, P Fcps2Fcpm / req, θ Stck,1 / 1, θ Stck,2 / 1, V avg,cell / Stck1,2,fb, b Neg,CV / Dtctd, b Temp,Lim / Actv, V HV / fb, Ncell und Acell um eine Minimalnettoleistungsanforderungskorrektur zu erzeugen und diese Korrektur zu verwenden, um eine Last an den Stapel 12 anzulegen, um die Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 zu reduzieren. Die Definition dieser Werte wird in der gesamten Erläuterung aufgezeigt. Die nachfolgende Erläuterung bezieht sich auf zwei separate Brennstoffzellenstapel, die in einer die Anodenströmung umschaltenden Weise miteinander gekoppelt sind, wie für Fachleute ohne weiteres verständlich. Wie jedoch für Fachleute einzusehen sein wird, finden die hierin erläuterten Algorithmen und Operationen auf einen einzelnen Stapel wie z. B. den Stapel 12 in dem System 10 Anwendung. 2 is a schematic block diagram of a control system 50 which processes an algorithm to check the voltage of the fuel cells in the stack 12 to suppress under low load conditions below a predetermined maximum voltage, e.g. 900 mV) to minimize voltage cycling and stack degradation. As explained in detail below, the system receives 50 including several inputs P HV, Batt / lim, P PCM / fb, P Fcps2Fcpm / req, θ piece, 1/1, θ piece, 2/1, V avg, cell / piece 1,2, fb, b Neg, CV / Dtctd, b Temp, Lim / Actv, V HV / fb, N cell and A cell to generate a minimum net power request correction and use this correction to load the stack 12 to apply the voltage of the fuel cells in the stack 12 to reduce. The definition of these values is shown throughout the discussion. The following discussion refers to two separate fuel cell stacks coupled together in an anode flow switching manner, as will be readily understood by those skilled in the art. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the algorithms and operations discussed herein will be limited to a single stack, such as a single stack. B. the stack 12 in the system 10 Application.

Das System umfasst 50 einen Sollwertabweichungs- und Fehlerberechnungsprozessor 52 mit einem Rampenbegrenzer 54 und einer Addiereinrichtung 56. Der Prozessor 52 empfängt einen Spannungssollwert Vsp, der der gewünschte Unterdrückungsspannungswert ist, und eine Boolsche Operation b pwr,sup p / actv, die angibt, dass eine Spannungsunterdrückung vorgesehen ist, wie nachfolgend erläutert. Die Addiereinrichtung 56 empfängt den Wert V avg,cell / fb, der der durchschnittliche Zellenspannungswert ist. Der Sollwert Vsp für die rückkopplungsbasierte Spannungsunterdrückung wird von dem Rampenbegrenzer 54 über eine festgelegte Zeitspanne von einem anfänglichen Wert zu einem Endwert variiert. Dies wird so ausgeführt, dass der Gesamtalgorithmus eine höhere Minimalleistungslast an dem Stapel 12 während Abwärtstransienten bereitstellen kann, um sicherzustellen, dass die Spitzenspannung den maximalen Spannungswert nicht kreuzt, und auch die Effizienz im stationären Zustand durch Erhöhen des Sollwerts Vsp auf einen höheren Wert zu maximieren. Ein modifizierter Spannungssollwert V mod / sp von dem Rampenbegrenzer 54 wird mit dem durchschnittlichen Zellenspannungswert V avg / fb in der Adiereinrichtung 56 verglichen, um einen Fehlerwert

Figure DE102010047504B4_0003
zu erzeugen, der verwendet wird, um den durchschnittlichen Zellenspannungswert V avg,cell / fb durch den Betrieb des nachfolgend erläuterten Systems 50 zu korrigieren, sodass er unter der maximalen Unterdrückungsspannung gehalten wird.The system includes 50 a setpoint deviation and error calculation processor 52 with a ramp limiter 54 and an adder 56 , The processor 52 receives a voltage command value V sp , which is the desired suppression voltage value, and a Boolean operation b pwr, sup p / actv, indicating that a voltage suppression is provided, as explained below. The adder 56 receives the value V avg, cell / fb, which is the average cell voltage value. The setpoint V sp for the feedback-based voltage suppression is provided by the ramp limiter 54 varies from an initial value to a final value over a set period of time. This is done so that the overall algorithm has a higher minimum power load on the stack 12 while providing down-slope transients to ensure that the peak voltage does not cross the maximum voltage value and also to maximize steady-state efficiency by increasing the set-point value V sp to a higher value. A modified voltage setpoint V mod / sp from the ramp limiter 54 is calculated with the average cell voltage value V avg / fb in the adder 56 compared to an error value
Figure DE102010047504B4_0003
which is used to calculate the average cell voltage value V avg, cell / fb by the operation of the system explained below 50 so that it is kept below the maximum suppression voltage.

Eine detailliertere Erläuterung des Betriebes der Prozessors 52 für eine spezifische, nicht einschränkende Ausführungsform, ist gegeben wie folgt. Der Spannungssollwert Vsp, der für die Korrektur und die Spannungsunterdrückung verwendet wird, wird auf einen anfänglichen Wert V mod / sp = (Vsp – _U_SuppSpInitOfst) festgelegt. Der anfängliche Sollwert V mod / sp wird durch den Rampenbegrenzer 54 auf einen Endwert V mod / sp = (Vsp – _U_SuppSpFnlOfst) mit einer Rampengeschwindigkeit _U_SuppSpRmpRateUp hochgefahren, wenn die folgenden Bedingungen vorliegen, nämlich die Zellenspannung eine Schwelle V initial / sp kreuzt und die Spannungsunterdrückung aktiv ist, entweder unter Verwendung eines Batterieladens und/oder der Kühlmittelheizung oder einer beliebigen anderen Hilfslast, d. h. b pwr,sup pl / actv = WAHR. A more detailed explanation of the operation of the processor 52 for a specific, non-limiting embodiment, is given as follows. The voltage command value V sp used for the correction and the voltage suppression becomes an initial value V mod / sp = (V sp - _U_SuppSpInitOfst). The initial setpoint V mod / sp gets through the ramp limiter 54 to a final value V mod / sp = (V sp - _U_SuppSpFnlOfst) with a ramp speed _U_SuppSpRmpRateUp started up if the following conditions exist, namely the cell voltage is a threshold V initial / sp crosses and the voltage suppression is active, either using a battery charging and / or the coolant heater or any other auxiliary load, ie b pwr, sup pl / actv = TRUE.

Der Sollwert V mod / sp wird mit einer Rampengeschwindigkeit _U_SuppSpRmpRateDown auf den anfänglichen Sollwert V initial / sp zurück gesetzt, nachdem die Zellenspannungen unter den anfänglichen Sollwert V initial / sp gefallen sind.The setpoint V mod / sp ramps to the initial setpoint with a ramp speed _U_SuppSpRmpRateDown V initial / sp reset after the cell voltages are below the initial setpoint V initial / sp have fallen.

Der modifizierte Sollwert V mod / sp zusammen mit dem Maximum der durchschnittlichen Zellenspannungen (V avg,cell / Stck1,fb, V avg,cell / Stck2,fb) produziert den Fehlerwert

Figure DE102010047504B4_0004
für sowohl den neuen Minimalleistungskorrektur- als auch den Spannungsunterdrückungsalgorithmus als:
Figure DE102010047504B4_0005
The modified setpoint V mod / sp together with the maximum of the average cell voltages (V avg, cell / Stck1, fb, Vavg, cell / Stck2, fb) produces the error value
Figure DE102010047504B4_0004
for both the new minimum power correction and voltage suppression algorithms as:
Figure DE102010047504B4_0005

Das System 50 umfasst auch einen Minimalbrottoleistungsanforderungs-Vorhersageprozessor 58, der den modifizierten Sollwert V mod / sp von dem Prozessor 52 und die Stapelparameter θ1 Sck,1 und θ1 Stck,2 empfängt. Der Prozessor 58 stellt einen Minimalbruttoleistungs-Vorwärtskopplungs-Prediktor P min,gross / prdtd mithilfe von Parametern aus dem Polarisationskurvenabschätzungsalgorithmus bereit. Der Prozessor 58 verwendet den modifizierten Sollwert V mod / sp, um eine repräsentative Stromdichte bereitzustellen.The system 50 also includes a minimum breadwinder requirement prediction processor 58 that the modified setpoint V mod / sp from the processor 52 and the stacking parameters θ 1 Sck, 1 and θ 1 piece, 2 receives. The processor 58 provides a minimum gross power feedforward predictor P min, big / prdtd using parameters from the polarization curve estimation algorithm. The processor 58 uses the modified setpoint V mod / sp, to provide a representative current density.

Aus der Stapelstromdichte bestimmt der Prozessor 58 den Leistungspegel, den der Stapel 12 benötigt. Mithilfe der Parameter θ1 Stck,1 und θ1 Stck,2 aus der Polarisationskurvenabschätzung und des modifizierten Sollwerts V mod / sp für die Spannungsunterdrückung errechnet der Prozessor 58 die Stromdichte, die der Stapel 12 benötigt, um die Spannung bei der gegebenen Schwelle zu halten und sie in den Vorwärtskopplungs-Leistungsprediktor P min,gross / prdtd umzuwandeln. Dieser Wert soll immer aktiv sein, sodass er eine Bruttominimallast an dem Stapel 12 unmittelbar bei Abwärtstransienten bereitstellen kann.From the stack current density, the processor determines 58 the power level of the stack 12 needed. Using the parameters θ 1 piece, 1 and θ 1 piece, 2 from the polarization curve estimation and the modified setpoint V mod / sp for voltage suppression, the processor calculates 58 the current density of the stack 12 needed to hold the voltage at the given threshold and put it in the feedforward power pri P min, big / prdtd convert. This value should always be active so that it has a gross minimum load on the stack 12 can provide directly on downtrend transients.

Wie oben erläutert, bestimmt der Prozessor 58 den Stapelstrom jmin,stack, der benötigt wird, um die Spannung auf den modifizierten Sollwert V mod / sp unterdrückt zu halten. Aus Gleichung (1) und ohne Berücksichtigung der Hintergrundstromdichte α ergibt sich:

Figure DE102010047504B4_0006
As explained above, the processor determines 58 the stack current j min, stack that is needed to set the voltage to the modified setpoint V mod / sp keep it suppressed. From equation (1) and without consideration of the background current density α, the following results:
Figure DE102010047504B4_0006

Da der für den modifizierten Spannungsunterdrückungssollwert V mod / sp benötigte Stapelstrom sehr gering, d. h. 0,0–0,01 A/cm2, ist, kann der Einfluss von Parametern höherer Stromdichte für den Massenübertragungskoeffizienten c, der Grenzstromdichte i∞ und des Zellen-HFR RHFR hinreichend außer Acht gelassen werden, da sie nur 1–2 mV bei extrem niedrigen Stromdichten beitragen. Somit kann Gleichung (3) geschrieben werden als:

Figure DE102010047504B4_0007
Since that for the modified voltage suppression setpoint V mod / sp required stack current is very low, ie 0.0-0.01 A / cm 2 , the influence of higher current density parameters for the mass transfer coefficient c, the limiting current density i ∞ and the cell HFR R HFR can be sufficiently ignored They contribute only 1-2 mV at extremely low current densities. Thus, equation (3) can be written as:
Figure DE102010047504B4_0007

Die Austauschstromdichte i0 wird aus dem Speicher als ein Ergebnis der Polarisationskurvenabschätzung beschafft. Durch Umformen von Gleichung (5) kann die Stromdichte bestimmt werden als:

Figure DE102010047504B4_0008
The exchange current density i 0 is obtained from the memory as a result of the polarization curve estimation. By transforming equation (5), the current density can be determined as:
Figure DE102010047504B4_0008

Dann bestimmt der Algorithmus den Minimalbruttoleistungswert P min,gross / prdtd für den Stapel 12 mithilfe des modifizierten Sollwerts V mod / sp, der Stromdichte jmin,stack, der Anzahl von Zellen Ncell und der Fläche der Zellen Acell, sodass der Minimalbruttoleistungswert P min,gross / prdtd bestimmt werden kann als: P min,gross / prdtd = (jmin,stack·Acell)·(Vsp·Ncell) (7) Then the algorithm determines the minimum gross power value P min, big / prdtd for the stack 12 using the modified setpoint V mod / sp, the current density j min, stack , the number of cells N cell and the area of cells A cell , so the minimum gross power value P min, big / prdtd can be determined as: P min, large / prdtd = (j min, stack · A cell ) · (V sp · N cell ) (7)

Eine spezifische Implementierung des Betriebes des Prozessors 58 für eine nicht einschränkende Ausführungsform für Doppelstapel ist nachfolgend dargelegt. Die Gleichungen zum Bestimmen des Minimalbruttoleistungswerts P min,gross / prdtd umfassen:

  • (a) bestimme den Minimalstapelstrom j Stck,1 / min, der erforderlich ist, um die Spannung bei einem gegebenen Sollwert unterdrückt zu halten. Für jeden Stapel wird der Parameter θ Stck / 1 (= i0) in der unten stehenden Gleichung (8) verwendet, um die Minimalstromdichte zu definieren, die erforderlich ist, um den Stapel unter dem modifizierten Sollwert V mod / sp zu halten.
    Figure DE102010047504B4_0009
A specific implementation of the operation of the processor 58 for a non-limiting embodiment for double stacks is set forth below. The equations for determining the minimum gross power value P min, big / prdtd include:
  • (a) determine the minimum stack current j pcs, 1 / min, which is required to keep the voltage suppressed at a given setpoint. For each stack, the parameter becomes θ piece / 1 (= i 0 ) is used in equation (8) below to define the minimum current density required to make the stack below the modified setpoint V mod / sp to keep.
    Figure DE102010047504B4_0009

Wobei i = 1, 2 für jeden Stapel 1 bzw. 2 ist.

  • (b) bestimme die Minimalbruttoleistungsanforderung für den Stapel. Mithilfe von j Stck,1 / min wird die Minimalbruttoleistung für jeden Stapel berechnet als: P Stck,1 / gross,min = j Stck,1 / min·Acell·V mod / sp·Ncell (9) P Stck,2 / gross,min = j Stck,2 / min·Acell·V mod / sp·Ncell (10)
Where i = 1, 2 for each stack is 1 or 2 respectively.
  • (b) determine the minimum gross power requirement for the stack. Using j Piece, 1 / min the minimum gross performance for each batch is calculated as: P piece, 1 / large, min = j piece, 1 / min · A cell · V mod / sp · N cell (9) P piece, 2 / large, min = j piece, 2 / min · A cell · V mod / sp · N cell (10)

Schließlich ist die Minimalbruttoleistungsvorhersageanforderung, die erforderlich ist, um den Stapel unter einer bestimmten Schwelle zu halten, gegeben durch: P min , gross / prdtd = max(P Stck,1 / gross,min, P Stck,2 / gross,min) (11) Finally, the minimum gross power prediction requirement required to keep the stack below a certain threshold is given by: P min, large / prdtd = max (P pcs, 1 / large, min, P pcs, 2 / large, min) (11)

Dieser Leistungswert ist mit Kalibrationen _P_VoltSuppPrdtdMin und _P_VoltSuppPrdtMax beschränkt und ist der Vorwärtskopplungsterm der Vorspannung zur aktiven Steuerung der Stapelspannung bei geringen Stromdichten.This power value is limited to calibrations _P_VoltSuppPrdtdMin and _P_VoltSuppPrdtMax, and is the feedforward term of the bias voltage to actively control the stack voltage at low current densities.

Das System 50 umfasst auch einen Minimalnettoleistungsanforderungskorrektur- und Entscheidungsprozessor 60, der den Minimalbruttoleistungsvorhersagewert P min,gross / prdtd , die Werte P HVBatt / lim , P PCM / fb und P Fcps2Fcpm / fb , den Fehlerwert

Figure DE102010047504B4_0010
von dem Prozessor 52 und die Boolsche Operation
Figure DE102010047504B4_0011
empfängt, welche die Leistung angibt, die an eine Nebenlast bereitgestellt wird, um die Spannung des Stapels zu reduzieren, wie nachfolgend erläutert. Der Wert P HvBatt / lim ist die maximal zulässige Leistung zum Laden der Batterie auf der Basis des Ladezustandswerts für die Batterie 46, der Wert P PCM / fb ist die Summe der Leistungsrückwirkung aller Neben- und Hilfskomponenten, die als eine Last an dem Stapel wirksam sind, und der Wert P FCPs2FCpm / fb ist die Gesamtleistung, die von einem externen Host an das Brennstoffzellensystem angefordert wird. Der Prozessor 60 verwendet den vorhergesagten Bruttoleistungswert P min , gross / prdtd, den vorhergesagten Hilfsleistungsverbrauch im Leerlauf und den Fehlerwert
Figure DE102010047504B4_0012
zwischen dem Spannungsunterdrückungssollwert V mod / sp und der durchschnittlichen Spannungsrückwirkung V avg,cell / fb, um die Minimalnettoleistungsanforderung
Figure DE102010047504B4_0013
zu erzeugen, die erforderlich ist, um den Stapel bei dem vordefinierten Spannungsunterdrückungssollwert Vsp zu halten.The system 50 also includes a minimum net power request correction and decision processor 60 , which is the minimum gross power predictive value P min, big / prdtd , the values P HVBatt / lim , P PCM / fb and P Fcps2Fcpm / fb , the error value
Figure DE102010047504B4_0010
from the processor 52 and Boolean operation
Figure DE102010047504B4_0011
which indicates the power provided to an auxiliary load to reduce the voltage of the stack, as explained below. The value P HvBatt / lim is the maximum allowable power for charging the battery based on the state of charge value for the battery 46 , the value P PCM / fb is the sum of the power feedback of all slave and slave components acting as a load on the stack, and the value P FCPs2FCpm / fb is the total power requested by an external host to the fuel cell system. The processor 60 uses the predicted gross performance value P min, big / prdtd, the predicted auxiliary power consumption at idle and the error value
Figure DE102010047504B4_0012
between the voltage suppression target value V mod / sp and the average voltage feedback V avg, cell / fb, around the minimum net power requirement
Figure DE102010047504B4_0013
which is required to hold the stack at the predefined voltage suppression target value V sp .

Der Ausgang

Figure DE102010047504B4_0014
aus dem Prozessor 60 bestimmt, wie viel Leistung benötigt wird, um die Batterie 46 zu laden, wenn die Batterie 46 in der Lage ist, mehrere Ladungen aufzunehmen, um die Stapelspannung zu reduzieren. Andernfalls wird überschüssige Leistung verwendet, um andere Systeme und Vorrichtungen zu betreiben (oder zu belasten). In einer nicht einschränkenden Ausführungsform, wenn der Wert
Figure DE102010047504B4_0015
eine bestimmte Schwelle überschreitet oder wenn das Batterieladen nicht verfügbar ist, wird ein Boolscher Operator
Figure DE102010047504B4_0016
auf der Basis des Spannungsunterdrückungsalgorithmus festgelegt, um eine Hilfslast wie z. B. die Kühlfluidheizung 36 zuzuschalten. Der Prozessor 60 stellt auch einen Boolschen Operator b pwr,sup p / actv bereit, der zu dem Prozessor 52 zurück gesendet wird, um diesen in Kenntnis zu setzen, dass der Unterdrückungsalgorithmus eine Stapelspannungsunterdrückung bereitstellt.The exit
Figure DE102010047504B4_0014
from the processor 60 Determines how much power is needed to power the battery 46 to charge when the battery 46 is able to pick up multiple charges to reduce the stack voltage. Otherwise, excess power is used to power (or charge) other systems and devices. In a non-limiting embodiment, if the value
Figure DE102010047504B4_0015
exceeds a certain threshold or if battery charging is not available, becomes a Boolean operator
Figure DE102010047504B4_0016
determined on the basis of the voltage suppression algorithm to an auxiliary load such. B. the cooling fluid heater 36 to switch on. The processor 60 also provides a Boolean operator b pwr, sup p / actv ready to go to the processor 52 is returned to notify it that the suppression algorithm provides stack voltage suppression.

Die vorhergehende Ausführungsform ist ein kaskadenartiges serielles Verfahren zum Ausführen der Spannungsunterdrückung. In einer weiteren Ausführungsform können die vielen Lasten (Batterie, Kühlheizung etc.) parallel mit Verstärkungen für die verschiedenen Controller gesteuert sein, die derart abgestimmt sind, dass das Laden der Batterie die vorherrschende Last ist. Dies geschieht zum Effizienzgewinn, da die zum Laden verwendete Energie für das Fahrzeug rückgewinnbar ist.The foregoing embodiment is a cascaded serial method for performing voltage suppression. In another embodiment, the many loads (battery, cooling heater, etc.) may be controlled in parallel with gains for the various controllers tuned so that charging the battery is the predominant load. This is done to increase efficiency, since the energy used for charging is recoverable for the vehicle.

Eine detaillierte Erläuterung des Betriebes des Prozessors 60 ist wie folgt für eine nicht einschränkende Ausführungsform zum Betrieb in dem kaskadenartigen seriellen Modus angegeben. Der Prozessor 60 besitzt die Ausgänge:

  • 1. Nettoleistungsanforderung für die Spannungsunterdrückung
    Figure DE102010047504B4_0017
    und
  • 2. Boolscher Operator
    Figure DE102010047504B4_0018
    zum Zuschalten der Kühlfluidheizung 36 auf der Basis der Spannungsunterdrückung, wenn der Wert
    Figure DE102010047504B4_0019
    eine maximale Schwelle erreicht hat, bei der eine ausreichende Batteriekapazität zum Laden nicht verfügbar ist.
A detailed explanation of the operation of the processor 60 is given as follows for a non-limiting embodiment for operation in the cascaded serial mode. The processor 60 has the outputs:
  • 1. Net power requirement for voltage suppression
    Figure DE102010047504B4_0017
    and
  • 2. Boolean operator
    Figure DE102010047504B4_0018
    for connecting the cooling fluid heater 36 based on the voltage suppression when the value
    Figure DE102010047504B4_0019
    has reached a maximum threshold where sufficient battery capacity is not available for charging.

Der Prozessor 60 verwendet einen Proportional-Integral(PI)-Controller, der die folgenden Eingangsterme und Bedingungen besitzt:

  • 1. Vorspannungsterm: P min,gross / prdtd.
  • 2. Fehlerterm:
    Figure DE102010047504B4_0020
    (primär), 0 wenn _b_VoltSuppReset = WAHR ODER _b_VoltSuppEnbl = FALSCH.
  • 3. Anhalten: wenn Spannungsunterdrückung auf Basis der Kühlfluidheizung aktiv ist
    Figure DE102010047504B4_0021
  • 4. Zurücksetzen: _b_VoltSuppReset; wenn die Zellenspannung unter die Hystereseschwelle fällt.
The processor 60 uses a proportional-integral (PI) controller that has the following input terms and conditions:
  • 1. bias term: P min, big / prdtd.
  • 2nd error term:
    Figure DE102010047504B4_0020
    (primary), 0 if _b_VoltSuppReset = TRUE OR _b_VoltSuppEnbl = FALSE.
  • 3. Stop: when voltage suppression based on the cooling fluid heater is active
    Figure DE102010047504B4_0021
  • 4. Reset: _b_VoltSuppReset; when the cell voltage falls below the hysteresis threshold.

Der Ausgang des PI-Controllers ist

Figure DE102010047504B4_0022
und die endgültige Nettominimalleistungsanforderung ist gegeben durch:
Figure DE102010047504B4_0023
The output of the PI controller is
Figure DE102010047504B4_0022
and the final net minimum demand requirement is given by:
Figure DE102010047504B4_0023

Wobei P Anc,idle / prdt der vorhergesagte Leerlauflastverbrauch der Hilfs- und Nebenkomponenten ist.In which P Anc, idle / prdt the predicted idle load consumption of the auxiliary and auxiliary components is.

Dies geschieht, um sicherzustellen, dass der Algorithmus nicht eine Leistung anfordert, die höher ist als die Batterieladegrenze, um jeden überstöchiometrischen Zustand des Stapels 12 zu verhindern.This is done to ensure that the algorithm does not request a power that is higher than the battery charging limit to any overstoichiometric state of the stack 12 to prevent.

Der Boolsche Operator

Figure DE102010047504B4_0024
wird auf WAHR gesetzt, wenn eine der folgenden Bedingungen WAHR ist.

  • 1. _b_HtrAlwdMinPwrReqLimSet = WAHR, wenn
    Figure DE102010047504B4_0025
    eine maximale Schwelle erreicht hat.
  • 2. _b_HtrAlwdHVBChrgLimSet = WAHR, wenn die Batterieladegrenze erreicht wurde, d. h.
    Figure DE102010047504B4_0026
    die minimale Schwelle erreicht hat.
The Boolean operator
Figure DE102010047504B4_0024
is set to TRUE if any of the following conditions is TRUE.
  • 1. _b_HtrAlwdMinPwrReqLimSet = TRUE, if
    Figure DE102010047504B4_0025
    has reached a maximum threshold.
  • 2. _b_HtrAlwdHVBChrgLimSet = TRUE, when the battery charging limit has been reached, ie
    Figure DE102010047504B4_0026
    has reached the minimum threshold.

Die obigen zwei Bedingungen sind hinreichend und notwendig, um den auf der Kühlfluidheizung basierenden Algorithmus zuzuschalten, falls die Batterieladegrenze erreicht ist oder eine Minimalleistungsanforderung zum Laden der Batterie nicht ausreicht, um Zellenspannungen unter dem festgelegten Spannungssollwert zu halten.The above two conditions are sufficient and necessary to turn on the cooling fluid heater based algorithm if the battery charge limit is reached or a minimum power requirement to charge the battery is insufficient to keep cell voltages below the specified voltage setpoint.

Das System 50 umfasst auch einen Kühlfluidheizungs-Spannungsunterdrückungsprozessor 62, der den Fehlerwert

Figure DE102010047504B4_0027
von dem Prozessor 52, den Boolschen Operator
Figure DE102010047504B4_0028
von dem Prozessor 60 und den Boolschen Operator b temp,lim / actv empfängt, der angibt, dass die Temperatur der Kühlfluidheizung 36 nicht überschritten wurde. Der Kühlfluidheizungs-Spannungsunterdrückungsprozessor 62 verwendet einen Algorithmus, der verwendet werden kann, um eine Last an den Stapel 12 zu legen, um zuzulassen, dass die Kühlfluidheizung 36 die Spannung des Stapels 12 reduziert, und kann in Kombination mit dem oben erläuterten Batterieladen oder getrennt von dem oben erläuterten Batterieladen vorgesehen sein, wenn die Batterie 46 bereits vollständig geladen ist. Überdies wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung der Kühlfluidheizung 36 als eine Hilfslast zum Reduzieren der Spannung des Stapels 12 nur ein Beispiel ist, wobei auch andere Lasten in dem System wie z. B. die Endzellenheizungen 40 und 42, der Verdichter 14 etc. als Lasten verwendet werden können, um die Stapelspannung zu reduzieren.The system 50 also includes a cooling fluid heating voltage suppression processor 62 that has the error value
Figure DE102010047504B4_0027
from the processor 52 , the Boolean operator
Figure DE102010047504B4_0028
from the processor 60 and the Boolean operator b temp, lim / actv receives, indicating that the temperature of the cooling fluid heating 36 was not exceeded. The cooling fluid heating voltage suppression processor 62 uses an algorithm that can be used to load the stack 12 to lay down, to allow the cooling fluid heating 36 the tension of the pile 12 reduced, and may be provided in combination with the above-mentioned battery charging or separate from the above-mentioned battery charging when the battery 46 already fully loaded. Moreover, it is noted that the use of cooling fluid heating 36 as an auxiliary load for reducing the stress of the stack 12 is just one example, with other loads in the system such. B. the Endzellenheizungen 40 and 42 , the compressor 14 etc. can be used as loads to reduce the stack voltage.

Der Prozessor 62 führt auch eine Endlosschleife an demselben Fehlerwert

Figure DE102010047504B4_0029
aus, wird aber nur unter einem bestimmten Satz von Bedingungen zugeschaltet, wie z. B., wenn der Wert
Figure DE102010047504B4_0030
eine obere Schwelle erreicht oder die Batterie 46 nicht mehr geladen werden kann. Der Prozessor 62 gibt ein Stromanforderungssignal
Figure DE102010047504B4_0031
an die Kühlmittelheizung 36 aus, sodass er eine Last an den Stapel 12 legen kann, um die Spannung zu unterdrücken. Der Prozessor 62 gibt auch einen Boolschen Operator
Figure DE102010047504B4_0032
an den Prozessor 60 aus, der angibt, dass die Menge an Leistung von der Kühlfluidheizung 36 abgezogen wird. Der Prozessor 62 sendet auch den Boolschen Operator
Figure DE102010047504B4_0033
an den Minimalleistungsanforderungsprozessor 58, sodass er den Algorithmus anhalten kann, wenn die Kühlheizungsspannungsunterdrückung aktiv ist. Es wird zugelassen das der Kühlfluidheizungsalgorithmus zurückgedreht wird, wenn der Fehlerwert
Figure DE102010047504B4_0034
reduziert ist, da beide Algorithmen dasselbe Eingangsfehlersignal verwenden. Dies wird die Stabilität des Systems ermöglichen und die Prioritätsreihenfolge der beiden Algorithmen aufrechterhalten.The processor 62 also causes an infinite loop at the same error value
Figure DE102010047504B4_0029
but is only activated under a certain set of conditions, such as For example, if the value
Figure DE102010047504B4_0030
reached an upper threshold or the battery 46 can not be loaded anymore. The processor 62 gives a power request signal
Figure DE102010047504B4_0031
to the coolant heater 36 out, so he puts a load on the stack 12 can put to suppress the tension. The processor 62 also gives a boolean operator
Figure DE102010047504B4_0032
to the processor 60 off, indicating that the amount of power from the cooling fluid heater 36 is deducted. The processor 62 also sends the Boolean operator
Figure DE102010047504B4_0033
to the minimum power request processor 58 so that it can stop the algorithm when the cooling heater voltage suppression is active. It is permitted that the cooling fluid heating algorithm be turned back when the error value
Figure DE102010047504B4_0034
is reduced because both algorithms use the same input error signal. This will allow the stability of the system and maintain the order of priority of the two algorithms.

Eine detaillierte Erläuterung des Betriebes des Prozessors 62 ist nachfolgend für eine nicht einschränkende Ausführungsform angegeben. Der Prozessor verwendet einen Standard-PI-Controller, der zwei Ausgänge besitzt:

  • 1. Stromanforderung an die Heizung I_HtrStckVoltSuppReq und
  • 2. Boolscher Operator
    Figure DE102010047504B4_0035
    zum Anhalten des Minimalleistungsanforderungsalgorithmus, wenn die auf der Kühlfluidheizung 36 basierende Unterdrückung aktiv ist.
A detailed explanation of the operation of the processor 62 is given below for a non-limiting embodiment. The processor uses a standard PI controller that has two outputs:
  • 1. Power request to the heater I_HtrStckVoltSuppReq and
  • 2. Boolean operator
    Figure DE102010047504B4_0035
    for stopping the minimum power request algorithm when on the cooling fluid heater 36 based suppression is active.

Der Minimalbruttoleistungsanforderungswert P min,gross / prdt wird verwendet, um die Minimalbruttoleistungsanforderung von dem Stapel 12 zu bestimmen. Durch Bestimmen der Minimalbruttoleistungsanforderung von dem Stapel 12 kann eine Reihe von Vorteilen realisiert werden. Da die Spitzenspannung mit der Zeit degradiert, können die Stapelparameter aus der Polarisationskurvenabschätzung diesem Abfall folgen und automatisch die Minimallast zu reduzieren, die an dem Stapel 12 erforderlich ist, um die Spannung unter einem bestimmten Niveau unterdrückt zu halten. Die adaptive Beschaffenheit der Reduktion in der Spannungsunterdrückung verbessert die Effizienz im Leistungsvermögen des Systems durch Reduzieren der Notwendigkeit, Lasten zu verwenden, um die Spannung zu unterdrücken, wenn der Stapel mit der Zeit degradiert. Ferner würde die Minimalleistungsanforderung sofort auf den Stapel 12 während Abwärtstransienten angewendet und das Vertrauen auf die Spannungsrückwirkung in Echtzeit reduziert. Der traditionelle Weg, die Spannung zu unterdrücken, würde darin bestehen, den Spannungsanstieg während einer Abwärtstransiente zu überwachen und darauf zu reagieren, indem Lasten aktiviert werden, um sie zu unterdrücken. Wenn die Minimalbruttoleistungslast mithilfe von Stapelparametern vorbestimmt wurde, würde die Leistungsanforderung bereits bestehen, um zu verhindern, dass die Spannung über bestimmte Schwellen ansteigt, und somit die Lebensdauer des Stapels verlängert. Der oben beschriebene Algorithmus könnte erweitert werden, um einen geschlossenen Regelkreis an der Spannungsrückwirkung zu umfassen, wobei die aus den Stapelparametern abgeschätzte Leistung als Vorwärtskopplungs-Prediktorterm dienen und mit der Spannungsrückwirkung unter Verwendung eines PI-Controllers korrigiert würde.The minimum gross power request value P min, big / prdt is used to calculate the minimum gross power requirement from the stack 12 to determine. By determining the minimum gross power requirement from the stack 12 a number of advantages can be realized. As the peak voltage degrades over time, the polarization curve estimation stack parameters can follow this drop and automatically reduce the minimum load on the stack 12 is required to keep the voltage below a certain level suppressed. The adaptive nature of the reduction in voltage rejection improves the efficiency in the performance of the system by reducing the need to use loads to suppress the voltage as the stack degrades over time. Furthermore, the minimum power requirement would be immediately on the stack 12 during downtran transients and reduces the reliance on voltage feedback in real time. The traditional way to suppress the voltage would be to monitor and respond to the voltage rise during a transient by activating loads to suppress them. If the minimum gross power load was predetermined using stacking parameters, the power demand would already exist to prevent the voltage from rising above certain thresholds and thus extend the life of the stack. The above-described algorithm could be extended to include a closed loop on voltage feedback, where the power estimated from the stack parameters would serve as a feedforward predictor term and be corrected with voltage feedback using a PI controller.

Claims (10)

Verfahren zum Halten einer Ausgangsspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel bei oder unter einer maximalen Spannung, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein gewünschter Spannungssollwert modifiziert wird, der einen vorbestimmten maximalen Brennstoffzellenspannungswert definiert; ein Fehlerwert zwischen dem modifizierten Spannungssollwert und einer durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung von den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt wird; ein Minimalbruttoleistungsvorhersagewert mithilfe des modifizierten Spannungssollwerts bestimmt wird, der verwendet wird, um zu verhindern, dass die Brennstoffzellenspannung das vorbestimmte Maximum überschreitet; ein Zusatzleistungswert auf der Basis des Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts und des Fehlerwerts bestimmt wird, um zu bestimmen, wie viel Leistung von dem Stapel bezogen werden muss, um die Brennstoffzellenspannung unter dem vorbestimmten maximalen Spannungswert zu halten; eine Batterie mithilfe von Stapelleistung auf der Basis des Zusatzleistungswerts geladen wird, um die Brennstoffzellenspannung zu reduzieren; und eine Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt wird, um die Brennstoffzellenspannung zu reduzieren, wenn die maximale Batterieladegrenze erreicht ist oder erreicht werden kann.A method of maintaining an output voltage of fuel cells in a fuel cell stack at or below a maximum voltage, the method comprising: a desired voltage setpoint is defined that defines a predetermined maximum fuel cell voltage value; determining an error value between the modified voltage setpoint and an average fuel cell voltage from the fuel cells in the fuel cell stack; determining a minimum gross power predicted value using the modified voltage setpoint used to prevent the fuel cell voltage from exceeding the predetermined maximum; determining an additional power value based on the minimum gross power predicted value and the error value to determine how much power needs to be drawn from the stack to maintain the fuel cell voltage below the predetermined maximum voltage value; charging a battery based on the stacked power value based on the stack power to reduce the fuel cell voltage; and an auxiliary load is coupled to the fuel cell stack to reduce the fuel cell voltage when the maximum battery charge limit is reached or can be achieved. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modifizieren eines Spannungssollwerts umfasst, dass der gewünschte Spannungssollwert auf einen Rampenbegrenzer angewendet wird, um den gewünschten Spannungssollwert von einem anfänglichen Spannungssollwert in den gewünschten Spannungssollwert zu verändern.The method of claim 1, wherein modifying a voltage setpoint comprises applying the desired voltage setpoint to a ramp limiter to change the desired voltage setpoint from an initial voltage setpoint to the desired voltage setpoint. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts umfasst, dass vorbestimmte Stapelparameter von einem Speicher beschafft werden, der Stapelstrom bestimmt wird, der erforderlich ist, um die Spannung auf den modifizierten Spannungssollwert unterdrückt zu halten, und der Stapelstrom verwendet wird, um den Minimalbruttoleistungsvorhersagewert zu bestimmen.The method of claim 1, wherein determining a minimum gross power predicted value comprises obtaining predetermined stack parameters from a memory, determining the stack current. which is required to keep the voltage suppressed to the modified voltage setpoint, and the stack current is used to determine the minimum gross power predicted value. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts umfasst, dass die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel und die Fläche der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden.The method of claim 3, wherein determining the minimum gross power predicted value includes using the number of fuel cells in the fuel cell stack and the area of the fuel cells in the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des Minimalbruttoleistungsvorhersagewerts umfasst, dass die Gleichung: P min,stack / req = (jmin,stack·Acell)·(V mod / sp·Ncell) verwendet wird, wobei P min,stack / req der Minimalbruttoleistungsvorhersagewert ist, V mod / sp der modifizierte Spannungssollwert ist, jmin,stack die Stapelstromdichte ist, Acell die Fläche der Brennstoffzelle ist und Ncell die Anzahl der Brennstoffzellen ist.The method of claim 4, wherein determining the minimum gross power predicted value comprises the equation: P min, stack / req = (j min, stack × A cell ) × (V mod / sp × N cell ) is used, where P min, stack / req is the minimum gross performance predictive value, V mod / sp the modified voltage setpoint is j min, stack is the stack current density, A cell is the area of the fuel cell, and N cell is the number of fuel cells. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Beschaffen von Stapelparametern aus dem Speicher umfasst, dass eine Austauschstromdichte, eine Grenzstromdichte und ein Massenübertragungskoeffizient beschafft werden.The method of claim 3, wherein obtaining stacking parameters from the memory comprises obtaining an exchange current density, a limiting current density, and a mass transfer coefficient. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass der gewünschte Spannungssollwert mithilfe eines Zellenspannungsmodells und einer Stapelpolarisationskurve bestimmt wird.The method of claim 1, further comprising determining the desired voltage setpoint using a cell voltage model and a stack polarization curve. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des gewünschten Spannungssollwerts umfasst, dass die Gleichung:
Figure DE102010047504B4_0036
verwendet wird, wobei Vsp der Spannungssollwert ist, Erev das thermische dynamische reversible Zellenspannungspotential ist, jmin,stack der Stapelstrom ist und i0 eine Austauschstromdichte ist.The method of claim 1, wherein determining the desired voltage setpoint comprises the equation:
Figure DE102010047504B4_0036
where V sp is the voltage setpoint , E rev is the thermal dynamic reversible cell voltage potential, j min, stack is the stack current, and i 0 is an exchange current density. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Koppeln einer Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass eine Kühlfluidheizung, die ein durch den Stapel strömendes Kühlfluid erwärmt, mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt wird.The method of claim 1, wherein coupling an auxiliary load to the fuel cell stack includes coupling a cooling fluid heater that heats a cooling fluid flowing through the stack to the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Koppeln einer Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass Stapelendzellenheizungen mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt werden.The method of claim 1, wherein coupling an auxiliary load to the fuel cell stack includes interfacing stack end cell heaters with the fuel cell stack.
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