DE102014100703B4 - Leistungsregelung einer Brennstoffzelle mittels Schätzung der Regelabweichung - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsregelung in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel und geregelte und ungeregelte Systemlasten aufweist, wobei das Verfahren umfasst:- Bereitstellen einer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel an einen Leistungsbus, um die Systemlasten mit Strom zu versorgen;- Messen der Leistung auf dem Leistungsbus, um ein Ist-Stapelleistungssignal bereitzustellen;- Bereitstellen einer Differenz zwischen einem oberen Leistungsgrenzwertsignal und dem Ist-Stapelleistungssignal an einen Regler, um ein Leistungsoffsetsignal zu erzeugen;- Bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um ein Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen;- Addieren des Lastleistungsanfragesignals und des Leistungsoffsetsignals, um ein Stapelleistungsnachfragesignal zu erzeugen; und- Bewirken, dass das obere Leistungsgrenzwertsignal sich in Richtung auf das Ist-Stapelleistungssignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um das Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen;- Subtrahieren des Leistungsoffsetsignals und des oberen Leistungsgrenzwertsignals, um ein erstes Leistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um die Leistung, die von den geregelten Systemlasten aufgenommen wird, zu begrenzen, so dass das Ist-Stapelleistungssignal sich in Richtung auf das obere Leistungsgrenzwertsignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um das Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen;- Bestimmen, ob das Brennstoffzellensystem sich in einem Fahrbetrieb oder einem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei das Abgleichen des oberen Leistungsgrenzwertsignals mit dem Ist-Stapelleistungssignal oder das Abgleichen des Ist-Stapelleistungssignals mit dem oberen Leistungsgrenzwertsignal ausgeführt wird, wenn das System sich im Fahrbetrieb befindet; und- Subtrahieren des Leistungsoffsetsignals und eines unteren Leistungsgrenzwertsignals, um ein zweites Leistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um die Leistung, die von den geregelten Systemlasten aufgenommen werden, zu begrenzen, so dass das Ist-Stapelleistungssignal sich in Richtung auf das untere Leistungsgrenzwertsignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn das System sich in dem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei der Regler ein Proportional-Integral (PI)-Regler mit einem positiven Eingang und mit einem negativen Eingang ist, und wobei das Ist-Leistungssignal an den positiven Eingang des PI-Reglers geliefert wird, wobei das obere Leistungsgrenzwertsignal und das untere Leistungsgrenzwertsignal an einen Schalter geliefert werden, der auf eine Stellung eingestellt ist, je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Betrieb befindet, so dass je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Bremsbetrieb befindet, entweder das obere Leistungsgrenzwert Signal oder untere Leistungsgrenzwertsignal an den negativen Eingang des PI-Reglers geliefert wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Handhaben eines Stromflusses in einem Brennstoffzellenfahrzeug, das das Bereitstellen eines Stromabgleichs zwischen einem Ist-Brennstoffzellenstapelstrom und einem Brennstoffzellenstapelstromgrenzwert und insbesondere auch in Systemen beim Verfahren zum Handhaben eines Stromflusses von einem Brennstoffzellenstapel zu einem geregelten elektrischen Antriebssystem, welches manchmal hier als ein Strominvertermodul (TPIM) bezeichnet wird, durch Schätzen des unbekannten Offset-Stroms, welche die Summe des Stroms von irgendeiner Last, beispielsweise von zusätzlichen Lasten, den verteilten Effizienzverlusten und einigen nicht gemanageten elektrischen Lasten, beispielsweise Heizer, Lüfter etc. und welches ein einzelnes Steuergerät für einen Stromanfragesignalpfad und einen Strombegrenzungssignalpfad verwendet.
  • Diskussion des Standes der Technik
  • Elektrofahrzeuge, beispielsweise Batterieelektrofahrzeuge (BEV), Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV) und Elektrohybridfahrzeuge, die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle miteinander verbinden, beispielsweise eine interne Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc., sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine wiederaufladbare zusätzliche Hochvoltstromquelle zu dem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise eine DC-Batterie oder einen Superkondensator, verwenden. Die Stromquelle liefert einen zusätzlichen Strom für die verschiedenen zusätzlichen Fahrzeuglasten, für ein System-Hochlaufen und während hoher Stromnachfragen, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung bereitzustellen. Insbesondere liefert der Brennstoffzellenstapel einen Strom an einen Traktionsmotor und andere Fahrzeugsysteme über eine DC-Spannungsbusleitung für einen Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert die zusätzliche Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten, wenn eine zusätzliche Leistung über dem, was der Stapel liefern kann, beispielsweise während einer starken Beschleunigung, benötigt wird. Der Brennstoffzellenstapel wird dazu verwendet, um die Batterie zu denjenigen Zeiten, bei denen der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die Systemleistungsnachfrage zu befriedigen, wieder aufzuladen. Der von dem Traktionsmotor verfügbare Generatorstrom kann ein regeneratives Bremsen bereitstellen, welches ebenfalls dazu verwendet werden kann, um die Batterie über die DC-Busleitung wiederaufzuladen.
  • Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann 200 oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein kathodenseitiges Eingangsgas, welches Sauerstoff aufweist, typischerweise einen Luftfluss, der durch den Stapel über einen Kompressor geleitet wird. Nicht alles an Sauerstoff wird von dem Stapel aufgebraucht und einiges an Luft wird als ein Kathodenabgas ausgelassen, das auch Wasser als ein Stapelabfallprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt darüber hinaus ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen einzelnen Membranelektrodenanordnungen (MEAs) in dem Stapel angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflussfelder sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten angeordnet, welche es ermöglichen, dass das Anodenreaktantengas zur jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflussfelder sind auf der Kathodenseite der Bipolarplatten angeordnet, welche es ermöglichen, dass das Kathodenreaktantengas zur jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte umfasst Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten sind aus leitfähigem Material hergestellt, beispielsweise einem rostfreien Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen erzeugt wird, aus dem Stapel. Die Bipolarplatten umfassen darüber hinaus Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
  • Die Antriebsleistung für das Betreiben eines Fahrzeugs ist typischerweise sehr dynamisch. Wenn man einen Brennstoffzellenstapel verwendet, um die Fahrzeugantriebsleistung bereitzustellen, ist es für den Strom, der von dem Stapel bereitgestellt wird, erforderlich, der dynamischen Stromanfrage vom Fahrzeugführer zu folgen, wie diese vom Fahrzeuggaspedal vorgegeben wird. Der Wasserstoffbrennstoff und Luft (Medien) werden an den Stapel mit einem gewissen Druck und einer Flussrate geliefert, so dass, wenn das Brennstoffzellensystem ein Leistungsnachfragesignal empfängt, das System verschiedene Geräte und Komponenten, die die Medien an den Stapel liefern, steuert, die Stapelbetriebsbedingungen überwacht und ein Leistungssignal liefert, welches die Leistung, die von dem Stapel abgegeben wird, identifiziert. Es gibt jedoch einen Grenzwert für die dynamische Antwort des Brennstoffzellensystems indem das System nicht relativ schnellen Leistungsnachfragetransienten folgen kann. In dem Fall einer solchen Transientenleistungsnachfrage für einen Fahrzeugbetriebsmodus wird die verfügbare Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, und der Strom, der von den Fahrzeuglasten gezogen wird, dazu gebracht, der reduzierten Transientendynamik der Stapelleistung zu folgen. Der physikalische Stromfluss in dem System wird von den Systemlasten, gewöhnlicherweise dem Fahrzeugfahrbetriebsmotor und nicht von dem Brennstoffzellensystem betätigt. Der Sollpunkt für den Strom wird entweder von den Lasten (Normalbetrieb) oder von dem Brennstoffzellensystem (beschränkter Betrieb) gefahren.
  • Um einem Schaden an dem Brennstoffzellenstapel infolge einer Spannungsüberlast vorzubeugen, darf der Strom, der von den Fahrzeuglasten gezogen wird, nicht einen Oberwellenstromgrenzwert, der von der Brennstoffzellenstapelsteuerung bereitgestellt wird, übersteigen. Darüber hinaus sollte der Strom, der von dem Stapel gezogen wird nicht unter den oberen Stromgrenzwert für eine signifikante Zeitdauer fallen, da eine Unterversorgung des Stapels zu einer langfristigen Stapeldegradation führen könnte. Wenn die Systemgeräte mehr Luft und Wasserstoff liefern als für die tatsächliche Leistungsanfrage erforderlich ist, könnten insbesondere ungeeignete Betriebsbedingungen des Stapels dazu führen, dass eine langfristige Degradation aufgrund eines Austrocknens des Stapels erfolgen könnte.
  • Wie erwähnt, sollte der Ist-Stapelstrom während des Fahrbetriebs so nah wie möglich an dem oberen Stromgrenzwert gehalten werden. Kurzfristige Stromabweichungen sind im allgemeinen akzeptabel, wenn diese unterhalb einem bestimmten Spitzenstromwert liegen, aber es ist im allgemeinen nicht akzeptabel, wenn eine kontinuierliche Abweichung der Stapelleistung über dem oberen Stromgrenzwert vorliegt oder dass die Stapelleistung unter den unteren Leistungsgrenzwert fällt. Wenn eine kontinuierliche Abweichung von der Stapelleistung von dem oberen Leistungsgrenzwert vorliegt, muss das Systemsteuergerät eine Gegenmaßnahme unternehmen. Es gibt zwei Arten, um diese Steuerung zu erzielen, nämlich das Verwenden eines Nachfrageleistungsbetriebs, wobei die Leistungsaufnahme von dem Stapel aufrechterhalten wird und die Stapelleistungskapazität durch ein Regeln des Nachfragesignales eingestellt wird, oder das Verwenden eines Leistungsgrenzwertbetriebs, wobei der Stapelleistungsgrenzwert von den Stapelbetriebsbedingungen vorgegeben wird und der tatsächliche Strom, der von dem Stapel entnommen wird, durch Regeln des TPIM eingestellt wird. Wenn der Stapel in der Lage ist, die angeforderte Leistung bereitzustellen, dann wird der Leistungsnachfragebetrieb verwendet und die Stapelleistung wird der Leistungsnachfrage folgen. Das bedeutet, dass die Leistungsnachfrage von der Last in einer Art und Weise geregelt wird, dass der Stapelleistungsgrenzwert mit der tatsächlichen Stapelleistung übereinstimmt. Wenn der Stapel nicht in der Lage ist, die angeforderte Leistung zu liefern, dann wird der Leistungsgrenzwertbetrieb verwendet und die tatsächliche Stapelleistung wird bei dem Leistungsgrenzwert aufrechterhalten. Dies bedeutet, dass die Leistung, die an die Lasten abgegeben wird, in einer Art und Weise geregelt wird, dass die tatsächliche Stapelleistung mit dem Stapelleistungsgrenzwert zu jederzeit übereinstimmt. Während normaler Betriebsbedingungen wird der Leistungsnachfragebetrieb verwendet, wobei der Fahrer die Stapelleistung durch Betätigen des Gaspedals einstellt und der Leistungsgrenzwert so geregelt wird, so dass er mit der tatsächlichen Leistung übereinstimmt.
  • Das System könnte darüber hinaus in einem regenerativen Bremsbetrieb (regen) betrieben werden, wobei die Energie von einem regenerativen Bremsen des Fahrzeugs dazu verwendet wird, um die Batterie aufzuladen und Strom an die Lasten abzugeben, was die Energie, die vom Brennstoffzellenstapel geliefert wird, einspart und die Gesamtsystemeffizienz steigert. In diesem Fall muss ein niedrigerer Leistungsgrenzwert genommen werden, um sicher zu gehen, dass die Stapelleistung nicht negativ wird, wobei der niedrigere Leistungsgrenzwert für die Systemsteuerung in der gleichen Art und Weise wie bei der Steuerung des oberen Leistungsgrenzwerts verwendet wird. Die obige Diskussion für den Leistungsnachfragebetrieb und den Leistungsbeschränkungsbetrieb, wie oben beschrieben ist, ist nur für den Fahrbetrieb und lässt den regenerativen Bremsbetrieb außer Acht. Im regenerativen Bremsbetrieb wird die Stapelleistung auf den unteren Leistungsgrenzwert abgeglichen.
  • In gegenwärtigen Brennstoffzellensystemen wird ein separater Proportional-Integral (PI)-Regler für den Leistungsnachfragebetrieb und den Leistungsbegrenzungsbetrieb verwendet, um den Stapelleistungsgrenzwert und die tatsächliche Stapelleistung für den Leistungsnachfragebetrieb und den Leistungsbeschränkungsbetrieb abzugleichen. Darüber hinaus ist es notwendig, die unbekannte Leistungsaufnahme der ungeregelten Fahrzeuglasten in Betracht zu ziehen. Diese Lasten sind für das Regelsystem nicht sichtbar und sie sind nicht in die Lastregelsignale eingebunden, aber ihre Leistungsaufnahme ist Teil der gesamten tatsächlichen Stapelleistung. Systeme aus dem Stand der Technik messen typischerweise oder schätzen typischerweise, wie viel Leistung jede der zusätzlichen ungeregelten Lasten aufnimmt und addiert diese Leistungsbeträge miteinander, um die gesamte Leistung, die verbraucht wird, zu erlangen. Es war jedoch schwierig, zu bestimmen, wie viel Leistung von den verschiedenen ungeregelten Lasten gefordert wird, um den gewünschten Abgleich zwischen der gelieferten Leistung und der verbrauchten Leistung vorzunehmen. Aus der Druckschrift DE 102 23 117 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs in einem Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und mit einer Speicherbatterie bekannt, wobei der Strom aus der Brennstoffzelle beim Beschleunigen durch Strom aus der Speicherbatterie aufgestockt wird, um die Dynamik des Antriebs zu erhöhen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Handhaben eines Stromflusses in einem Brennstoffzellenfahrzeug offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und geregelte und ungeregelte Systemlasten. Das Verfahren liefert Leistung von dem Brennstoffzellenstapel an einen Leistungsbus, um Leistung an die Systemlasten zu liefern, und misst die Leistung auf dem Leistungsbus, um ein Ist-Leistungssignal bereitzustellen. Das Verfahren stellt darüber hinaus eine Differenz zwischen einem Leistungsgrenzwertsignal und dem Ist-Leistungssignal an einen PI-Regler bereit, um ein Leistungs-Offsetsignal zu erzeugen. Das Verfahren bestimmt, ob der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um ein Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen, und wenn dies der Fall ist, das Lastleistungsanfragesignal und das Leistungs-Offsetsignal zu addieren, um ein Stapelleistungsanfragesignal zu erzeugen, um zu bewirken, dass das Leistungsgrenzwertsignal in Richtung des Ist-Leistungssignals bewegt wird und mit dem Ist-Leistungssignal abgeglichen wird. Wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, genug Leistung zu liefern, um das Lastleistungsnachfragesignal zu befriedigen, subtrahiert das Verfahren das Leistungs-Offsetsignal von dem Stapelleistungsgrenzwertsignal, um ein Lastleistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um zu bewirken, dass das Ist-Stapelleistungssignal in Richtung des Leistungsgrenzwertsignals bewegt und mit diesem abgeglichen wird. Das Verfahren bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem sich in einem Fahrbetrieb oder einem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei das Abgleichen des oberen Leistungsgrenzwertsignals mit dem Ist-Stapelleistungssignal oder das Abgleichen des Ist-Stapelleistungssignals mit dem oberen Leistungsgrenzwertsignal ausgeführt wird, wenn das System sich im Fahrbetrieb befindet. Das Verfahren umfasst ferner das Subtrahieren das Leistungsoffsetsignal und eines unteren Leistungsgrenzwertsignals, um ein zweites Leistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um die Leistung, die von den geregelten Systemlasten aufgenommen werden, zu begrenzen, so dass das Ist-Stapelleistungssignal sich in Richtung auf das untere Leistungsgrenzwertsignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn das System sich in dem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei der Regler ein Proportional-Integral (PI)-Regler mit einem positiven Eingang und mit einem negativen Eingang ist, und wobei das Ist-Leistungssignal an den positiven Eingang des PI-Reglers geliefert wird, wobei das obere Leistungsgrenzwertsignal und das untere Leistungsgrenzwertsignal an einen Schalter geliefert werden, der auf eine Stellung eingestellt ist, je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Betrieb befindet, so dass je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Bremsbetrieb befindet, entweder das obere Leistungsgrenzwert Signal oder untere Leistungsgrenzwertsignal an den negativen Eingang des PI-Reglers geliefert wird.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein einfaches Blockdiagramm eines Fahrzeugantriebssystems;
    • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Leistungsreglerarchitektur für ein Brennstoffzellensystem; und
    • 3 ist ein detailliertes schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellenstapelvortriebssystem.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Handhaben einer Leistungssteuerung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Regelarchitektur für das Handhaben einer Leistungsregelung in einem Brennstoffzellenfahrzeug vor, welches die Leistung, die von einem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, mit der Leistung, die von den Lasten verbraucht wird, welche die Leistung von dem Brennstoffzellenstapel in dem Fahrzeug erhalten, abgleicht. Die Regelarchitektur umfasst einen einzelnen PI-Regler, der eine Leistungsregelung für einen Leistungsnachfragebetrieb und einen Leistungsbegrenzungsbetrieb bereitstellt, wobei die Regelung inhärent, ohne einen expliziten Betrieb (zwischen den zwei Betriebsarten umschaltet), je nachdem, ob der Stapel in der Lage ist, die angeforderte Leistung zu liefern. Zu den Zeiten, wenn der Stapel nicht in der Lage ist, die angeforderte Leistung zu liefern, beispielsweise aufgrund einer Überhitzung des Stapels, einer Verknappung der Reaktantenversorgung, einem Überschreiten der Zellspannungsgrenzwerte, einer Degradation des Stapels etc., schaltet die Regelung in den Leistungsbegrenzungsbetrieb, wobei die Lasten dazu begrenzt werden, wie viel Leistung diese von dem Stapel aufnehmen können. Ein neuer Punkt ist, dass genau ein PI-Reger benötigt wird, um sowohl den Leistungsnachfragesignalpfad als auch den Leistungsbegrenzungssignalpfad zu bedienen, wobei der PI-Reger kontinuierlich aktiviert ist und nicht betriebsabhängig ist, was die Robustheit des Systems steigert. Darüber hinaus ist nur ein einzelner Leistungssensor in der Hardware erforderlich. Durch das Bereitstellen guter und vorhersagbarer Schätzungen für die Leistungsaufnahme der ungeregelten Lasten (ohne der Benötigung von Hardwaresensoren) wird die Gesamtdynamik des Systems gesteigert. Es ist einfach, zusätzliche Lasten gerade durch Addieren von Leistungsschätzungen auf einen Offset-Summenpunkt zu addieren. Ein oberer Leistungsgrenzwert wird für den Fahrbetrieb und ein unterer Leistungsgrenzwert wird für den regenerativen Bremsbetrieb bereitgestellt. Um beide Leistungsgrenzwerte handzuhaben, ist es notwendig, zwischen dem Fahrbetrieb und dem regenerativen Bremsbetrieb umzuschalten, was zu einem Benötigen für einen Schaltblock und eine Logik für die Schaltstrategie führt.
  • 1 ist eine vereinfachte Draufsicht, welche ein Elektrohybridfahrzeug 10 zeigt, welches eine Hochvoltbatterie 12, einen Brennstoffzellenstapel 14, eine Vortriebseinheit 16 und einen DC/DC-Regler 18 umfasst. Der Regler 18 stellt alle Regelmodule und Geräte dar, die für den Betrieb und die Leistungsflussregelung in dem Fahrzeug 10 notwendig sind.
  • 2 ist ein Blockdiagramm für ein Leistungsregelungssystem 20 mit einem Brennstoffzellenstapel 22. Der Brennstoffzellenstapel 22 liefert eine Stapelleistung an einen Hochvoltleistungsbus 24 an verschiedene Lasten, die auf dem Fahrzeug befindlich sein können und Leistung erfordern, wobei die Lasten geregelte Lasten umfassen, deren Leistungsaufnahme geregelt werden kann, und ungeregelte Lasten, deren Leistungsaufnahme nicht geregelt werden kann. Die geregelten Lasten in dem System 20 wären das elektrische Fahrzeugtraktionssystem (ETS) mit einem Vortriebsmotor, ein DC/DC-Leistungswandler, eine Fahrzeugbatterie etc., welche alle allgemein mit dem Kasten 26 dargestellt sind. Eine Anzahl von zusätzlichen ungeregelten Lasten, die allgemein mit den Kästen 28 dargestellt sind, beispielsweise dem Kathodenluftkompressor, einer Fahrgastzellenheizung, einer Niedervolt (12 V) DC/DC-Stromversorgung etc. sind ebenfalls elektrisch mit dem Bus 24 gekoppelt. Der Kathodenluftkompressor wird als eine ungeregelte Last angesehen, da dieser seine Anweisungen von der internen Steuerung des Brennstoffzellenstapels 22 empfängt und nicht von dem beschriebenen Leistungsmanagementsystem. Das System 20 umfasst einen Stapelregler 30, der ein Stapelleistungsanfragesignal Preq_Stk auf einer Leitung 32 empfängt, welches die Sollausgangsleistung des Stapels 22 einstellt, um die Leistungsnachfrage der Lasten 26 und 28 zu befriedigen. Ausgehend von dem Stapel Leistungsnachfrage Signal Preq_Stk liefert der Stapelregler 30 ein oberes Leistungsgrenzwert Signal Plim_upp auf der Leitung 34 für den Fahrbetriebs und ein niederes Leistungsgrenzwert Signal Plim_low auf der Leitung 36 für den regenerativen Bremsbetrieb, wie unten im Detail diskutiert werden wird. Das obere Leistungsgrenzwert Signal Plim_upp und das untere Leistungsgrenzwert Signal Plim_low werden an einen Schalter 40 geliefert, der auf eine Stellung eingestellt ist, je nachdem, ob das Fahrzeug 10 sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Bremsbetrieb befindet.
  • Je nachdem, ob das Fahrzeug 10 sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Bremsbetrieb befindet, wird entweder das obere Leistungsgrenzwert Signal Plim_upp oder das unsere Leistungsgrenzwert Signal Plim_low an einen negativen Eingang eines PI-Reglers 38 durch den Schalter 40 geliefert, wobei der PI-Regler 38 Teil des Steuergeräts 18 sein könnte. Ein Stromsensor 42 misst den Ist-Strom, der von dem Stapel 22 auf dem Bus 24 entnommen wird, und liefert ein Ist-Stromsignal Pact, welches den Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel 22 aufgenommen wird, an den positiven Eingang des PI-Reglers 38. Der Sensor 42 gestattet eine einzelne Strommessung, welche dazu verwendet wird, um die Ist-Leistung, die von dem Stapel 22 aufgenommen wird, zu bestimmen, anstelle eines Bestimmens der einzelnen Leistung, die von jeder der Lasten 28 entnommen wird. Der PI-Regler 38 verwendet die Differenz zwischen dem Leistungsgrenzwertsignal Piim und dem Ist-Leistungssignal Pact, um ein Leistungsoffsetsignal Poffs auf einer Leitung 44 zu erzeugen, wobei das Offsetsignal Poffs die Summe der Leistungen ist, die von den ungeregelten Lasten 28 aufgenommen werden.
  • Das System 20 umfasst ferner einen elektrischen Antriebssystemregler 46, der den Betrag an Leistung des elektrischen Antriebssystems in der Last 26 von dem Bus 24 unter Verwendung eines Drehmomentsteuersignals auf der Leitung 48 entnehmen kann. Das System 20 kann eine Hybridbatterie umfassen, die Teil des Leistungsmanagements ist, wie unten beschrieben werden wird. Der Antriebssystemregler 46 liefert ein Lastleistungsanfragesignal Preq_load auf einer Leitung 50 in Reaktion auf ein Leistungsanfragesignal des Fahrers auf der Leitung 52, welches an einen Summationsübergang 54 geliefert wird. Der Summationsübergang 54 addiert das Lastleistungsanfragesignal Preq_load mit dem Offsetsignal Poffs von dem PI-Regler 38, um das Stapelleistungsanfragesignal Preq_Stk zu erzeugen, welches an den Stapelregler 30 geliefert wird. Das Leistungsoffsetsignal Poffs wird von dem oberen Leistungsgrenzwertsignal Plim_upp über einen Subtrahierer 58 subtrahiert, um ein Fahrbetriebleistungsgrenzwertsignal Plim_mot zu erzeugen, welches an den Fahrsystemregler 46 auf der Leitung 60 bereitgestellt wird. Analog dazu wird das Leistungsoffsetsignal Poffs von dem unteren Leistungsgrenzwertsignal Plim_low von einem Subtrahierer 62 subtrahiert, um ein regeneratives Bremsbetriebsleistungsgrenzwertsignal Plim_reg zu erzeugen, welches auf den Systemregler 46 des elektrischen Antriebs auf der Leitung 64 bereitgestellt wird.
  • Wie oben erwähnt, stellt das Leistungsoffestsignal Poffs die Summierung der aufgenommenen Leistung von all den Lasten 28, die nicht von dem Fahrsystemregler 46 geregelt werden, dar. Der PI-Regler 38 wird jegliche Gleichgewichtsabweichung in dem Leistungsoffsetsignal Poffs eliminieren. Das Transientenverhalten jedoch kann durch Vorhersagen der von den ungeregelten Lasten 28 angeforderten Leistungen und durch Addieren dieser Leistung auf das Lastleistungsanfragesignal Preq_load von dem Regler 46 optimiert werden, was das dynamische Verhalten für eine bessere Systemleistungsfähigkeit verbessert. Mit anderen Worten ist das Offset-Leistungsvorhersagesignal eine geschätzte Vorhersage der erwarteten Leistungsaufnahme aller ungeregelten Lasten 28. Dieses Signal wird nur dazu benötigt, um das Transientenverhalten des Systems zu verbessern. Die Schätzung des Leistungsvorhersagesignals sollte so gut wie möglich gemacht werden, sie muss jedoch nicht exakt sein, da der PI-Regler 76 jegliche Gleichgewichtsabweichung eliminieren wird. Das Optimieren dieser Leistungsvorhersageschätzung für das beste dynamische Systemverhalten ist eine Aufgabe für die Regelungstechnik.
  • Wenn das System 20 sich im Fahrleistungsanfragebetrieb befindet, wobei der Stapel 22 in der Lage ist, die angeforderte Leistung zu liefern, verwendet der Stapelregler 30 das Stapelleistungsanfragesignal Preq_Stk , um das obere Leistungsgrenzwertsignal Plim_upp zu ändern, wenn das Ist-Leistungssignal Pact sich in Reaktion auf die Änderungen durch die von den Lasten 26 und 28 aufgenommenen Leistungen ändert, was bewirkt, dass die Offsetleistung Poffs sich ändert. Mit anderen Worten regelt der Stapelregler 30 das Stapelleistungsanfragesignal Preq_Stk in einer Art und Weise, dass das obere Leistungsgrenzwertsignal Plim_upp mit der Ist-Stapelleistung Pact abgeglichen wird. Wenn das System 20 sich im Fahrbetrieb befindet und im Leistungsbegrenzungsbetrieb sich befindet, wobei der Stapel 22 nicht in der Lage ist, die angeforderte Leistung zu liefern, verwendet der Fahrsystemregler 46 das Fahrbetriebsleistungsbegrenzungssignal Plim_mot , um die Leistungen, die von den Lasten 26 auf der Regelschaltung 48 aufgenommen werden, zu reduzieren, so dass das Ist-Stapelleistungssignal Pact mit dem oberen Leistungsbegrenzungssignal Plim_upp übereinstimmt. Mit anderen Worten regelt der Fahrsystemregler 46 die Lasten 26 in einer Art und Weise, dass die Ist-Stapelleistung Pact mit dem oberen Stapelleistungsgrenzwert Plim_upp übereinstimmt. Wenn sich das System 20 im regenerativen Bremsbetrieb befindet, regelt der Fahrsystemregler 46 die Leistung, die von den Lasten 26 aufgenommen werden, so dass das Ist-Stapelleistungssignal Pact mit dem unteren Leistungsbegrenzungssignal Plim_low , abgeglichen wird. Mit anderen Worten regelt der Fahrsystemregler 46 die Leistung, die von den geregelten Lasten 26 aufgenommen wird, in einer Art, dass die Ist-Stapelleistung Pact sich in Richtung zu dem niedrigeren Stapelleistungsgrenzwert Plim_low bewegt und mit diesem abgeglichen wird. Wenn das System 20 sich im regenerativen Bremsbetrieb befindet, würde das System 20 nicht in dem Leistungsnachfragebetrieb arbeiten.
  • 3 ist ein detaillierteres Blockdiagramm einer Regelarchitektur 70 zum Implementieren des Leistungsanfragebetriebs und des Leistungsbegrenzungsbetriebs, wie hier diskutiert, wozu die Integration einer Hybridbatterie und eines DC/DC gehört, und zeigt darüber hinaus die Logik, um zwischen dem Fahr- und dem regenerativen Bremsbetrieb unter Verwendung des Schalters 40 umzuschalten. In der Architektur 70 stellt der Kasten 72 den Stapelregler 30 dar, ein Kasten 74 stellt den Fahrsystemregler 46 dar, ein Kasten 76 stellt den PI-Regler 38 dar, wobei aber Fehlereingänge anstelle von + und - Eingängen verwendet werden, und ein Kasten 78 stellt den Stromsensor 42 dar.
  • Das Fahranfragesignal wird an den Fahrsystemregler 74 von dem Kasten 80 bereitgestellt, welches die Position des Gaspedals des Fahrzeugs darstellt. Das Fahrnachfragesignal wird darüber hinaus an ein DC/DC-und Batteriesteuermodul 104 bereitgestellt, welches eine hybride Leistungsstrategie zwischen der Batterie und dem Stapel für eine Leistungsoptimierung verwendet. Der Regelalgorithmus zum Bereitstellen der Hybridsteuerung und die Strategie zum Auswählen der Leistungsmischung zwischen der Batterie und der Stapelleistung liegen nicht im Schutzbereich dieser Erfindung. Der Regler 74 liefert ein Drehmomentsteuersignal auf der Leitung 82, welches bewirkt, dass das vordere System auf dem Fahrzeug 10, welches mit dem Kasten 84 dargestellt ist, einen bestimmten Betrag an Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 22 ausgehend von der Fahreranforderung aufnimmt. Die physische Leistung, die von dem Vortriebssystem 84 aufgenommen wird, wird auf einer Leitung 86 dargestellt und addiert die Leistung, die von dem Systemkathodenkompressor (ungeregelte Last) aufgenommen wird, welche durch den Kasten 88 dargestellt wird, und auf der Leitung 90 geliefert wird und die Leistung, die von den anderen im System befindlichen ungeregelten Lasten, welche im Kasten 92 dargestellt werden, und auf der Leitung 94 bereitgestellt werden, an einen symbolischen Addierer 96. Darüber hinaus wird die Leistung, die von der Batterie 12 verwendet wird, oder die Leistung, die von dem Stapel 22 gezogen wird, um die Batterie 12 zu laden, an die DC/DC- und Batteriehardware 120, welche in dem Addierer 96 addiert (subtrahiert) wird, bereitgestellt. Die Gesamtleistung, die von dem Stapel 22 aufgenommen wird, wird auf einer Leitung 98 als das Ist-Leistungssignal P bereitgestellt und an den Stapelregler 72 gesendet.
  • Der Regler 72 liefert das obere Leistungsbegrenzungssignal Plim_upp auf der Leitung 100 für den Fahrbetrieb und das untere Leistungsbegrenzungssignal Plim_low auf der Leitung 102 für den regenerativen Bremsbetrieb. Wenn das Fahrzeug 10 eine regenerative Bremsleistung nicht liefert, wird das obere Leistungsbegrenzungssignal Plim_upp verändert und die Steuerlogik im Schalter 114 schaltet zwischen dem Leistungsnachfragebetrieb und dem Leistungsbegrenzungsbetrieb um, je nachdem ob der Brennstoffzellenstapel 22 die gewünschte Leistung zu diesem bestimmten Zeitpunkt liefern kann. Wenn die Architektur 70 sich im regenerativen Bremsbetrieb befindet, würde sich das System nicht in dem Leistungsnachfragebetrieb befinden, sondern wäre in dem Leistungsbegrenzungsbetrieb und würde das untere Leistungsbegrenzungssignal Plim_low verwenden. Die Architektur 70 umfasst einen Detektorkasten 106, der detektiert, ob das Fahrzeug 10 sich in dem Fahrbetrieb oder dem regenerativen Bremsbetrieb befindet, ausgehend von den oberen und unteren Leistungsbegrenzungssignalen auf den Leitungen 100 bzw. 102. Ein oberer Grenzwertsubtrahiererkasten 108 liefert eine Differenz zwischen der Ist-Stapelleistung Pact und dem oberen Leistungsbegrenzungssignal Plim_upp und einem ein unterer Grenzwertsubtrahiererkasten 110 liefert eine Differenz zwischen der Ist-Stapelleistung Pact und dem unteren Leistungsbegrenzungssignal Plim_low .
  • Wenn der Detektor 106 detektiert, dass das Fahrzeug 10 sich im Fahrbetrieb befindet, liefert es das obere Leistungsbegrenzungsdifferenzsignal über einen Hysterese-Kasten 114, welcher eine Signalstabilität gewährleistet, an einen Schalter 112, so dass der PI-Regler 76 das Differenzsignal von dem Subtrahierer 108 verwendet. Wenn der Detektor 106 detektiert, dass sich das Fahrzeug 10 im regenerativen Bremsbetrieb befindet, liefert es das untere Leistungsbegrenzungsdifferenzsignal an den Schalter 112, so dass der PI-Regler 76 das Differenzsignal von dem Subtrahierer 110 verwendet. Das Ausgangssignal des PI-Reglers 76 wird auf ein Offset-Leistungsvorhersagesignal von dem Kasten 116 in einem Addierer 118 addiert, um das Leistungsoffsetsignal Poffs zu erzeugen, wobei der Kasten 116 die prädiktive Leistungsschätzung von allen ungeregelten Lasten 28 darstellt. Wenn irgendeine oder alle der ungeregelten Lasten, beispielsweise der Kathodenkompressor, in der Lage sind, gute Schätzungen für ihre Leistungsaufnahme abzugeben, können diese Abschätzungen für die Leistungsaufnahme von dem Kasten 116 auf den Ausgang des PI-Reglers 76 addiert werden, um ein genaueres Leistungsoffsetsignal Poffs zu liefern. Um die Batterieleistung (oder den DC/DC-Stromfluss) in dem Powermanagement zu berücksichtigen, muss eine gute prädiktive Schätzung für die DC/DC-Leistungsaufnahme (entweder positiv oder negativ), die von dem Regler 104 geliefert wird, auf den Offset-Leistungssummierungspunkt in dem Addierer 118 addiert werden.
  • Das Leistungsoffsetsignal Poffs wird auf das Lastleistungsnachfragesignal Preq_load von dem Lastregler 74 auf der Leitung 192 in einem Addierer 124 addiert, um das Stapelleistungsnachfragessignal Preq_Stk auf der Leitung 126 zu erzeugen, welches an den Brennstoffzellenstapelregler 72 übergeben wird. Das Leistungsoffsetsignal Poffs wird von dem oberen Leistungsbegrenzungsignal Plim_upp auf der Leitung 100 in einem Subtrahierer 128 subtrahiert. Das Fahrbetriebsleistungsbegrenzungssignal Plim_motor aus dem Subtrahierer 128 wird an den Regler 74 auf der Leitung 130 gesandt, nachdem es auf ein oberes Grenzwertsignal im Kasten 132 in einem Addierer 134 addiert wurde. Das Leitungsoffsetsignal Poffs von dem PI-Regler 76 wird von dem unteren Leistungsgrenzwertssignal Plim_low auf der Leitung 102 in einem Subtrahierer 136 subtrahiert. Die Differenz zwischen dem Leistungsoffsetsignal Poffs und dem unteren Leistungsgrenzsignal Plim_low wird auf ein unteres Grenzsignal im Kasten 140 in einem Addierer 142 addiert, bevor es an den Regler 74 als das regenerative Bremsbetriebsleistungsgrenzsignal Plim_regen auf der Leitung 144 gesendet wird. Das obere Grenzsignal und das untere Grenzsignal ermöglichen ein kleines dynamisches Grenzwertüberschießen, welches notwendig ist, um die Kompressorleistung während eines Transienten nach oben zu fahren, wobei der Stapel 22 ein solches Grenzwertüberschießen so lange tolerieren kann, solange es in seiner Größe und Zeit begrenzt ist. Wenn das Fahrzeug 10 sich in dem Fahrleistungsnachfrage Betrieb befindet, dann verwirft der Regler 74 das Fahrbetriebsleistungsbegrenzungssignal Plim_motor auf der Leitung 130 und wenn das Fahrzeug 10 sich im Fahrbetrieb befindet und im Leistungsbegrenzungsbetrieb, dann verwendet der Regler 74 das Fahrbetriebsleistungsbegrenzungssignal Plim_motor auf der Leitung 130. Wenn das Fahrzeug 10 sich im regenerativen Bremsbetrieb befindet, dann verwendet der Regler 74 das regenerative Bremsbetriebsleistungsbegrenzungssignal Plim_regen auf der Leitung 144.
  • Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.

Claims (7)

  1. Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsregelung in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel und geregelte und ungeregelte Systemlasten aufweist, wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen einer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel an einen Leistungsbus, um die Systemlasten mit Strom zu versorgen; - Messen der Leistung auf dem Leistungsbus, um ein Ist-Stapelleistungssignal bereitzustellen; - Bereitstellen einer Differenz zwischen einem oberen Leistungsgrenzwertsignal und dem Ist-Stapelleistungssignal an einen Regler, um ein Leistungsoffsetsignal zu erzeugen; - Bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um ein Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen; - Addieren des Lastleistungsanfragesignals und des Leistungsoffsetsignals, um ein Stapelleistungsnachfragesignal zu erzeugen; und - Bewirken, dass das obere Leistungsgrenzwertsignal sich in Richtung auf das Ist-Stapelleistungssignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um das Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen; - Subtrahieren des Leistungsoffsetsignals und des oberen Leistungsgrenzwertsignals, um ein erstes Leistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um die Leistung, die von den geregelten Systemlasten aufgenommen wird, zu begrenzen, so dass das Ist-Stapelleistungssignal sich in Richtung auf das obere Leistungsgrenzwertsignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, genug Leistung bereitzustellen, um das Lastleistungsanfragesignal zu befriedigen; - Bestimmen, ob das Brennstoffzellensystem sich in einem Fahrbetrieb oder einem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei das Abgleichen des oberen Leistungsgrenzwertsignals mit dem Ist-Stapelleistungssignal oder das Abgleichen des Ist-Stapelleistungssignals mit dem oberen Leistungsgrenzwertsignal ausgeführt wird, wenn das System sich im Fahrbetrieb befindet; und - Subtrahieren des Leistungsoffsetsignals und eines unteren Leistungsgrenzwertsignals, um ein zweites Leistungsgrenzwertsignal bereitzustellen, um die Leistung, die von den geregelten Systemlasten aufgenommen werden, zu begrenzen, so dass das Ist-Stapelleistungssignal sich in Richtung auf das untere Leistungsgrenzwertsignal bewegt und mit diesem abgeglichen wird, wenn das System sich in dem regenerativen Bremsbetrieb befindet, wobei der Regler ein Proportional-Integral (PI)-Regler mit einem positiven Eingang und mit einem negativen Eingang ist, und wobei das Ist-Leistungssignal an den positiven Eingang des PI-Reglers geliefert wird, wobei das obere Leistungsgrenzwertsignal und das untere Leistungsgrenzwertsignal an einen Schalter geliefert werden, der auf eine Stellung eingestellt ist, je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Betrieb befindet, so dass je nachdem, ob das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb oder im regenerativen Bremsbetrieb befindet, entweder das obere Leistungsgrenzwert Signal oder untere Leistungsgrenzwertsignal an den negativen Eingang des PI-Reglers geliefert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Bereitstellen einer Schätzung einer erwarteten aufgenommenen Leistung von einer oder mehreren der ungeregelten Systemlasten an das Leistungsoffsetsignal, bevor das Leistungsanfragesignal und das Leistungsoffsetsignal addiert werden oder bevor das Leistungsoffsetsignal und das obere Leistungsgrenzwertsignal subtrahiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen der Leistung auf dem Leistungsbus das Verwenden eines einzelnen Stromsensors umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geregelten Lasten ein elektrisches Fahrzeugtraktionssystem, einen DC/DC-Wandler und eine Batterie umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ungeregelten Systemlasten einen Kompressor umfassen, der einen Luftfluss an den Brennstoffzellenstapel liefert.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leistungsoffsetsignal die Leistung darstellt, die von allen ungeregelten Lasten aufgenommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem sich auf einem Fahrzeug befindet.
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